一种新型光伏电池最大功率点跟踪控制方法

MPPT控制方法的对比分析

MPPT控制器的全称"最大功率点跟踪"(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0.所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压(Vpp)大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，(有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊)在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V!

国内外研究MPPT的算法很多，比较成熟的有恒定电压法、扰动观测法/爬山法、电导增量法等。恒定电压法(CVT)就是将光伏电压固定在最大功率点附近，该控制方法简单容易实现，初期投入少，系统工作电压具有良好的稳定性，但是跟踪精度差，忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，测量开路电压要求光伏阵列断开负载后再测量，对外界条件的适应性差，环境变化时不能自动跟踪到MPP，造成了能量损失。扰动观测法(P&O)和爬山法(Hill Climbing)都是通过不断扰动光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向，该控制方法控制思路简单，实现较为方便，跟踪效率高，提高太阳能的利用效率，但是扰动观测法或爬山法的步长是固定的，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地停滞在低功率输出区，如果步长过大，就会导致系统振荡加剧，并且在日照强度变化时会产生误判现象。电导增量法是通过调整工作点的电压，使之逐步接近最大功率点电压来实现最大功率点的跟踪，该方法能够判断工作电压与最大功率点电压的相对位置，能够快速地跟踪光强迅速变化引起的最大功率点变化，控制效果好，稳定度高，但是该控制算法较复杂，对控制系统性能和传感器精度要求较高，硬件实现难。除以上几种常用的MPPT控制方法外，目前不断出现一些较新、较实用的MPPT算法，如直线近似法、三点重心比较法等。这些算法既参考了已有的比较成熟的方法，又在其基础上进行了改进和创新，跟踪精度有了进一步的提高。同时，以模糊控制法、神经网络控制法等为代表的新算法的出现，也为最大功率点跟踪控制技术的快速发展提供了坚实的数学基础和理论依据。对于各种MPPT算法优缺点的比较分析如表1所示。由以上研究分析发现，每种MPPT控制方法各有其优缺点，在实际工作中需要综合考虑，根据不同的环境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能缩小成本。

表1 MPPT控制方法比较

3 改进爬山法研究

考虑到爬山法有较好的跟踪效率，且实现简单等显著优点，本文采用一种改进爬山法，该方法采用CVT启动及变步长的控制策略。CVT启动方法是以0.78倍的开路电压作为爬山法的运行初值，能较好地克服爬山法在启动时产生的采样误差的缺点，能提高跟踪速度。变步长控制法的思想是：当距最大功率点比较远时，步长取较大，跟踪速度加快;当距最大功率点比较近时，步长取较小，慢慢接近最大功率点;当非常接近最大功率点时，稳定在该点工作。该变步长法能克服爬山法在最大功率点附近振荡的缺点。改进爬山法控制流程图如图3所示。

4 改进爬山法仿真分析

光伏发电系统最大功率点跟踪器采用BooST

图3 改进爬山法控制流程图

DC/DC变换电路来实现，通过调节PWM波的占空比控制功率的输出。在Boost变换器的电路中串入MPPT控制系统，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，编写S函数作为MPPT的控制模块，对光伏电池的最大功率点进行追踪，MPPT仿真模型如图4所示。

图4 MPPT仿真模型

对短路电流3.2 A、开路电压22 V、最大功率点电流2.94 A和最大功率点电压17 V的光伏电池模块组成17伊1的光伏电池阵列进行仿真，即其短路电流和光伏电池阵列的开路电压分别为3.2 V和374 V，光伏电池阵列最大功率点电流和最大功率点电压分别为2.94 A和289 V。光伏阵列输入光强为1 000 W/m2，温度为25 益。为了形成对比，对不加MPPT控制器的光伏发电系统、加爬山法MPPT控制器的光伏发电系统和加改进爬山法MPPT控制器的光伏发电系统分别进行仿真实验，仿真结果如图5所示。

图5 MPPT仿真图形

由图5可见，未加MPPT控制的光伏电池