工艺与技术◆ＧｏｎｇｙｉｙｕＪｉｓｈｕ
基于改进的变步长滞环比较法的ＭＰＰＴ算法研究
夏玉印１颜世超２何
宇３
（１．合肥金太阳能源科技股份有限公司，安徽合肥２３００８８；２．南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏南京２１０００９；
３．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘要：基于以往太阳能光伏发电系统研究过程中最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算法的不足，提出了一种改进的变步长滞环比较法。该方
法在一定程度上改进了传统算法在跟踪速度及精确度上不理想的特点，缓解了经典扰动观测法存在的速度与精度相矛盾的问题，其仿真和样机实验结果证明了所提方案的有效性。
关键词：变步长；精度；速度；最大功率点跟踪
0引言
随着人类社会的不断进步和发展，能源短缺和环境恶化成
成为目前最常见的最大功率点跟踪方法。
扰动观测法是目前最常用的ＭＰＰＴ实现方法之一。其基本思想是：首先扰动光伏电池输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压（或电流）方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。但由于电压初始值与扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响，存在振荡和误判等问题，使系统有时不能准确地跟踪到最大功率
［３］
。点，因此就降低了能量利用率
为人们的热议焦点。随着技术的进步以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能将成为今后的主流能源利用形式。太阳光伏原材料和应用环境的限制，具有最广发电由于不受能源资源、
泛的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一［１］。在光伏发电系统中，光伏电池的利用率不但与光伏电池的内部特性有关，而且受辐照度、负载和温度等使用环境因素的影响。在不同的外界环境下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ，ＭＰＰ）上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光
［２］
能转化为电能。
导纳增量法是对扰动观察法的改进。它通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导的变化率，改变转换器的占空比，从而实现ＭＰＰＴ控制。该方法具有较好的控制效果及较高的稳定度，但在控制判断过程中要进行较多的运算判断，控制算法比较复
［４］
杂，对控制系统采样精度要求也较高。
本文提出了一种改进的变步长滞环比较方法。在分析比较现有ＭＰＰＴ研究领域先进技术的基础上，通过该方法，改善了最大功率点跟踪过程中振荡和误判方面的问题，同时考虑速度和精度的要求，做到更加准确地跟踪光伏电池最大功率点，进而提高光伏发电系统的能量利用率。
定步长的扰动观测法存在振荡和误判问题，使系统不能准确地跟踪到最大功率点，因此许多现有文献对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中，基于变步长的扰动观测法在减小振荡的同时，使系统可以更快地跟踪最大功率点；基于功率预测的扰动观测法有效地解决了外部环境剧烈变化时所产生的ＭＰＰＴ误判问题；基于滞环比较的扰动观测法在克服最大功率点跟踪过程中的振荡和误判方面均有较好的性能。
本文在基于滞环比较法的扰动观测法的基础上，提出了一种改进的变步长的方法。
1光伏阵列特性分析
在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与其内部参数
负载和温度等使用环境因素的影响。不同有关外，还受辐照度、的外部条件下，光伏电池的最大功率点也不同。因此，对于工作在不同条件下的光伏电池，应当寻求其最优工作状态，从而最光伏电池随辐照度和温度变化的大限度地将光能转化成电能。
I —U 和P —U 特性曲线分别如图１（ａ）和图１（ｂ）所示。
６
１０００Ｗ／ｍ２
５
８００Ｗ／ｍ２
４I ｐｖ／Ａ
６００Ｗ／ｍ
３２１０
０
４００Ｗ／ｍ２２００Ｗ／ｍ２
２
3
3.1
基于变步长滞环比较的MPPT 技术
变步长扰动观测法
９０８０７０６０P ｐｖ／Ｗ５０４０３０２０１０
