一种改进型变步长MPPT算法
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2020-10-17
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一种改进型变步长一种改进型变步长MPPT算法算法
针对固定步长比较法的跟踪速度和精度不够理想的特点，提出一种新的变步长扰动观测法来跟踪光伏电池的最
大功率点。依据光伏电池的P-U曲线特性，在最大功率点两侧采用不同的变步长控制策略。在左侧，采用较大的
步长选择策略。在右侧，采用较小的步长选择策略。同时给出步长的选择方法。在MATLAB/Simulink环境下，
搭建光伏电池最大功率点模型并进行仿真。仿真结果表明，该算法可以显著提高最大功率的跟踪速度与精度，
有效抑制在最大功率点处的振荡现象。
摘摘 要要： 针对固定步长比较法的跟踪速度和精度不够理想的特点，提出一种新的
关键词 关键词：
0 引言引言
太阳能作为清洁可再生能源，分布广泛，应用前景好。当今，光伏发电系统已得到了广泛的应用。在光伏发电系统中，光
伏电池的运行受到外部环境的影响。光伏电池的运行特性表明，其最大输出功率与光照强度、温度等因素有关，且具有非线性
特性。因此，为了让光伏电池工作在最佳状态，必须使用可靠的控制算法对光伏电池的最大输出功率进行跟踪控制，以保证光
伏电池始终能够输出最大功率，从而提高光伏电池的工作效率。这一跟踪过程称为最大功率跟踪（Maximum Power Point
Tracking，MPPT）。
常用的MPPT算法主要有恒定电压法、扰动观测法、电导增量法以及智能MPPT算法。扰动观测法具有结构简单、被测量
少、控制简单、易于实现等优点，应用较广，但其存在振荡及误判问题，使系统很难准确地跟踪到最大功率点。
参考文献[1]给出一种变步长控制策略，分析了P-U曲线的特性区间，在最大功率点附近采用小步长扰动观测法，在最大功
率点两侧采用大步长扰动观测法。但是该文献没有给出大、小步长的选取方法。该策略没有注意到P-U特性曲线在最大功率点
两侧的变化率不同，没有给出步长选择算法。
参考文献[2]分析了|dP/dU|曲线在最大功率点（MPP）两侧的变化差异，提出了一种以P-U曲线切线角的正弦值为步长参
数的变步长控制策略。这种步长选取方法能够使得在最大功率点附近步长变化更为平滑、减小震荡。但在远离最大功率点时，
由于正弦函数值较小，在一定的切线角度内难以很好地区分步长大小，进而影响了跟踪速度。此方法还是没有将最大功率点两
侧的P-U曲线分开对待，没有分别采用不同的步长选择方法。
参考文献[3]提出了一种变步长MPPT算法，其设定了三种不同的步长，并根据功率变化的大小来选择步长。但是步长还是
固定的，系统在最大功率点处的振荡依然较大。
综上所述，以扰动观测法为基础，依据P-U曲线特性，在最大功率点两侧采用不同的步长选择方法，提出一种新型变步长
扰动观察法的MPPT算法。不同的步长选择方法能够优化跟踪速度与精度，同时能够减小在稳态时的误差。本文在对新的步长
选择方法进行分析后，利用MATLAB/Simulink环境，对光伏电池仿真研究。仿真实验中应用本文所提的方法进行MPPT控制，
实现了对最大功率点的跟踪控制，验证了该方法的高效性。
1 光伏电池模型及其特性分析光伏电池模型及其特性分析
1.1 光伏电池数学模型光伏电池数学模型[4-6]
光伏电池的等效电路如图1所示。
图1中Isc为光伏电池发出的电流，IVD为二极管饱和电流。RL为光伏电池负载，IL为负载电流，负载电压为UL。
由图1可得光伏电池的输出特性方程为：
式中，q为电荷量（1.6×10-19 C）；A为二极管因子；K为玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）；T为开氏温度；IL为光伏电
池输出电流；Isc为光伏电池短路电流；IDO为光伏电池在无光照时的饱和电流。
理想光伏电池其等效串联电阻Rs较小，并联电阻Rsh较大。因此，在理想模型下可以忽略Rs、Rsh的影响。光伏电池的输
出特性可以表示为：
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