基于扰动观察法的双极式光伏逆变器MPPT优化策略

王宇坤，陈沃源

（江门职业技术学院 广东 江门 529090）

1 引言

由于环境污染日益严重，太阳能作为一种绿色可再生能源得到了各国大力发展，随着光伏发电不断降低成本、提高效率，太阳能光伏发电成为新能源利用的主流之一。太阳能光伏发电系统的工作原理比较简单，PV方阵受太阳辐射，将太阳能直接转换为直流形式的电能，方阵的输出接至汇流箱，汇流箱输出端接至逆变器，通过MPPT算法控制汇流箱，通过逆变器实现直流电转换成交流电，经过变压器输送到电网中，有很多MPPT算法比如扰动观察、固定电压法、电导增量法及相关方法的改进方法。在本文中提出一种基于扰动观察法的改进方法，算法应用于DC/DC升压变流器，根据P-V曲线斜率改变的DC/DC变流器占空比步长，DC/DC变流器输出与逆变器母线相连，使用MATLAB/Simulin验证算法的有效性。

2 光伏电池板数学模型介绍

图1 pv等效模型

图3 系统仿真框图

本文采用就简单的光伏电池单元模型如图1所示，采用一个电流并联一个二极管的形式，图1中Iph为光电流（A）；Io为反向饱和电流（A）；RS为串联电阻（Ω）；Rsh为并联电阻（Ω）。根据光伏电池板模型可以得到电池输出电流表达式（1）,实际使用的电池由多个光伏电池单元组成，设完整的单片光伏电池板由NS*NP个光伏电池单元构成，根据单块电池板的组成可以计算出单块电池板的输出端电压和输出电流分别为式（2）-（4）。

上述公式为单块电池板相关数学表达式，而光伏电站单台发电设备是由多块电池板串并再一起使用，介绍MPPT算法时，以单块光伏电池为例说明，但由于光伏电厂单台逆变器上所接的所有光伏电池可理解为一块由（MS*NS*NPMP）个光伏电池单元组成的一块光伏电池板，此时电池板的特性完全一致。

3 算法介绍

根据图2光伏电池P-V曲线可知，可以根据P-V的斜率判断出此时光伏电池板是否工作在最功率点，相关判据如下所示，其中P代表光伏电池输出功率，V代表最大功率点电压，ΔP代表功率的变化量，ΔV电压得变化量。当ΔP/ΔV＞0时，通过控制DC/DC变流器将PV工作电压升高；当ΔP/ΔV＜0时，通过控制DC/DC变流器将PV工作电压降低；当ΔP/ΔV=0时，说明以找到MPP，维持当前工作电压。

由于DC/DC变换器输入输出电压满足式5的关系式，所以调节PV工作电压实际上控制占空比D，控制逻辑关系如表1所示。

图2 p-v 曲线

表1 占空比控制逻辑跳

实现控制占空比的方法有两种，一种是一固定步长的方法改变DC/DC变流器的占空比，这种方法实现简单，但由于步长固定，固定步长无法满足各种环境要求，造成跟踪精度低，发电量低，另一种是变步长的方法改变DC/DC变流器的占空比，本文提出一种新的变不长的方法，根据ΔP/ΔV的大小选择每次D改变的大小，根据ΔP/ΔV的符号选择改变D的方向。当ΔP/ΔV＞0.1时，D减小的步长为,K为调整系数本文中取1.2，当ΔP/ΔV＜-0.1,D增加的步长为当0＜ΔP/ΔV＜0.1时，D减小的步长为0.1%占空比，当-0.1＜ΔP/ΔV＜0时，D增大的步长为0.1%占空比，占空比变化步长ΔD计算公式如等式6所示。

图4 仿真结果

4 算法仿真

采用Matlab/Simulink对最大输出100千瓦的两极式逆变器进行仿真，仿真模型主要包括最大输出100kW的光伏阵列、DC_DC逆变器、三相逆变器组成系统仿真图如图3所示。根据上述MPPT控制算法原理，DC_DC变换器通过本文提出的MPPT控制算法控制PV阵列输出电压，同时三相逆变器采用电压电流双闭环控制实现稳定母线电压Cdc的目的，系统正常运行输出波形如图4所示，其中包括PV输出平均功率Pmean、MPPT电压即DC_DC变流器输入电压Vmpp。

为验证所提算法有效性，分别改变光照强度和环境温度，观察输出功率和Pv输出电压的变化，图4a为分别改变在不同时刻将光照强度从1000降低到250，温度由25℃升高到45℃然后降低到0℃，观察光伏输出功率和电压满足理论所示的变化趋势，从而证明算法有效跟踪最大功率点。

5 结论

本文提出基于扰动观察法的双极式光伏逆变器MPPT优化策略，并通过仿真实验验证，证明该改进算法可找到最大功率点（MPP）电压变化方向，根据光伏电池PV特性曲线的斜率取值来确定跟踪最大功率点电压改变电压步长，根据当前步长的变化快速查找功率最大点。最终达到快速、准确的查找光伏电池板最大功率点的目的。

[1] Henry Shu-Hung Chung,K.K.Ron Hui,C.M. Mok,M.T. Ho,“A novel Maximum Power Point Tracking Tecnique for Solar Panels Using a SEPIC or Cuk Converter”,IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.18,No.3, May 2003.

[2] Toshihiko Noguchi,Shigenori Togashi,Ryo Nakamoto,“Short-Current Pulse Based Maximum-Power-Point Tracking Method for Multiple Photovoltaic and Converter Module System”IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol.49,No.1,February 2002.