５
１５
U ｐｖ／Ｖ（ａ）I —U 特性曲线
１０
２０
２５
０
０
５
１０
６００Ｗ／ｍ２４００Ｗ／ｍ２
２００Ｗ／ｍ２
１５
U ｐｖ／Ｖ
（ｂ）P —U 特性曲线
２０
２５
８００Ｗ／ｍ
２
从太阳能电池的输出特性来看，距
１０００Ｗ／ｍ２
离最大功率点越近，改变相同步长电压导致功率的变化越小，因此在最大功率的搜索过程中，宜采用变步长的方法搜索。在远离最大功率点时，选取较大的步长快速接近系统最优工作状态；在最大功率点附近，选取较小的步长，这样能避免搜索过程的振荡。3.2
滞环比较法
在扰动观测法的基础上，引入滞环比较法。该方法的作用：在日照量快速变
图1给定光照曲线下光伏阵列的输出特性
化时，光伏电池的工作点电压并不随着快速地移动工作点，而
2常见的光伏MPPT 方法简介
在ＭＰＰＴ算法研究领域，扰动观测法（ＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄＯｂ－
是等到日照量稳定后再跟踪到最大功率点，从而可以有效地抑制扰动观测法的振荡现象。外部环境发生变化可以看成为一种动态的振荡过程，这种方法可以克服扰动观测法的误判现象。
ｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｐ＆Ｏ）与导纳增量法（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄ）98
ＧｏｎｇｙｉｙｕＪｉｓｈｕ◆工艺与技术
3.3变步长滞环比较法原理为了形成对比，分别对采用扰动观测法和变步长的滞环比较法ＭＰＰＴ控制方法进行仿真分析。
根据图３所示的光伏系统仿真模型，分别用ＭＰＰＴ模块应用扰动观察法和变步长的滞环比较法对外界条件变化后的某一瞬间进行仿真。由图４可以看出扰动观察法在０．００４ｓ左右达到最大功率点，波形在往后的范围内震荡比较明显。而图５的变滞环比较法在０．０００２５ｓ处达到最大功率点，波动比较小。仿真结果表明变步长的滞环比较法与原来扰动观察法相比，其精度和速度都有所改进，提高了光伏系统发电的效率。
５００４５０４００３５０
在太阳能电池Ｐ－Ｖ特性曲线顶点附近从左至右依次取Ｃ、Ａ、Ｂ３点，设变化标志为Flag ，扰动量为n 、P Ｃ、P Ａ、P Ｂ，对应于Ａ、Ｂ、Ｃ３点的功率，规定当P Ｂ≥P Ａ＆P Ａ≥P Ｃ时，Flag ＝１，电压值保持原方向；当P Ｂ＜P Ａ＆P Ａ＜P Ｃ时，Flag ＝－１，电压值反方向扰动；Flag ＝０，P Ｃ＜P Ａ＆P Ｂ＞P Ａ，电压值保持不变。可以根据Flag 的值判断扰动的方向：
）Flag ＝２，P Ｂ≥P Ａ＆P Ａ≥P Ｃ，电压值保持原方向扰动增加扰（１
动量，增加步长，令n ＝２n ；
）Flag ＝０，P Ｃ＜P Ａ＆P Ｂ＞P Ａ，可能已经达到最大功率点，或（２
外部辐照度变化很快，则电压值不变；
）Flag ＝－２，P Ｂ＜P Ａ＆P Ａ＜P Ｃ，减小扰动量，减小步长，n ＝n ／２。（３
当日照快速变化时，P Ａ≥P Ｂ＆P Ｂ≤P Ｃ，Flag ＝０，工作点不做改变，从而避免了因日照快速变化而导致的误判。
滞环比较法的具体流程如图２所示。
开始检测U Ａ，I Ａ，令m ＝０
３００２５０２００１５０１００５０００
０．００１
０．００２
０．００３
０．００４
０．００５
０．００６
０．００７
０．００８
０．００９
０．０１
图4
４５０４００３５０３００
基于定扰动观察法的光伏电池输出功率仿真波形图
U Ｂ＝U Ａ＋n ，检测U Ｂ，I ＢU Ｃ＝U Ａ－n ，检测U Ｃ，I Ｃ计算P Ａ，P Ｂ，P Ｃ，并储存P Ｂ≥P Ａ？Ｙm ＝m ＋１P Ａ≥P Ｃ？ＮＹ
m ＝m ＋１m ＝２
U Ａ＝U Ｂ，清除m 的值，n ＝２n
m ＝０
m ＝－２
U Ａ＝U Ｃ，清除m
的值，n ＝n ／２
m ＝m －１Ｎ
m ＝m －１
２５０２００１５０１００５００
０
０．００１
０．００２
０．００３
０．００４
０．００５
０．００６
０．００７
０．００８
０．００９
０．０１
图5
基于变步长的滞环比较法的光伏电池输出功率仿真波形图
5结语
本文首先分析了光伏电池的输出特性，在此基础上提出了
—基于扰动观察法的变步长滞环比较一种新的ＭＰＰＴ算法——
法，结合光伏电池的数学模型以Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立其仿真模型，通过该模型对不同光照强度和温度条件下的光伏输出特性进行仿真。其仿真结果表明：该算法通过双向扰动确认的方法来保证扰动观测法的动作可靠性，以避免误判的发生，同时在搜索过程中不断调整搜索的步长，也有效抑制了最大功率点附近的振荡，是一种克服光伏组件非线性特征、提高光伏系统发电效率的有效控制方法。
