太阳能利用中的一种新型MPPT扰动算法
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摘要：本文介绍了一种新型的MPPT扰动算法，此算法采用分段扰动的方法来实现更高效的MPPT控制，并给出了实验方法。实验的结果表明，所作改进改进达到了目的。
一、引言
在倡导新能源利用的今天，太阳能作为绿色环保清洁能源的潜在价值被人们越来越多的注意到，太阳能利用率也成为关注的重点。
自适应太阳能电池，是利用太阳能电池板的光伏特性，在闭环控制系统中完成能量由光到电的转换，并将其储存在蓄电池中的一种新型的能源利用方式。因此，使闭环系统在最大限度的利用太阳能资源的同时，顾及蓄电池和整个系统模块的工作效率，是我们需要解决的问题。mppt技术在这一方面给予我们很好地帮助。
二、太阳能MPPT技术
（一）电路的基本结构。如图一电路利用太阳能电池板光伏特性把采集到的光能转化为电能传入电路，通过电路中由MCU控制的开关控制充放电。RL为负载或者蓄电池。
图一 太阳能电池工作简易电路
（二）普通MPPT干扰算法分析。通过实际工作时太阳能电池板的工作电压U和工作电流I可以得到实际的太阳能电板工作功率P。考虑太阳能电板所处的工作环境，其功率特性会经常受到外界因素的影响，譬如温度和光照强度，同时在电压达到一定值后，系统的工作特性会产生变化，导致电流减小，太阳能电板实际的工作功率也会减小。因此太阳能电板的功率P并非与工作电压U呈线性变化关系，而是一个类似开口向下的二次函数曲线，先增后减。我们将太阳能电池板放在一个确定外界因素的环境中，可以找到太阳能的最大功率点。要使系统保持在最大功率点，提高工作效率，需要引入MPPT技术。
如图二所示，在确定了外界环境后，一般情况下可以认为太阳能电池板工作在伏安特性曲线的工作点a的位置，工作功率记为Pa。显然a点并非整个太阳能光电转换系统的最大功率点位置，我们假设MPP点有整个系统最大的功率，为Pm，那么这时候就会出现两种状况：
（1）a点落在最大功率点之外未达到最大功率；
（2）a点与最大功率点重合得到最大功率。
图二 太阳能工作U-I曲线
基于（1）我们要做的就是使Pa向Pm靠拢，同时基于（2）我们则需要工作状态保持在Pm点。这个时候我们引入干扰型MPPT算法来实现对Pm的锁定。普通的扰动型MPPT算法是给系统添加扰动电压δV，通过电压的改变调节形同的工作功率，使整个系统逐步向最大功率靠拢。这种方法，在粗略的调节过程中可以实现工作功率向最大功率点靠拢的趋势，但是，单一不变的δV会导致系统工作功率无法在最大功率点附近，反而会产生一定的振荡，影响MPPT算法的实际效果。基于此，对扰动型MPPT进行改进，提出一种新型的MPPT扰动算法。
三、新型MPPT算法分析
（一）算法描述。由于光伏特性曲线在最大功率点附近曲线变化率不同，当扰动电压δV为固定值时，会影响扰动法的实际效果。新型的MPPT算法是通过采集太阳能系统的功率变化率K，确定一个得到K的拟合函数，辅以调节δV，以达到最佳的扰动效果。为了使算法得到最大程度的优化，而且一个固定的δV在系统工作功率远离最大功率点时，同样可以发挥效果。所以我们对整个扰动过程进行分段处理。本文设定一个工作功率和最大功率点之间差距|δP|的阈值￡来调节扰动所用的拟合函数。
通过对δV的调节，以一种非线性的关系逼近最大功率点，可以大大提高算法的实际效果。同时单片机组成的MPPT控制器会不断地将|δP|与￡进行比较，实时调节扰动设置。
（二）K值获取。通过对K值的研究，可以发现本次实验所用太阳能电池板在|δP|在0～2w范围内的时候，需要进行K值干扰（即￡=2w）。我们通过实际的采样得到了间隔为0.2w的采样点，如表一所示：
为了使|δP|-K的关系更清晰的表达，采用MATLAB软件对数据进行拟合，得到如下图所示图像：
同时我们得到了图五拟合曲线的一般函数表达式：
当X>￡时：扰动电压为δV；
当X>￡时：扰动电压为KδV。
通过观察这一曲线，可以得出固定的扰动无法达到精确实现MPPT功能的结论。K值扰动有其存在的合理与优越性，在实际中，可以通过误差允许范围内的函数关系式确定K值。
四、实验比较论证
（一）实验电路设计。实验使用直流电源辅以滑动电阻模拟太阳能电池，BUCK电路作为被控器件，可变电阻做负载，实验电路如图六所示。MPPT控制器控制DC/DC转换器的调节端。通过负载和电源内阻以及系统电压的调节来模拟测试 MPPT 的跟踪效果。
表二为两种MPPT方法的实验比较数据。
初态下：Va（即Vs）= 60V，W1=72Ω，W2=36Ω。通过DC/DC转换器与W2等效为一个电阻R，用以调节系统阻抗。当R=W1时，系统有最大功率，Vb=1/2Va。
由于单片MPPT控制器不断采集工作功率的参数与最大功率点进行比较，所以得到的Vb总是在一个较小的电压区域中反复变化。
将实验的结果反映在图七折线图中更加清晰地得到两种MPPT算法在实验中的表现，将负载电压Vb的上限和下限按照表二次序记录在图中，越靠近为30V的基准线，表示性能越优越，结果越准确：
五、结语
由表二和图七可知，改进型的MPPT扰动算法下所达到的最大功率点跟踪的效果更好。在折线图中新型MPPT扰动算法控制的系统明显更为平滑且更接近最佳状态（Vb=30V），由此可见新型MPPT扰动算法是一个成功的改良。这一改良能够使太阳能在能量转换时表现更高的效率，有效地提高了资源利用率，有着广泛且深刻的应用前景。
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【资助项目】浙江省大学生科研创新团队资助项目 2015R409026