光伏发电系统的最大功率跟踪算法的研究与仿真
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摘要：最大功率点跟踪是光伏发电系统中应重点考虑的部分。光伏电池的输出特性呈非线性，功率最大值只在某一特定点上，为提高光伏电池的光电转换效率，确保太阳能电池工作在最大功率点，本文提出了一种新型的变步长扰动法。该方法是一种对光伏发电系统最大功率点进行实时跟踪的MPP控制方法，是新型的太阳能电池最大功率跟踪的动态系统。文章使用该法对光伏发电系统进行Matlab/Simulink仿真，仿真结果表明，从跟踪速度和精度方面较传统方法都有很大提高。
关键词：光伏发电系统；最大功率点跟踪；变步长扰动法；直流变换器
引言
光伏电池输出特性具有非线性，受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率[1]。如何通过光伏电池的最大功率点跟踪控制，使太阳能光伏电池获得最大输出功率，充分利用太阳能光伏阵列的能量，对提高光伏电池的转换效率，降低光伏发电成本，具有重要的意义。本文在Matlab/simulink的仿真环境中，建立了光伏电池的最大功率跟踪仿真模型，并运用一种基于极值搜索原理的算法控制Buck DC/DC变换电路，实现最大功率点跟踪。
1直流变换电路的工作原理
将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。它利用电力电子器件的通断控制，通过改变通断时间比（通常称为占空比，Switch Duty Ratio，用D表示）来改变输出电压的平均值，因此也称为开关型DC/DC变换电路或称直流斩波器。直流变换器
图1基本的直流变换电路及波形
被广泛地应用在直流开关电源和直流电机拖动系统中[2～4]。
最基本的直流变换电路如图1（a）所示，图中Q为可控开关，R为纯阻性负载。当开关在t＼-1时间接通时，电流I＼-a经负载电阻R流过，R两端就有电压V＼-a；开关在t＼-2时间断开时，R中的电流I＼-a为零，电压V＼-a也变为零。直流变换电路的负载上电压、电流的波形如图1（b）所示，输出电压的平均值V为
式中，为开关的工作周期，t＼-1为开关的导通时间，D为开关占空比，D=t＼-1/。假设Q为理想开关，无能量损耗，则输出功率为
式（1）中，V＼-0为输入直流电压，由于占空比D的取值在0～1之间，因此可知输出电压的平均值V总是小于输入电压V＼-0，则改变D值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变t＼-1或来实现。由式（1）可知，改变负载端输出电压有以下两种调制方法：
（1） 脉冲频率调制（PFM）工作方式
脉冲频率调制工作方式是指开关管导通时间t＼-1保持不变，改变开关周期。在这种调制方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。
（2） 脉宽调制（PWM）工作方式
脉宽调制工作方式是指开关周期保持不变，改变开关管导通时间t＼-1。在这种调制方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计比较容易。鉴于PWM优于PFM，本论文采用PWM。
2光伏发电系统最大功率跟踪的实现
在常规的线性电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时，负载上就可以获得最大功率。为了实现对太阳能电池最大功率跟踪常采用DC/DC变换器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种直流电压，其中二极管是起续流作用，LC电路用来滤波。典型的DC/DC变化电路有降压式（buck）、升压式（boost）、升降压式（buck-boost）、库克式（cuk）等[]。
DC/DC变换器在光伏发电系统中，主要有两种功能：一是调节太阳能电池的工作点，使其始终工作在最大功率点处，二是控制蓄电池充电电压范围。在此我们重点研究如何实现调节太阳能电池工作点这一功能。由于太阳能电池的输出特性曲线受外界环境（如日照强度、温度等）的影响，对于不同的外界环境，太阳能电池的输出特性曲线不同，而在特定的环境下，太阳能电池的I-V输出曲线不变，但太阳能电池的工作点不同，其输出功率也会不同，因此，只要能够调节外电路的等效电阻，就可以达到调节太阳能电池的工作点的功能。
图2太阳能电池输出端的Buck变换器电路
图2为与太阳能电池输出相连接的降压变换器的电路图，其中，通过改变变换器开关的PWM占空比可以控制功率通量，电路的平均输出电压的大小由式（1）决定[6]。
式中，V＼-in、V＼-out分别为变换器的输入、输出电压，D为占空比（0﹤D﹤1）。在理想状态下，变换器的输出功率等于输入功率，则，由（3）式可以推出下面的式子：
从上式（）可以看出，当R＼-out固定不变时，通过调节D就可以调节R＼-in的值，从而实现了对太阳能电池工作点的调节，确保光伏发电系统始终工作在最大功率点。
3最大功率跟踪控制系统的设计与构成
31 传统的最大功率跟踪法