［参考文献］
［１］朱铭炼，李臣松，陈新，等．一种应用于光伏系统ＭＰＰＴ的变步
长扰动观察法［Ｊ］．电力电子技术，２０１０，４４（１）：２０～２２
［２］张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制
U Ａ＝U Ａ，清除m 的值
图2变步长滞环比较法流程图
4仿真分析
本文在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件下搭建仿真模型，ＭＰＰＴ
的仿真模型如图３所示。
R １
＋
Ｄｉｏｄｅ
C
L
＋ｖ－
Ｃｇ
［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１
［３］郭明明，沈锦飞．基于改进变步长电导增量法光伏
阵列ＭＰＰＴ研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（７）：
Ｓｃｏｐｅ５
ｃｏｓ
Ｓ
－
＋ｖ
－
V １
Ｓ
ＳＴＴ
V ｐｖ
ｐｖ２
Ｔ
ＩＧＢＴ
Ｅ
Ｅ
V ２
I ２
＋－ｉ
１４～１６
［４］张超，何湘宁，赵德安．光伏发电系统变步长ＭＰＰＴ
控制策略研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１０）：４７～４９
ＰＶ
模型
I ｐｖ
ｉ－＋
I １
U ｐｖI ｐｖ
ｆｃｎU ｒｅｆ
＋－
ＰＩＤ
Ｓｃｏｐｅ１
×
ＭＰＰＴ
ＰＩＤ控制
收稿日期：２０１２－１０－１７
作者简介：夏玉印（１９６３—），男，安徽巢湖人，工程
师，从事光伏发电系统建设及光伏发电系统可靠性和发
图3
光伏并网Matlab 仿真模型
电效率研究工作。
机电信息２０１３年第３期总第３５７期99
工艺与技术◆ＧｏｎｇｙｉｙｕＪｉｓｈｕ
基于改进的变步长滞环比较法的ＭＰＰＴ算法研究
夏玉印１颜世超２何
宇３
（１．合肥金太阳能源科技股份有限公司，安徽合肥２３００８８；２．南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏南京２１０００９；
３．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘要：基于以往太阳能光伏发电系统研究过程中最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算法的不足，提出了一种改进的变步长滞环比较法。该方
法在一定程度上改进了传统算法在跟踪速度及精确度上不理想的特点，缓解了经典扰动观测法存在的速度与精度相矛盾的问题，其仿真和样机实验结果证明了所提方案的有效性。
关键词：变步长；精度；速度；最大功率点跟踪
0引言
随着人类社会的不断进步和发展，能源短缺和环境恶化成
成为目前最常见的最大功率点跟踪方法。
扰动观测法是目前最常用的ＭＰＰＴ实现方法之一。其基本思想是：首先扰动光伏电池输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压（或电流）方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。但由于电压初始值与扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响，存在振荡和误判等问题，使系统有时不能准确地跟踪到最大功率
［３］
。点，因此就降低了能量利用率
为人们的热议焦点。随着技术的进步以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能将成为今后的主流能源利用形式。太阳光伏原材料和应用环境的限制，具有最广发电由于不受能源资源、
泛的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一［１］。在光伏发电系统中，光伏电池的利用率不但与光伏电池的内部特性有关，而且受辐照度、负载和温度等使用环境因素的影响。在不同的外界环境下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ，ＭＰＰ）上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光
［２］
能转化为电能。
