2009年6月电工技术学报Vol.24 No. 6 第24卷第6期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2009
电子盲人导航仪
刘邦银段善旭刘飞徐鹏威
（华中科技大学电力电子研究中心武汉 430074）
摘要常规的扰动观察法具有算法简洁、跟踪效率高的特点，在光伏阵列的最大功率点跟踪系统中得到广泛的应用。然而常规扰动观察法由于采用固定的扰动步长，难于同时获得较高的响应速度和稳态跟踪精度。本文提出了一种固定电压启动的变步长扰动观察算法，并与常规的扰动观察法进行了对比实验，实验结果证明了该方法的有效性。 关键词：光伏阵列最大功率点跟踪扰动观察法变步长
中图分类号：TM615
Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Based on
Improved Perturbation and Observation Method
Liu Bangyin Duan Shanxu Liu Fei Xu Pengwei
(Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China) Abstract The conventional perturbation and observation(P&O) method is widely used in the photovoltaic array maximum power point tracking system due to its succinctness and high tracking efficiency. However, the excellent dynamic response and stable performance of the P&O algorithm is difficult to achieve synchronously due to adopting fixed perturbation step size. An improved P&O algorithm with constant-voltage-start and variable step size is proposed in this paper. The contrastive experimental results of the improved and conventional algorithm are presented to demonstrate its effectiveness.
Keywords：Photovoltaic array, maximum power point tracking(MPPT), perturbation and observation method,variable step size
1引言
在太阳能光伏发电系统中，光伏阵列将太阳能转化为直流电能，再由电力电子变换器将直流电能变换为负载需要的各种形式的电能。由于光伏阵列输出的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）特性呈非
线性、具有最大功率点，而且其最大功率点随着光照和环境温度等因素变化，为了提高系统的能量转化效率，必须采用适当的最大功率点跟踪算法控制光伏发电变换器，保证系统总是运行在光伏阵列最大功率点。
常用的光伏阵列的最大功率点跟踪算法包括固定电压或电流跟踪法、爬山法、扰动观察法和导纳增量法等[1]，其中扰动观察法由于算法简洁、容易实现、与光伏阵列的电气特性参数无关和跟踪效率高的特点得到了广泛应用[2-5]。当采用定步长的扰动观察法时，步长越短，光伏系统在最大功率点附近振荡的幅度越窄，能量损失越小，但达到最大功率点需要扰动的次数就越多，所用的跟踪时间也越长，反之当步长较长时跟踪速度快，但在最大功率点附近波动幅度大，能量损失也严重，因此光伏系统最大功率点跟踪的速度和稳态精度难以同时保证，只能根据实际需求折中选取扰动步长，以获得可接受
台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK 200501）和国家自然科学基金重点（50837003）资助项目。
收稿日期 2007-12-20 改稿日期 2008-07-08
92
电 工 技 术 学 报 2009年6月
的动态和稳态性能[5]。为了解决常规定步长扰动观察法的跟踪速度与稳态跟踪精度之间的矛盾，本文提出了一种简洁的定电压启动的自适应变步长算法。并在一台高频隔离的推挽型DC/DC 变换器上与常规的定步长扰动观察法进行了对比实验，验证了改进算法的有效性。
2 定步长扰动观察法的改进
2.1 改进算法的基本思想
以光伏阵列的开路电压和短路电流为参考，定标之后的I -V ，P -V 和abs(d P /d V )-V 特性曲线如图1所示。由图1可以看出，光伏阵列的d P /d V 曲线有如下特点：
d (d )0
d (d )0d (d )0P V P V P V >⎧⎪
=⎨⎪<⎩
最大功率点的左侧最大功率点最大功率点的右侧
（1）
且无论在最大功率点的左侧或者右侧，随着逐渐接近最大功率点，d P /d V 的绝对值均单调递减，当到达最大功率点时，d P /d V 的绝对值为零。
图1 光伏阵列定标后的I -V ，P -V 和abs(d P /d V )-V 曲线
