夏凌畅 郑 巍

（国网安徽省电力有限公司黄山市黄山区供电公司，安徽 黄山 245700）

0 引言

为了应对日益突出的环境问题，加上碳成本不断提高，中国制定了长期碳计划，提出2030年碳达峰、2060年碳中和，而高效利用新型能源是实现该目标的必由之路。光伏发电涉及的技术问题在很早之前就成为研究的热点，随着“双碳计划”的不断推进，相关技术正不断优化。“双碳计划”旨在推动构建人类命运共同体，强调减少碳排放的重要性，促进绿色低碳发展，为实现全球气候变化协议提供信心和新的动力。

结合当前形势，可再生能源发电尤其是光伏发电受到了人们的持续关注，产业规模不断扩大，技术不断发展。

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）作为光伏发电系统的必要技术之一，有着重要的研究价值和应用前景。已有学者进行了很多相关研究。

文献[1]给出了光伏电池的物理模型和MPPT方法的基本逻辑；文献[2]搭建了基于电导增量法的电路仿真模型；文献[3]将电导增量法和PSO法有效结合，提出了一种改进后的PSO算法，但计算量大，收敛精度不理想；文献[4]提出了一种改进PSO算法，能有效减少计算量并提高收敛精度。

综上所述，现阶段MPPT技术仍存在不足，有待进一步深入研究。

针对光伏发电最大功率追踪，本文设计了光伏发电MPPT系统电路结构，给出了参数取值范围，并搭建了对应的仿真模型，通过仿真结果验证了所提MPPT控制系统的有效性。

1 改进PSO算法

PSO（粒子群算法）是智能算法的一种，该方法基于对鸟类寻食行为的模拟，每一只鸟在自己附近找寻最大值，多次迭代后寻找到极值。式（1）为经典PSO算法子代迭代速度公式：

式中：xidt、vidt、pidt为第t次迭代后第i个粒子在第d维的位置、速度和历史最优位置；c1、c2为认知学习因子与社会学习因子；r1、r2为随机数；ω为权重。

PSO算法中权重ω的取值影响算法的探索和开发能力，在工程实践中，探索与开发的比重应随着问题的发展而变化，于是自适应权重的PSO算法应运而生。本文使用的改进PSO算法属于自适应权重策略方向。

1.1 群体趋势因子

定义每一子代指向本代最优点的矢量与当前运动速度矢量之间的夹角为行为夹角，如图1所示。容易看出，每代中平均行为夹角越大，算法越倾向于全局搜索能力；平均行为夹角越小，算法越倾向于局部开发能力。在实践中发现，行为夹角以60°为分界，呈上述两种不同的状态。

图1 行为夹角示意图

定义群体趋势因子r为每代中行为夹角小于60°的粒子占比。实践中有经验公式，r＞0.7，认为算法处于局部开发占优状态；r＜0.7，认为算法处于全局探索占优状态。

1.2 自适应权重设计

当r过大时，希望可以增大权重，提高算法的全局搜索能力；r过小时，希望可以减小权重，提高算法的局部开发能力。权重ω与r之间一个较好的对应关系，如式（2）所示[4]：

基于式（2）设计改进PSO算法可以达到局部开发能力与全局探索能力在算法的各时段内均较为优秀的设置，提高算法效率。

2 MPPT电路设计

2.1 电路拓扑结构

MPPT系统一般基于BOOST或BUCK斩波电路设计。本文选择使用BOOST电路，电路拓扑结果如图2所示[1]。

图2 BOOST电路结构

其中，PWM信号是由MCU调制后经过驱动模块后输出的控制MOS或IGBT的信号，基于对电压和成本的判断，本文所设计电路开关管选用MOS管。

PWM信号的占空比D控制BOOST电路的放大倍数，计算公式如式（3）所示：

式中：Vout为输出侧电压；Vin为输入侧电压；Vd为二极管正向导通压降。

MPPT系统工作流程图如图3所示。

图3 MPPT系统框图

2.2 电路参数计算

BOOST电路中电感和电容的取值严重影响电路性能，是后续仿真和实物设计的基础，多数情况下使用经验值不可靠，各元件的主要参数和各参数的约束范围如下。

L1电感为储能元件，在开关管打开时储能，在开关管关闭时放能，是BOOST电路提高电压的主要元件，主要技术参数为平均电流、饱和电流与电感值，计算公式如式（4）所示：

式中：IL为电感平均电流；ΔIL为纹波电流幅值；Iout为输出电流，可以由输入功率与输出电压共同求得；L为电感大小；f为开关频率。

电感值过大会导致电路的动态响应能力降低，过小会导致电感电流过载，电路发热异常甚至电磁环境异常。

C1、C2电容为滤波电容，作用是消除纹波，提高输出直流电压的稳定性与质量，便于接入逆变器并网或直接供给直流电机等电力设备使用，主要技术参数为电感值C0和ESR，计算公式如式（5）所示：

式中：ESR为等效串联电阻值，使用陶瓷滤波电容时一般不用考虑ESR参数。

通过上述公式计算，可以求得BOOST的参数，指导器材选型。

3 数学模型构建与仿真

基于SIMULINK仿真软件搭建数学模型，使用5块光照强度不同的光伏组件串联仿真局部过热或光照不均时的多峰光伏电源，输出特性曲线如图4所示。

图4 多峰输出特性曲线

该特性曲线有5个局部最优点，全局最优点出现在最右侧，局部最优点较多，适合使用智能算法寻优。

编写改进PSO算法，搭建BOOST电路物理模型，基于SIMULINK设计电路，如图5所示。

图5 SIMULINK仿真模型

仿真系统开启后的2 s内功率变化情况如图6所示。

4 结论

分析仿真结果，得到以下结论：

1）针对光伏发电最大功率追踪，研究提出的基于改进PSO算法的MPPT算法计算量小，硬件要求低，能实现光伏发电最大功率点的快速准确追踪。

2）基于上文给出的BOOST参数计算公式设计的MPPT系统电路性能良好，能实现快速响应，并有效减小纹波输出。

综上所述，基于改进PSO算法的MPPT控制算法是一种适用于光伏发电最大功率跟踪控制的有效方法，该算法简单，动态追踪快，稳态纹波小，能自动实现变步长追踪。

图6 仿真功率曲线

该算法还可以形成一种自寻优的MPPT动态控制系统，该控制系统易于实现，适合工程应用。