学文网摘要 最大功率点跟踪系统对提高光伏系统整体工作效率具有重要作用。在对比分析登山算法及三点比较算法各自特点的基础上，本文提出了一种兼顾跟踪效率和精度的改进算法。
关键词 光伏系统；最大功率点跟踪；算法
中***分类号TM61 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0077-02
Research of Tracking Algorithm of Maximum Power Point for Photovoltaic System
WANG Xu
Department of Physics and Information Engineering,Huaihua University,Huaihua 418008
Abstract The maximum power point tracking (MPPT) symtem is important for improving the efficiency of the photovoltaic system.In this paper,on the basis of comparative analysis characteristics of mountain climbing algorithm and three point algorithm,a improved algorithm is proposed to cover tracking efficiency and accuracy.
Keywords photovoltaic system; tracking algorithm of maximum power point; Algorithm
0 引言
面对传统能源的日益枯竭以及自然环境的不断恶化，人类急需寻找一种环保、低碳、可再生利用的清洁能源，以降低对传统能源的依赖。在众多新能源中，太阳能因其储量丰富、分布广泛、清洁环保而备受人们关注。
在太阳能的利用方式中，光伏发电是最有效也是目前应用最为广泛的方式之一。在光伏发电系统中，为达到充分利用太阳能资源、提高系统整体工作效率的目的，一个很重要的途径就是实时控制、调节系统负载与光伏系统内阻相匹配，使系统稳定工作在最大功率点上，这一过程即为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT）。目前对于光伏系统最大功率点跟踪较为常用的算法有登山法、电导增量法、三点比较法、恒定电压法等，其中尤以登山法和三点比较法应用最为广泛。两种MPPT算法在跟踪原理和效果上各不相同，算法本身的局限性也决定了各自的特点和应用范围。本文从光伏系统的特性出发，分析比较了登山法与三点比较法各自的优势与局限，在此之上，提出了一种改进算法。
1 光伏系统的特点
光伏电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，根据光伏效应原理，其输出电流与输出电压之间存在如下关系:
其中，Is为短路电流，Isr为反向饱和电流；U为输出电压；e为电子电荷；n为PN结系数，T为环境温度；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。
根据光伏电池数学模型，绘制不同辐照度、不同温度下光伏电池的P-U曲线，如***1所示。
从光伏电池的P-U曲线可以看出，其输出功率受到辐照度、光伏电池温度等因素的影响，其输出特性曲线是非线性的。在特定的辐照度和温度下，光伏电池具有唯一的最大功率输出点。光伏发电系统能否工作于最大功率点上，判决条件是外部负载是否与系统内阻相匹配。通常情况下，外界环境处于时刻变化过程中，如一天中辐照度会随时间变化而改变，光伏电池温度会随工作时间增加等，这些因素都会使光伏电池P-U曲线发生改变，使系统偏离最大功率点，无法充分利用光伏电池阵列所产生的电能。在光伏系统中，通常将光伏电池阵列等效为直流电源，最大功率点跟踪系统等效为外部负载，通过调节最大功率点跟踪系统DC/DC电路占空比，使外部负载与光伏电池阵列内阻动态匹配，从而达到使系统实时工作于最大功率点的目的。
2 MPPT算法的比较
MPPT的算法较多，本文只针对应用较为广泛的登山法与三点比较法进行讨论。
2.1 登山法
登山法是目前实现MPPT最常用的方法之一。其原理是通过一定时间间隔下对脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）信号占空比的调整，同时采样调整后系统输出电压、电流值，判断占空比改变后系统输出功率变化情况，以决定控制信号调整方向。