MPP（Maximum Power Point racking）是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪光伏电池的最大功率。目前实现最大功率跟踪目前最常用的控制方法主要是扰动观察法和电导增量法[7]。电导增量法的原理是：在最大功率点处，有dI/dV=-I /V（其中I和V分别为光伏电池的输出电流和电压）。由于dI、dV的值通常很小，要求传感器要有很高的精度，而且算法复杂、计算量大，所以电导增量法适用于环境变化比较剧烈的大功率光伏发电场合。扰动观察法由于实现简单，是最为常用的方法。它通过对光伏电池输出电压、电流的检测，得到当前的输出功率，再与前一时刻的功率进行比较，来确定参考电压的调整方向，不足之处是在给定较小的扰动步长的基础之上，必须经过一定的扰动时间才能重新达到稳定状态；如果扰动步长过大，可能导致系统在最大功率点附近剧烈振荡，甚至引起系统的不稳定。这样对跟踪的速度和精度有一定的影响[8]。
32 改进的最大功率跟踪法设计
为了获得尽可能多的能量，我们总是希望太阳能电池方阵总是工作在最大功率点（Pm）附近。但是太能电池方阵的最大功率点会随着太阳辐射强度和环境温度的变化而变化，如果不采取任何控制措施，光伏发电系统也就不可能发挥出最大的功率输出[9]。上面我们分析过，通过调节占空比D能实现对太阳能电池工作点的控制。
图3光伏系统整体框图
在扰动观察法中，调整占空比D时还存在调整步长大小的选择问题：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；步长过大，输出功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳态误差变大[10]。该问题通过变步长λ得到解决，同时保证系统的动、稳态性能。在这里提出一种新型的变步长扰动的方法，来实现最大功率点的跟踪控制，光伏系统整体设计如图3所示。
根据太阳能电池的特性曲线可知，在相同的电压V扰动下，离最大功率点近的地方，功率变化量P较小，离最大功率点远的地方，功率变化量P较大。当采样时间很短时，可以近似将P/V看作P-V曲线的各点斜率，因此本文令触发脉冲占空比D的扰动步长为λ=k|P/V|来实现变步长的扰动，其中k为步长调节系数。
图4MPP控制器原理图
33 系统跟踪的原理与构成
系统中最大功率跟踪的过程实际上是一个光伏电池功率自寻优的过程[11]。最大功率点MPP控制器原理图如图4所示，太阳能电池的输出功率P和电压V经过与各自的延时进行比较后，得到了功率的变化量P和电压的变化量V，两者相乘后送给逻辑判断器；如果P·V>0，说明输出功率与电压的变化势恰好相同，太阳能电池输出功率在最大功率点的左侧，需要减小触发脉冲的占空比D以增加电压，使太阳能电池工作在最大功率点，则逻辑判断器输出结果为1；如果P·V
图光伏系统变步长扰动法流程图
4最大功率跟踪控制模型仿真方案和结果
41 仿真方案
仿真实验时，采用Ascent Solar echnologies公司生产的 WaveSol＼+M CIGS太阳能薄膜电池，其参数如表1所示。
表1WaveSol＼+M CIGS太阳能薄膜电池参数
42 仿真方法
在图4和图的基础上，可以通过Matlab/Simulink建立变步长扰动法的MPP仿真控制模型如图6所示。
图6MPP仿真控制模型
43 光伏发电系统仿真模型的建立
基于上文的分析，在Matlab的Simulink环境中搭建光伏发电系统仿真模型如图7所示
图7光伏发电系统仿真模型
44 仿真结果与分析
图8光伏电池的仿真输出电流曲线
图9光伏电池的仿真输出电压曲线
在上面的光伏发电系统仿真中输入基本参数后，得到光伏电池模块的仿真的电流输出、电压输出和功率输出的曲线，分别如图8、图9和图10所示。系统稳定输出前和稳定输出后观测到的PWM信号产生模块中的触发脉冲占空比大小分别如图11和图12所示。
从仿真结果可以看出：光伏发电系统的输出电流从零开始迅速增加，通过一段时间的调整后，平稳地输出了最大功率点工作电流3246A；光伏发电系统的输出电压从零开始急速增加，升高到某一值后又缓慢下降，同样通过一段时间的调整后，平稳地输出了最大功率点工作电压16V；光伏发电系统的输出功率也是从零开始急速增大，上升到一定值后经过小范围震荡后得到了光伏发电系统平稳的最大功率输出值373W；系统在009秒极短的时间内达到稳定最大功率输出，从图11可以看出，在系统平稳输出前，触发脉冲信号时刻发生变化，寻找最大功率输出阶段，而图12所示是的系统平稳输出时的占空比，其大小没有发生变化，约为60%，此时光伏发电系统的输出功率达到了最大值。仿真实验表明，输出值与生产厂商提供的出厂参数P＼-m、I＼-m、V＼-m进行比较，基本吻合，充分验证了所设计的光伏阵列MPP仿真模型的合理性， 可以有效地对光
伏发电系统进行最大功率实时跟踪控制，实现了时刻保证光伏发电系统最大功率输出，提高电池发电效率的目的。
结论
通过分析光伏发电系统变换电路原理、最大功率跟踪的实现及其等效电路，提出一种改进的变步长扰动实时跟踪的MPP控制方法。在Matlab/Simulink仿真环境中，建立了光伏阵列仿真模型并对改进的MPP控制方法进行仿真验证。仿真结果表明：改进的MPP控制方法，能使太阳能电池在更短的时间内达到最大的、稳定的输出值，数据与同等光强、温度工作情况下的生产厂商提供的出厂参数P＼-m、I＼-m、V＼-m进行比较，大致吻合，充分验证了该系统可以很好地跟踪太阳电池的最大功率点，可应用光伏发电系统。
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