导纳增量法是对扰动观察法的改进。它通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导的变化率，改变转换器的占空比，从而实现ＭＰＰＴ控制。该方法具有较好的控制效果及较高的稳定度，但在控制判断过程中要进行较多的运算判断，控制算法比较复
［４］
杂，对控制系统采样精度要求也较高。
本文提出了一种改进的变步长滞环比较方法。在分析比较现有ＭＰＰＴ研究领域先进技术的基础上，通过该方法，改善了最大功率点跟踪过程中振荡和误判方面的问题，同时考虑速度和精度的要求，做到更加准确地跟踪光伏电池最大功率点，进而提高光伏发电系统的能量利用率。
定步长的扰动观测法存在振荡和误判问题，使系统不能准确地跟踪到最大功率点，因此许多现有文献对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中，基于变步长的扰动观测法在减小振荡的同时，使系统可以更快地跟踪最大功率点；基于功率预测的扰动观测法有效地解决了外部环境剧烈变化时所产生的ＭＰＰＴ误判问题；基于滞环比较的扰动观测法在克服最大功率点跟踪过程中的振荡和误判方面均有较好的性能。
本文在基于滞环比较法的扰动观测法的基础上，提出了一种改进的变步长的方法。
1光伏阵列特性分析
在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与其内部参数
负载和温度等使用环境因素的影响。不同有关外，还受辐照度、的外部条件下，光伏电池的最大功率点也不同。因此，对于工作在不同条件下的光伏电池，应当寻求其最优工作状态，从而最光伏电池随辐照度和温度变化的大限度地将光能转化成电能。
I —U 和P —U 特性曲线分别如图１（ａ）和图１（ｂ）所示。
６
１０００Ｗ／ｍ２
５
８００Ｗ／ｍ２
４I ｐｖ／Ａ
６００Ｗ／ｍ
３２１０
０
４００Ｗ／ｍ２２００Ｗ／ｍ２
２
3
3.1
基于变步长滞环比较的MPPT 技术
变步长扰动观测法
９０８０７０６０P ｐｖ／Ｗ５０４０３０２０１０
５
１５
U ｐｖ／Ｖ（ａ）I —U 特性曲线
１０
２０
２５
０
０
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１０
６００Ｗ／ｍ２４００Ｗ／ｍ２
２００Ｗ／ｍ２
１５
U ｐｖ／Ｖ
（ｂ）P —U 特性曲线
２０
２５
８００Ｗ／ｍ
２
从太阳能电池的输出特性来看，距
１０００Ｗ／ｍ２
离最大功率点越近，改变相同步长电压导致功率的变化越小，因此在最大功率的搜索过程中，宜采用变步长的方法搜索。在远离最大功率点时，选取较大的步长快速接近系统最优工作状态；在最大功率点附近，选取较小的步长，这样能避免搜索过程的振荡。3.2
滞环比较法
在扰动观测法的基础上，引入滞环比较法。该方法的作用：在日照量快速变
图1给定光照曲线下光伏阵列的输出特性
化时，光伏电池的工作点电压并不随着快速地移动工作点，而
2常见的光伏MPPT 方法简介
在ＭＰＰＴ算法研究领域，扰动观测法（ＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄＯｂ－
是等到日照量稳定后再跟踪到最大功率点，从而可以有效地抑制扰动观测法的振荡现象。外部环境发生变化可以看成为一种动态的振荡过程，这种方法可以克服扰动观测法的误判现象。
ｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｐ＆Ｏ）与导纳增量法（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄ）98
ＧｏｎｇｙｉｙｕＪｉｓｈｕ◆工艺与技术
3.3变步长滞环比较法原理为了形成对比，分别对采用扰动观测法和变步长的滞环比较法ＭＰＰＴ控制方法进行仿真分析。
根据图３所示的光伏系统仿真模型，分别用ＭＰＰＴ模块应用扰动观察法和变步长的滞环比较法对外界条件变化后的某一瞬间进行仿真。由图４可以看出扰动观察法在０．００４ｓ左右达到最大功率点，波形在往后的范围内震荡比较明显。而图５的变滞环比较法在０．０００２５ｓ处达到最大功率点，波动比较小。仿真结果表明变步长的滞环比较法与原来扰动观察法相比，其精度和速度都有所改进，提高了光伏系统发电的效率。
５００４５０４００３５０
在太阳能电池Ｐ－Ｖ特性曲线顶点附近从左至右依次取Ｃ、Ａ、Ｂ３点，设变化标志为Flag ，扰动量为n 、P Ｃ、P Ａ、P Ｂ，对应于Ａ、Ｂ、Ｃ３点的功率，规定当P Ｂ≥P Ａ＆P Ａ≥P Ｃ时，Flag ＝１，电压值保持原方向；当P Ｂ＜P Ａ＆P Ａ＜P Ｃ时，Flag ＝－１，电压值反方向扰动；Flag ＝０，P Ｃ＜P Ａ＆P Ｂ＞P Ａ，电压值保持不变。可以根据Flag 的值判断扰动的方向：