跟踪算法采用逐点比较的方式，将当前采用功率P1与系统前一时刻存储功率P0相比较，根据比较结果确定PWM控制信号调整方向。具体调整方案为：选取判定参量P=P1-P0，根据P的符号判定PWM信号调整方向，如果：1）P >O，说明调整后输出功率较前一时刻有所增大，调整方向正确，系统继续按原方向调整；2）P
通过对登山法算法的分析可以发现，登山法算法相对简单，采样比较过程数据处理量较少，硬件系统要求较低，实际应用中易于实现。但是，在最大功率点跟踪过程中，跟踪精度和跟踪效率难以兼顾，PWM信号调整步长过大时，跟踪速度较快，但是系统在最大功率点附近输出摆动范围大，影响系统跟踪精度；反之，虽可以使系统更好的接近最大功率点工作，但是跟踪效率相应降低。同时由于算法本身的局限性，系统始终处于一个自寻优过程，即使调整后系统已经工作于最大功率点，算法仍然强迫进行调整，系统始终处于一个震荡输出的过程，并因此造成一部分由于算法引起的功率损失。虽通过变步长的登山法可以改善震荡幅度，但是会相应增加硬件负担。在外界条件变化剧烈的极端情况下，登山法算法会产生误判，造成巨大功率损失，严重时甚至会使系统停止工作。
2.2 三点比较法
三点比较法通过在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次采样A、B、C三点电压和功率，利用三点功率值比较结果来确定调整PWM控制信号占空比，从而使得系统功率输出朝大的方向调整。设UB为初值功率最大点Umax，在跟踪过程中可能出现如***2所示三种情形。
1）PA
其中UD为预先设置用于电压调整常量，UB较为常见的取值方式为0.78Uoc, 其中Uoc为光伏系统开路电压。
分析三点比较法算法可以看出，通过初始电压值的设定，算法本身就能够快速地跟踪到最大功率点位置，克服了系统初始化过程中，逐点寻找、判断，跟踪效率过低的问题。通过阈值判定，输出功率满足阈值条件后，系统将稳定工作在目前判定的最大功率点上，而不做任何调整，直到外部环境发生变化使输出功率不满足阈值条件，避免了由于震荡输出而引起的额外功率损失。但是，在三点比较法中，阈值取值越大，MPPT跟踪精度越低，因算法失衡引起的功率损失过高；反之虽可提高跟踪精度，但是跟踪效率大大降低，采样、比较数据量迅速增加，相应提高了对硬件的要求。同时，在每次比较过程中，CPU数据处理过程也会引起系统偏离最大功率点的功率损失，这也决定了在一段时间内，当利用三点比较法跟踪到最大功率点后，应间隔较长时间在进行下一次比较，而这是与跟踪精度的要求相矛盾的。
3 改进算法
通过对登山法和三点比较法的分析，结合二者各自的特点，本文提出一种将二者结合使用的改进算法，即利用三点比较法进行粗选，快速找到最大功率点位置，利用登山法进行微调，进一步减小功率损失，同时避免MPPT跟踪过程中的误判、误调。
算法流程***如***3所示。
改进算法说明：
1）系统初始自动利用三点比较法进行最大功率点跟踪，迅速跟踪最大功率点粗略位置，这一过程为最大功率点跟踪过程粗调；2）当找到最大功率点粗略位置后，利用登山法进行实时最大功率点跟踪，此为最大功率点跟踪细调；3）在功率变化过快的位置（如云层瞬时遮挡，辐照度瞬时降低），利用判定参数判定采样功率变化大小，若功率变化过快，则意味着可能最大功率点存在较大范围的转移，此时跳出登山法算法，返回三点比较法重新寻找最大功率点粗略位置，避免由于外界环境瞬时变化造成的最大功率点丢失；4）D为三点比较粗调过程中步长，其值影响光伏系统最大功率点粗略位置判断速度，D取值不可过小，避免步进过小引起跟踪速度过慢，造成额外功率损失；5）D为登山法细调过程中步长，其值影响光伏系统最大功率点跟踪精度，D取值应满足D
4 结论
通过对光伏系统最大功率点跟踪登山法和三点比较法的分析，结合二者各自的特点和应用范围而提出的改进算法，可以克服登山法跟踪速度慢，极端情况误判、误调，三点比较法实时数据处理量大，跟踪精度难以控制等缺点，利用环境变化参数和步长，较好的兼顾了跟踪效率和精度，进一步提升了光伏系统能量转换效率。
参考文献
[1]王晔.浅谈光伏并网发电系统的发展[J].经营管理者，2011(20).
[2]袁晓玲.基于二分法的光伏发电系统最大功率点跟踪算法[J].电源学报，2011(6).
[3]钱嘉怡.光伏系统MPPT控制方法研究[J].价值工程，2011(10).
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