肖文波 余晓鹏

摘  要： 将虚拟仿真技术应用于实验课程，有利于提高教学质量，为此，文中讨论光伏系统最大功率跟踪算法中扰动观察法及电导增量法的原理，并通过Matlab/Simulink建立了它们的仿真平台。通过仿真结果对比研究上述方法，得出扰动观察法跟踪算法简单，其特点是震荡中搜索电池输出最大功率点;电导增量法的特点是平稳且快速的搜索到最大功率点。该研究为光伏发电技术的仿真平台的开发提供一种途径。

关键词： 光伏发电; 最大功率点跟踪; 仿真平台; 扰动观察法; 电导增量法; Matlab

中图分类号： TN830.4?34; TM615                 文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2019）12?0104?04

Abstract： The application of the virtual simulation technology in experimental courses can help to improve the teaching quality. Therefore， the principles of the perturbation observation method and conductance increment method are discussed in this paper for the maximum power tracking algorithm of the photovoltaic system， for which the simulation platform is established with the Matlab/Simulink. The above methods are comparatively researched by the simulation. The results show that the tracking algorithm of the perturbation observation method is simple and has the characteristics of searching the maximum power point output by the battery during oscillation， and the conductance increment method has the characteristic of searching the maximum power point stably and fast. The research can provide an approach for the simulation platform development of the photovoltaic power generation technology.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; simulation platform; perturbation observation method; conductance increment method; Matlab

0  引  言

随着国家重视并开展虚拟仿真实验教学中心的建设，许多学校重视并开发虚拟仿真实验[1?3]。虚拟仿真实验教学注入了新的活力，不仅避免了实验条件等限制，又可以扩展实验内容，让学生有机会独立开展更多的探索性、研究性实验，同时缓解实验内容与学时之间的矛盾，还有利于学生掌握现代仿真软件工具、培养学生的实践能力和创新能力[4?8]。最近，随着光伏产业的快速发展，许多高校开设了相关课程。但是光伏发电本身具有非线性和时变性，无法建立精确的数学模型，且受外界天气因素影响巨大[9]，所以相关理论教学难以形象阐述这部分教学内容，尤其是光伏发电量最大功率点跟踪技术[10]。由此，开发光伏发电最大功率点跟踪仿真技术的平台，对于教学十分重要[11?12]。

为此，本文讨论光伏系统最大功率跟踪算法中扰动观察法及电导增量法的原理，并通过Matlab/Simulink建立了它们的仿真平台。通过仿真结果对比研究，得出扰动观察法跟踪算法简单，采样的精度要求低且跟踪速度较快;电导增量法可快速稳定工作在最大功率点且输出平稳，但是对采样的精度要求较高。该研究为光伏发电技术的仿真平台开发提供一种途径。

1  最大功率點跟踪算法的原理

光伏发电最大功率点跟踪原理是在给定条件下让电池产生的电能高效地传输给负载，使系统的能量利用率尽量的提高。基本原理如图1所示，图中横坐标是电池输出电压（V），纵坐标是电池输出功率（P）。通过对比电池当前输出功率与前一次功率的大小，判断电池输出最大功率的方向;然后通过增加或减少负载的大小调整输出电压，以达到电池输出功率最大。

图1  最大功率点跟踪示意图

目前，光伏发电最大功率点跟踪算法大体可以分为扰动观察法、电导增量法及其相关改进算法[13]。常用的有两种就是扰动观察法和电导增量法。扰动观察法又称为爬山法[14]，该方法原理简单，其主要原理是通过不断扰动光伏系统当前输出电流或者电压，采集扰动后的输出电流和电压并计算输出功率，将输出功率与前一次的功率进行比较，根据比较的结果来判定下一次的扰动方向。电导增量算法[15]是以电导和瞬时电导的比较确定最大功率点位置，具体是依据输出功率与电压曲线的斜率判断：如果斜率大于0，那么输出电压应该在最大功率点的左边曲线;如果斜率小于0，那么是在最大功率点的右边曲线;如果斜率等于0，那么正好为最大功率点输出（也即满足电流对电压的导数等于负的电流除以电压：[dIdV=-IV]）。下面对扰动观察法和电导增量法具体流程进行说明。

扰动观察法判断流程如图2所示。

具体过程如下：控制器首先采集2个相邻时刻的电压和电流V（k），I（k），V（k-1），I（k-1），然后分别计算出它们的功率P（k），P（k-1）。通过求两功率之差dP=P（k）-P（k-1）来判断下一步扰动的方向。如果dP>0且V（k）-V（k-1）>0，则电压向右边扰动一个步长V（k）= V（k）+ΔV（ΔV是扰动步长）;其他情况类似，直到找到最大功率点。

图2  扰动观察法流程图

电导增量法具体跟踪过程如图3所示。控制器首先采集某时刻的电压V（k）和电流I（k），然后计算出此时电压、电流微分dV，dI。通过dV，dI与0及[dIdV=-IV]比较来判断下一步扰动的方向。当[dIdV=-IV]时，说明正工作在最大功率点;当[dIdV>-IV]时，说明在最大功率点的左边，此时增加一个固定电压值V（k）=V+ΔV;当[dIdV<-IV]时，表明在最大功率点的右边，此时减小一个固定电压值V（k）=V-ΔV。

图3  电导增量法的流程图

2  仿真电路图

通过Matlab/Simulink模块建立扰动观察法和电导增量法的仿真图。扰动观察法的算法思想是：由输出功率值的变化决定下一步占空比的变化方向。如果功率增加，则搜索方向不变;如果功率减小，则搜索方向相反。具体电路仿真如图4所示。

电导增量法的算法思想是：由[dIdV]与[-IV]之间的关系来决定下一步占空比的变化方向。如果[-dIdV=IV]，则搜索方向不变;如果[-dIdV=IV]，则搜索方向相反。具体电路仿真图5所示。

图4  扰动观察法电路模型图

图5  电导增量法电路模型图

3  仿真结果讨论

设置光伏电池短路电流Isc=4.75 A、开路电压Voc=21.25 V、最大功率點处的电流Im=4.51 A、电压Vm=17.25 V为初始数据，仿真时间段为0.4 s。在0 s，0.1 s，0.2 s， 0.3 s时刻电池所处环境条件分别为1 200 W/m2，25 ℃;900 W/m2，25 ℃;600 W/m2，25 ℃;1 000 W/m2，25 ℃。记录光伏电池的最大功率输出数据，以及扰动观察法、电导增量法最大功率跟踪数据，结果如图6所示。

图6  仿真结果

从图6可以看出，在相同的光强和温度条件下，不同方法寻优达到最大功率点跟踪的速度不同。电导增量法比扰动观察法更快搜索到电池输出最大功率点并稳定下来;而扰动观察法总是在震荡中搜索电池输出最大功率点。此外， 还发现在环境条件改变的情况下，电导增量法也能平稳地搜索到最大功率点。由此可以说电导增量法性能优于扰动观察法。

4  结  论

将虚拟仿真技术应用于实验课程，有利于提高教学质量。为此，本文讨论光伏系统最大功率跟踪算法中扰动观察法及电导增量法的原理，并通过Matlab/Simulink建立了它们的仿真平台。通过仿真结果对比研究上述方法，得出扰动观察法跟踪算法简单，其特点是震荡中搜索电池输出最大功率点;电导增量法的特点是平稳且快速地搜索到最大功率点。该研究为光伏发电技术的仿真平台的开发，提供一种途径。

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