基于改进扰动观察法的光伏阵列MPPT研究

摘要：针对常规扰动观察(P＆0)法由于环境快速变化带来的失效性问题，提出一种基于改进P0法的最大功率点跟踪(MPPT)算法。采用一种压阻可变的方法模拟光伏阵列的输出特性。改进PO法通过控制Boost变换器的占空比改变变换器的输入电压，从而实现MPPT。以DSP芯片TMS320LF2407A为控制电路主处理器，以Boost变换器为主拓扑电路，搭建了模拟光伏阵列MPPT实验系统。实验结果表明，该改进算法能有效地跟踪光伏阵列最大功率点(MPP)。
关键词：光伏阵列；变换器；最大功率点；扰动观察法

1 引言
太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，能量转换效率较低是其发展受到制约的主要因素之一。要提高转换效率，需有效地解决MPPT问题。常用的MPPT方法有：PO法、恒定电压法、导纳增量法、最优梯度法等，文献比较了各方法的优缺点；文献深入研究了几种算法的合成算法；文献介绍了自适应模糊控制法等智能MPPT算法。
PO法是工程上实现MPPT最常用的方法之一，其跟踪方法简单，易于模块化控制，但在外界环境快速变化时该算法存在失效问题。此处提出一种改进的PO法，以提高系统应对外界环境快速变化的能力。采用一种压阻可变的方法模拟光伏阵列的输出特性，通过改进PO法控制Boost变换器的占空比来实现MPPT。

2 光伏阵列特性
光伏电池的基本结构是能够将光能转换为电能的PN结，其等效模型如图1所示。

光伏电池输出特性方程为：

式中：IL为负载电流；IG为光电流；Io为电池内部等效二极管反向饱和电流；Uoc为开路电压；UVD为等效二极管端电压；A为PN结曲线常数；K为波尔兹曼常数；q为电子电荷；T为电池表面温度；Rs为串联电阻；Rsh为旁路电阻。
在实际运行中，按照需要的功率和电压等级，可将若干个单体光伏电池串、并联组成光伏阵列。为了既便于说明问题，又不失一般性，此处采用光伏阵列的理想模型，其输出为：

式中：Uall，Iall，Pall分别为光伏阵列的输出电压、电流和功率；Ucell，Icell，Pcell分别为单体光伏电池的电压、电流和功率；
Ns，Np分别为光伏阵列中串、并联的电池个数。

[p]
光伏阵列的输出特性曲线如图2所示。可见，光伏阵列在较高电压区域有低内阻特性，可视为电压源；在较低电压区域有高电阻特性，可视为电流源。在一定光照强度和工作温度下，光伏阵列存在唯一的MPP，其输出呈非线性特征。因此，在实际应用中，为了提高电池的使用效率，应实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在MPP。

3 光伏阵列输出特性模拟
直接使用太阳能电池进行实验存在时间长、费用高等缺点。为了便于研究光伏阵列的输出特性，提出一种压阻可变的方法模拟光伏阵列的输出特性。实验电路如图3所示。图中，Us为直流源，R0为可变电阻，用于模拟太阳能阵列；U0为模拟光伏阵列的输出电压，后接DC／DC变换器，R1为纯电阻负载；DC／DC变换器选用Boost变换器。通过控制Us的值，改变光伏阵列MPP处U0的值；通过调节R0的值，改变最大输出功率。

对于理想Boost变换器，有：

式中：U0和U1分别为Boost变换器输入、输出电压；I0为平均输入电流；D为占空比。
将变换器和R1看作一个等效电阻Re，则有：Re=U0／I0，结合式(3)可得：Re=(1-D)2R1。可见，Re的大小随D和R1变化。设光伏阵列模拟系统输出功率为P，则有：
P=U0Us／(Re+R0)，U0=UsRe(Re+R0) (4)
联立式(4)消去Re，可得。当U0=Us／2时，有最大输出功率。可见，P存在最大值，改变Us和R0的值可以模拟环境变化时光伏阵列的输出变化，说明使用该方法代替光伏阵列进行实验是可行的，且当U0=Us／2时，光伏阵列输出最大功率，此时Re=R0，即在R1变的情况下，使Re=R0可实现光伏阵列MPPT。

4 改进PO法
PO法通过周期性地改变工作电压来改变P，并比较电压变动前后系统的P，从而决定下一步电压的改变方向。若P增加，则在下一个周期内电压继续向相同的方向改变；反之电压向相反的方向改变。如此反复地扰动、观察和比较，就可以跟踪到光伏阵列的MPP。PO算法的优点是结构简单，易于实现，但算法本身存在如达到稳态时，系统的输出在MPP附近振荡等不足，尤其是在天气环境快速变化时会产生错误方向的扰动。
光伏阵列MPP电压受光照强度影响小，受温度影响较大。但在实际中，由于光伏阵列工作温度变化缓慢，相对而言，光照强度对其影响较大。光照强度缓慢和迅速变化时采用PO法对MPPT方向判断的情况分别如图4a，b所示。图中，T为采样周期；Pk，Pk+1分别为k和k+1时刻的光伏阵列输出功率：dP1为MPPT产生的扰动引起的功率变化量；dP2为光照强度变化引起的功率变化量。可见，若dP1>dP2，则在一个T内工作点向正确的方向改变；若dP1dP2，则工作点向远离MPP方向移动，导致跟踪失效。

为解决环境快速变化时跟踪失效的问题，对PO法做如下改进：首先假设在一个T内，光照强度变化率为一个常数。在T／2时增加一次采样P0，在Pk～P0采样时间内不进行扰动，在P0～Pk+1采样时间内引入扰动，如图5所示。

[p]
在改进PO法中，dP1’只反映由于环境变化而引起的功率变化，dP2’反映跟踪产生的扰动和环境变化共同作用引起的功率变化，则在一个T内功率的变化量可表示为：
dP=dP2’-dP1’=Pk+1-P0-(P0-Pk)=Pk+Pk+1-2P0 (5)
由式(5)可见，dP只反映由于MPPT产生的扰动所引起的功率变化情况。对于因扰动变化而引起的dP变化，通过控制D即可实现MPPT。改进PO法流程如图6所示。

5 实验分析
搭建了模拟光伏阵列实验电路。在Boost变换器输入端并联一个330μF的电容，以保证模拟太阳能电池能持续供电。系统采用DSP芯片TMS320LF2407A为主处理器，通过改变D的值来实现MPPT。Boost变换器升压电感为900μH，滤波电容为0.1μF，Us=100V，R0=100Ω，R1=120Ω。图7示出模拟光照强度突变时的实验波形。

可见，当模拟光照强度突变时，改进PO法比常规PO法快约4 s跟踪到模拟光伏阵列的MPP，且稳定工作时能更迅速、准确地跟踪到MPP。经测量，在P稳定后，U0稳定在48．9～49．7 V之间，较好地满足了系统在MPP处的工作条件。
由实验可说明：一方面．调节Us和R0的值可模拟光照强度的迅速变化；另一方面，通过DSP控制的PWM脉冲不断改变D，从而改变U0，使其
迅速匹配模拟光伏阵列MPP对应的电压，并最终稳定在MPP附近。

6 结论
针对外界环境迅速变化时常规PO法失效的问题，此处提出一种改进PO算法跟踪光伏阵列的最大功率点，并采用压阻可变方法模拟光伏阵列的输出特性。以DSP芯片TMS320LF2407A为控制电路主处理单元，搭建了基于Boost变换器的光伏阵列最大功率点跟踪控制实验电路。实验结果表明，该算法简洁实用，能有效地实现最大功率点跟踪，具有一定的应用价值。