Fig.1 The normalized I -V , P -V and abs(d P /d V )-V
characteristics of a PV array
根据光伏阵列的这一内在特性，可构造电压扰动表达式
ref ref
ref d ()(1)
d ()(1)
P P k P k V V V V V k V k αα−−=+=+−− （2）
式中α 为正数，即变步长速度因子，用于调整跟踪速度，由式（2）可以看出，当光伏阵列运行点远离最大功率点时，跟踪步长大，反之步长小，接近于最大功率点时趋近于0。 2.2 关键参数的设计
变步长速度因子α 是决定本文提出的变步长扰动观察法性能的关键参数，其取值可由下式估算
step_max
max d d V P V α≤ （3）
式中V step_max 是定步长扰动观察法允许的最大步长，
max
d P V
可根据光伏阵列的特性计算（如图1所
示），也可由下式估算
ref oc ref oc ref oc
oc oc max d d 1V mV V V V mV
P P m I P V mV V m ===−≈=−−（4）
式中m 为一接近于1的正数，例如0.98，V oc 为光伏阵列的开路电压。变步长速度因子α 可先由式（3）和式（4）计算其范围，再通过实验调整决定其最终的取值。 2.3 算法流程
变步长扰动观察法的算法流程如图2所示。其中ε 为接近于零的很小的正数，在程序中用于判断V (k )与V (k −1)之差是否为零。当V (k )与V (k −1)之差不为零时，则根据式（2）自适应地调整扰动步长，如果V (k )与V (k −1)相等则结束返回。该程序以一定的时间间隔（即扰动周期）周期性地执行。
图2 变步长扰动观察法的算法流程图vdisk
Fig.2 The algorithm flowchart of the perturbation and
observation method with variable step size
光伏系统通常从光伏阵列的开路电压处开始启动，由图1可见，在光伏阵列的开路电压附近有一段恒压区，此时由于检测误差或者纹波等因素引起的微小电压变化能引起abs(d P /d V )很大的变化，可能影响扰动步长的准确性。为了避免这个问题，提高算法的可靠性，本文采用了定电压启动的方式，其流程如图3所示。由于光伏阵列的最大功率点近似为开路电压的0.78倍[1]，因此定电压指令设为0.78V oc ，流程中e 为接近零的较小的正数。该启动策略在系统运行之前首先检测光伏阵列的开路电压，然后将电压指令设置为开路电压的0.78倍，将运行点快速调整到最大功率点附近，确保系统正确平稳的启动。启动完成之后即可进入图2所示的变
第24卷第6期刘邦银等基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪 93
步长扰动观察算法流程。
图3 固定电压启动流程图水幕系统
Fig.3 The flowchart of the constant-voltage-start
3 实验结果与分析
为了验证所提出改进算法的有效性，在一台DSP（TMS320LF2407A）控制的高频隔离的推挽DC/DC变换器上进行了实验验证。实验选用的光伏组件在标准测试条件（AM1.5光谱，1000W/m2，温度300K）下，功率为120Wp，开路电压为21.6V，最大功率点电压17.3V，短路电流8.9A，最大功率点电流6.9A。在实验系统中，采用3个相同的组件串联给变换器供电，通过旁路开关控制组件串中的供电组件在2个和3个之间切换，模拟太阳光照度的突变。为了便于比较和观察，最大功率点跟踪控制算法的扰动周期为0.25s。
图4为采用定步长扰动观察法和本文提出的变步长扰动观察法时阵列的输出电压、输出电流和输出功率的波形，下表为图4相应实验条件下的数据。图4a为固定电压启动过程的实验波形，对应表中可以看到，启动完成后输出的最大功率为210.6W，比实际测试值小44.3W，其主要原因是启动过程的指令电压为近似的最大功率点，即0.78倍的开路电压。图4b和图4c为模拟的太阳光照度增加时，分别采用常规的定步长扰动观察法和改进的变步长扰动观察法的实验波形，可以看出，在光照增加条件下，变步长算法比定步长算法的响应时间缩短8.8s，仅需要1.2s。图4d和图4e为模拟的太阳光照度减少时，
分别采用常规的定步长扰动观察法和改进的变步长扰动观察法的实验波形，可以看出，在光照减小条件下，变步长算法仅需要1.3s即可跟踪到最大功率点，比定步长算法减少了9.9s。从表中可以看出，采用最大功率点跟踪算法跟踪到的最大功率点基本与实测值相同，误差在±5W以内，这是由于
(a) 固定电压启动实验波形
(b)照度增加时定步长法实验波形
(c)照度增加时变步长法实验波形
(d)照度减小时定步长法实验波形
(e)照度减小时变步长法实验波形
图4 定步长与变步长扰动观察法的实验波形Fig.4 Experimental results of perturbation and observatio
n MPPT algorithm based on constant and various step size
94 电工技术学报 2009年6月
