满达

摘  要：光伏发电系统的最大功率点跟踪是提高发电效率的有效方式之一。文章提出改进的3阶变步长扰动算法实现最大功率点的跟踪，通过仿真对比了变步长和固定步长最大功率点跟踪的效果，结果表明改进后的变步长MPPT算法可以提高最大功率点跟踪的稳定性和效率，较改进前具有较大的优势。

关键词：光伏发电;最大功率点跟踪;MATLAB

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）27-0053-03

Abstract： The maximum power point tracking of photovoltaic power generation system is one of the effective ways to improve the efficiency of photovoltaic power generation. In this paper， an improved third-order variable step size disturbance algorithm is proposed to realize maximum power point tracking. The effects of variable step size and fixed step size maximum power point tracking are compared by simulation. The results show that the improved variable step size MPPT algorithm can improve the stability and efficiency of maximum power point tracking.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; MATLAB

太阳能光伏发电是当前太阳能利用的主要模式之一，也是我国开发可再生能源利用的主要途径[1]。但是，发电效率低仍是光伏发电需要解决的问题。如何在前期研究的基础上，进一步提高光伏面板的光电转换效率，是光伏发电系统研究的热点。在光伏發电系统中，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术通过实时跟踪不同环境条件下，光伏面板输出的最大功率，不断跟踪最大功率点保持输出功率最大，以提高光伏发电系统对太阳能的整体利用效率，进而获得更多电能，进一步降低光伏发电系统的成本。常用的最大功率点跟踪法包括恒压跟踪法[2-3]、电导增量法[4-6]以及扰动观察法[7-8]。恒压跟踪法通过保持恒压的方式，只能跟踪到近似最大功率点，并不能达到实际的最大功率点。增量电导法跟踪过程较为复杂，此外最大功率点跟踪的速度和精度受检测精度的影响较大。扰动观察法通过调整参考电压，不断跟踪最大功率点，本质上是一个自动寻找最优解的方法。该算法相对简单，而且对检测的精度要求不高，非常有利于硬件实现，得到了广泛的应用。上述三种方法都存在电压增量步长不容易确定的问题，需要对步长的设定进行深入的研究。本文针对扰动观察法进行优化改进，提出了一种3阶变步长的MPPT算法，并建立了光伏发电系统的仿真模型，对比常规固定步长的扰动观察法，验证了所提出改进算法的优越性。

1 三阶变步长扰动观察法

固定步长扰动观察法的具体实现步骤如下：逐步增加最大功率点跟踪电路开关的占空比，若光伏面板的输出功率随着占空比的增加而增加，则继续增加占空比，直到光伏面板的输出功率减小;如果输出功率随着占空比增加而减小，则需要降低占空比。每次占空比的改变值称为扰动步长△d。选择扰动步长要充分考虑光伏发电系统的动态响应速度以及稳定状态下的控制精度。△d取值更大时，可以更快地响应外界环境变化，但容易在最大功率点附近产生较大的功率振荡;△d取值更小时，在最大功率点附近时产生的功率振荡会更小，但是响应系统外界环境变化的能力更差[8]。为了提高扰动观察法对不同外界环境的适应性，有必要对固定步长进行优化，形成3阶变步长的扰动观察法。

3阶变步长扰动观察法的过程如下：将初始基准值选择为0.76倍的开路电压，然后再控制光伏面板的输出电压从基准电压向最大功率点电压方向移动，采用3阶不同的步长改进扰动观察法进行跟踪。为了更好地实现自适应变步长，形成△1、△2以及△3的3阶不同步长，且△3<△1<△2。比较当前光伏输出功率值与前一时刻功率的差值：如果差值大于PA，则选择扰动步长为△2;如果差值小于PB，则选择扰动步长为△3;如果差值在PA与PB之间，则选择扰动步长为△l。这里，PA和PB分别为设置的较大和较小的功率差门限值，该方法的具体流程如图1所示。

2 光伏发电系统的仿真模型建立

以图2所示的独立太阳能光伏发电系统为例进行最大功率点跟踪算法的仿真计算。

2.1 光伏电池的模型

光伏电池单元的等效电路如图3所示。

参照文献[9]中的分析方法，在MATLAB中建立了光伏电池的模型，如图4所示。

仿真时，光伏电池仿真参数如下：最大功率点对应的峰值电流Im和电压Vm分别为13.88A和288V，开路电压Voc=354V，短路电流Isc=14.88A，光电池组件的温度参考值Tref=25℃，串联电阻Rs=0.5Ω。在参考照度Sref=1000W/m2下，电流变化温度系数a和电压变化温度系数b分别取0.0025A/℃和0.0028V/℃。

2.2 Boost变换器的建模

Boost变换器是升压变换器，属于并联型开关变换器，该类变换器可以用于电压的升高，不仅电路的结构和控制简单，而且具有效率高的优点。Boost变换器工作在输入电流连续的状态，只要保证输入电感足够大，电感上的纹波电流足够小，此时可以近似认为是直流电流。本文建立的Boost变换器的仿真模型如图5所示。

2.3 光伏发电系统建模

最终建立的光伏發电系统的仿真模型如图6所示。

3 不同算法仿真结果分析

设置环境温度为25℃，光照强度为1000W/m2，设置改进的MPPT变步长计算方式，运行仿真，得到仿真结果。图7和图8所示分别为电压和电流的波形。

在同样的仿真条件下，选择固定步长MPPT算法，对比两种不同算法下光伏面板输出功率随时间的变化，如图9所示（虚线为变步长算法）。

从图9中可以看出变步长算法在0.04s的时候已经追踪到了最大功率点，达到最大功率点的时间较固定步长的0.06s要短，而且之后的功率波动也要小于固定步长算法的小，说明改进后的变步长MPPT算法可以较快并且更稳定地追踪最大功率点，较改进前具有很大的优势。

4 结束语

本文对扰动观察法改进，提出3阶不同步长的MPPT算法，并建立了独立光伏发电系统的仿真模型，仿真对比了固定步长和变步长法的结果。验证结果表明该算法改善了传统扰动观察法的动态性能，变步长法能快速稳定地跟踪最大功率，并有效地解决了定步长扰动观测法中跟踪的稳定性和快速性相互矛盾的问题，进一步提高了系统的跟踪精度和效率。

参考文献：

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[2]匡迎春，欧明文，曾文辉，等.太阳能绿地灌溉的MPPT仿真研究[J].农机化研究，2015，37（02）：240-244.

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[4]王志兵.基于恒压法结合变步长电导增量法的最大功率点跟踪[J].科学技术与工程，2012，12（19）：4638-4642.

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