）Flag ＝２，P Ｂ≥P Ａ＆P Ａ≥P Ｃ，电压值保持原方向扰动增加扰（１
动量，增加步长，令n ＝２n ；
）Flag ＝０，P Ｃ＜P Ａ＆P Ｂ＞P Ａ，可能已经达到最大功率点，或（２
外部辐照度变化很快，则电压值不变；
）Flag ＝－２，P Ｂ＜P Ａ＆P Ａ＜P Ｃ，减小扰动量，减小步长，n ＝n ／２。（３
当日照快速变化时，P Ａ≥P Ｂ＆P Ｂ≤P Ｃ，Flag ＝０，工作点不做改变，从而避免了因日照快速变化而导致的误判。
滞环比较法的具体流程如图２所示。
开始检测U Ａ，I Ａ，令m ＝０
３００２５０２００１５０１００５０００
０．００１
０．００２
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０．００５
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０．００８
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４５０４００３５０３００
基于定扰动观察法的光伏电池输出功率仿真波形图
U Ｂ＝U Ａ＋n ，检测U Ｂ，I ＢU Ｃ＝U Ａ－n ，检测U Ｃ，I Ｃ计算P Ａ，P Ｂ，P Ｃ，并储存P Ｂ≥P Ａ？Ｙm ＝m ＋１P Ａ≥P Ｃ？ＮＹ
m ＝m ＋１m ＝２
U Ａ＝U Ｂ，清除m 的值，n ＝２n
m ＝０
m ＝－２
U Ａ＝U Ｃ，清除m
的值，n ＝n ／２
m ＝m －１Ｎ
m ＝m －１
２５０２００１５０１００５００
０
０．００１
０．００２
０．００３
０．００４
０．００５
０．００６
０．００７
０．００８
０．００９
０．０１
图5
基于变步长的滞环比较法的光伏电池输出功率仿真波形图
5结语
本文首先分析了光伏电池的输出特性，在此基础上提出了
—基于扰动观察法的变步长滞环比较一种新的ＭＰＰＴ算法——
法，结合光伏电池的数学模型以Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立其仿真模型，通过该模型对不同光照强度和温度条件下的光伏输出特性进行仿真。其仿真结果表明：该算法通过双向扰动确认的方法来保证扰动观测法的动作可靠性，以避免误判的发生，同时在搜索过程中不断调整搜索的步长，也有效抑制了最大功率点附近的振荡，是一种克服光伏组件非线性特征、提高光伏系统发电效率的有效控制方法。
［参考文献］
［１］朱铭炼，李臣松，陈新，等．一种应用于光伏系统ＭＰＰＴ的变步
长扰动观察法［Ｊ］．电力电子技术，２０１０，４４（１）：２０～２２
［２］张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制
U Ａ＝U Ａ，清除m 的值
图2变步长滞环比较法流程图
4仿真分析
本文在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件下搭建仿真模型，ＭＰＰＴ
的仿真模型如图３所示。
R １
＋
Ｄｉｏｄｅ
C
L
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Ｃｇ
［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１
［３］郭明明，沈锦飞．基于改进变步长电导增量法光伏
阵列ＭＰＰＴ研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（７）：
Ｓｃｏｐｅ５
ｃｏｓ
Ｓ
－
＋ｖ
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V １
Ｓ
ＳＴＴ
V ｐｖ
ｐｖ２
Ｔ
ＩＧＢＴ
Ｅ
Ｅ
V ２
I ２
＋－ｉ
１４～１６
［４］张超，何湘宁，赵德安．光伏发电系统变步长ＭＰＰＴ
控制策略研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１０）：４７～４９
ＰＶ
模型
I ｐｖ
ｉ－＋
I １
U ｐｖI ｐｖ
ｆｃｎU ｒｅｆ
＋－
ＰＩＤ
Ｓｃｏｐｅ１
×
ＭＰＰＴ
ＰＩＤ控制
收稿日期：２０１２－１０－１７
作者简介：夏玉印（１９６３—），男，安徽巢湖人，工程
师，从事光伏发电系统建设及光伏发电系统可靠性和发
图3
光伏并网Matlab 仿真模型
电效率研究工作。
机电信息２０１３年第３期总第３５７期99