采用先实测阵列的最大功率点再验证最大功率点跟踪算法的方式，再次实验时间上的略微差异造成的。因此，在误差允许范围内，提出的算法较准确地跟踪到了光伏阵列的最大功率点。综上所述，提出的具有固定电压启动的变步长扰动观察算法能准确的跟踪光伏阵列的最大功率点，且比常规的定步长的扰动观察法具有更好的动态响应性能。
表阵列的最大功率点的实验数据
Tab. Experimental MPPs of photovoltaic array
图号 MPPT控制实验值阵列MPP实测值
4a 0→216.1W 0→260.4W
4b 143.9→213.2W 147.8→218.0W
4c 165.6→244.8W 169.9→243.9W
4d 230.4→151.2W 224.3→149.5W
4e 215.7→140.4W 221.6→144.1W
4 结论
常规定步长扰动观察法的跟踪速度与稳态精度之间存在矛盾，扰动步长只能根据系统性能的需求折中选取。本文提出了一种固定电压启动的自适应变步长扰动观察法，该算法简洁，容易实现。在一台DSP（TMS320LF2407A）控制的高频隔离的推挽DC/DC变换器上，对本文提出的改进算法和常规的定步长算法进行了对比实验，实验结果表明，该改进算法能准确地跟踪光伏阵列的最大功率点，且动态性能大大改善，有效地解决了常规的定步长扰动观察法的动态性能与稳态跟踪精度不能同时获得的问题。
参考文献
[1] Esram T, Chapman P L. Comparison of photovoltaic
array maximum power point tracking techniques[J].
IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007,
22(2): 439-449.
[2] 王飞，余世杰，苏建徽，等. 太阳能光伏并网发电
系统研究[J]. 电工技术学报，2005，20(5): 72-74, 91.
Wang Fei, Yu Shijie, Su Jianhui et al. Research on擦鞋纸
photovoltaic grid-connected power system[J]. Transac-
镭射贴tions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(5):
72-74, 91.
[3] 吴理博，赵争鸣，刘建政，等. 具有无功补偿功能
的单级式三相光伏并网系统[J]. 电工技术学报，
2006, 21(1): 28-32.
Wu Libo, Zhao Zhengming, Liu Jianzheng, et al.
Implementation of a single-stage three-phase grid- connected photovoltaic system with reactive power compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical身份证保护套
Society, 2005, 21(1): 28-32.
[4] 张超，何湘宁. 短路电流结合扰动观察法在光伏发
电最大功率点跟踪控制中的应用[J]. 中国电机工程
学报，2006, 26(20): 98-102.
Zhang Chao, He Xiangning. Short-current combined
with perturbation and observation maximum-power-
point tracking method for photovoltaic power systems[J].
Proceedings of the CSEE, 2006, 26(20): 98-102. [5] Nicola Femia, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo,
et al. Optimization of perturb and observe maximum
power point tracking method[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2005, 20(4): 963-973.
作者简介
刘邦银男，1979年生，博士研究生，研究方向为光伏发电系统的能量变换拓扑与控制。
段善旭男，1970年生，教授，博士生导师，目前主要研究方向为新能源发电及电能质量控制。
（上接第76页）
[14] 伍文俊. 二极管箝位三电平PWM整流器控制策略
的研究[D]. 西安: 西安理工大学，2008.
[15] Escobar G, Leyva Rama J, Carrasco J M, et al.
Modeling of a three level converter used in a synchr-
onous rectifier application[C]. Proceeding of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC),
2004, 6: 4306-4311.
作者简介
伍文俊女，1967年生，博士，讲师，主要研究方向为多电平变换器及应用。
钟彦儒男，1950年生，教授，博士生导师，主要研究方向为现代交流调速与装置。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议