MPPT中一種新型變步長電導增量法的算法研究

摘要：世界能源的短缺以及環境污染已成為當今日益嚴重的問題，改變能源結構，尋找可再生綠色能源愈來愈受到重視。太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全等特點，并且太陽能光伏發電系統的研究對于緩解能源危機，減少環境污染，減小溫室效應具有重要的意義。在傳統的電導增量法的基礎上提出了一種光伏電池陣列最大功率點跟蹤的變步長電導增量算法。
關鍵詞：光伏電池陣列；電導增量法；變步長；最大功率點跟蹤

0 引言
目前，資源的短缺以及生態環境的破壞已經成為日趨嚴重的全球性問題。因此，開發和利用能夠支撐人類社會可持續發展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。而太陽能光伏發電具有安全可靠無污染，使用壽命長，維護簡單等優點，受到世界各國的普遍關注，具有廣闊的發展前景。但是，當前太陽能光伏發電的發展受到兩方面的制約：首先其初期的投資成本較高，其次太陽能電池的光電轉換效率較低。因此光伏電池發電的最大功率點的跟蹤顯得尤為重要，成為當前研究熱點。

1 太陽能電池陣列的發電原理及特性分析
1．1 光伏電池發電原理
太陽能電池主要由半導體硅制成。半導體在光照條件下吸收光能，激發出電子和空穴(正電荷)，從而半導體中有電流流過，即“光生伏特效應”。光伏電池的等效電路如圖1所示。其中，Ig表示太陽能光伏電池所產生的電流；D表示PN結二極管；Rsh及Rs分別表示材料內部的等效并聯及串聯電阻；Ro為外接負載。

1．2 輸出特性曲線
光伏電池的I-U特性或P-U特性是指在某一確定的日照強度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間的關系及輸出功率和輸出電壓之間的關系。如圖2所示。

從上圖可以看出，太陽能電池是一個既非電壓源也非電流源的非線性直流電源，特性具有強烈的非線性。光伏電池在低壓段近似為恒流源，在接近開路電壓時近似為恒壓源，輸出功率在某一點達到最大值，該點即為光伏電池的最大功率點(MPP)。

2 傳統的電導增量法
目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法和電導增量法。其中，電導增量法的跟蹤準確性最高，在環境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導增量法是通過比較光伏電池陣列中瞬時導抗與導抗變化量來完成最大功率點的跟蹤，如圖3所示。

由P-U特性曲線可知，在最大功率點處斜率為0，即：

由式(3)可知：當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，電池陣列工作于最大功率點。

3 改進型電導增量法
在傳統電導增量法中，假設補償因子為△u，則△u的取值與能否很好實現最大功率跟蹤關系緊密。若△u設置太大，導致跟蹤精度不夠，太陽能電池工作點雖然能夠在最大功率點附近，卻無法對最大功率點進行準確鎖定；反之若△u取值太小，雖然提高了跟蹤精度，但是跟蹤速度卻很慢，系統將損失較多能量。因此本文在此基礎上提出電導增量法的改進算法。
3．1 步長因子△u的選取
由光伏電池陣列的輸出特性曲線可知，在MPP處：
dP／dU=I+UdI／dU=0
dI／dU=-I／U即dU／dI=-U／I
令：
dU／dI=rs且U／I=r
則：
r／rs=-1即1+r／rs=0
這里設M=1十r／rs
因此可以直接把M作為步長因子，那么該算法可以直接表示為：
rref(k+1)=rref(k)+M
3．2 算法的具體實現
經過測試，通常使用的光伏電池的最大功率點電壓一般為其開路電壓的0．75～0．85倍，所以最小步長值取±0．5，最大步長值取±3，如圖4所示。

該算法的具體流程圖如圖5所示。

4 仿真與分析
為了驗證該算法，在Matlab／Simulink中建立基于Boost升壓電路的控制器，對光伏電池陣列進行最大功率點的跟蹤，如圖6所示。

利用光伏電池陣列的通用仿真模型，在標準測試條件(S=1 000 W／m2，T=25℃)下，最大功率點的電壓及功率跟蹤如圖7所示。

在突然增大光強的條件下，光伏電池陣列的輸出功率變化如圖8所示。

5 結語
這里在傳統電導增量法的基礎上進行改進，提出變步長的改進型電導增量法，提出了步長因子△u的具體設置方案，對光伏電池陣列進行最大功率點的跟蹤。利用Matlab／Simulink仿真工具中SimPowerSystems功能模塊，對太陽能電池及其最大功率點的跟蹤進行了有效仿真。