Vol. 44 No. 2Apr. 2021
第44卷第2期2021年4月
电子器件
Chine Journal of ElccLmn Devices
MPPT Strategy Bad on Dual-Mode Power Prediction
Disturbance Obrvation Method
扶持计划
ZHANG Lin 1'2, CHEN Rong 2 ,LIU Chao 1'2
(1. School of Electrical and Information Engineering , Jiangsu University , Zhen/iang Jiangsu 212013, China ；
2. School of Electrical Engineering , Yancheng Institute of Technology , Yancheng Jiangsu 224051 , China )
Abstract : The ouLpuL power of the photovoltaic system will change with the light intensity a
nd the temperature of the battery panel , tracking the maximum power point of the system can maximize the conversion efficiency of the photovol taic cell. In view of the shortcomings of perturb and obrvation method , an MPPT control method bad on the dual mode power prediction temperature compensation perturb and obrvation method is propod. This method combines constant voltage tracking method and perturb and obrvation method , and the system switches between the two modes to solve the problem of slow respon speed of the traditional method when the environment changes suddenly. The power prediction algorithm is ud to introduce and the variable step size operator a to overcome the problem of misjudgment due to environmental changes and to reduce the steady-state power oscillation. A temperature compensa tion method is propod to improve the voltage deviation of the maximum power point due to environmental tempera ture changes and improve the steady-state accuracy of the photovoltaic system. Simulation and experimental results prove the feasibility and effectiveness of the method.
Key words : dual mode ; maximum power point tracking ； power prediction ； variable step disturbance ; temperature compensation method EEACC ：7210 doi : 10・3969/j ・issn .1005-9490・2021・02・024
基于双模式功率预测扰动观察法的MPPT 策略
张林陈荣"，刘超
(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013；2.盐城工学院电气学院，江苏盐城224051)
摘要：光伏系统的输出功率会随着光照强度和电池板的温度变化而发生改变，对系统最大功率点进行跟踪能最大化光伏
电池转换效率。针对扰动观察法的不足，提出一种基于双模式功率预测温度补偿扰动观察法的MPPT 控制方法。该方法将恒
压法和扰动观察法相结合，系统在双模式之间切换运行，解决了传统方法在环境突变时响应速度慢的问题。采用功率预测算 法，引入变步长算子a ，克服因环境改变而发生误判的问题，减小稳态功率振荡。提出了温度补偿法，改善因环境温度变化而 发生最大功率点电压偏移现象，提高了光伏系统稳态精度。仿真和实验结果证明了该方法的可行性和有效性。
关键词：双模式；最大功率点跟踪；功率预测；变步长扰动；温度补偿法
中图分类号:TM464 文献标识码:A
随着传统石油和化石能源的日益枯竭，发展可 替代的新能源迫在眉睫。光伏系统以其转换效率 高、易安装、使用寿命长等特点成为新能源发电领域
研究热点o 最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技术作为提高系统输出功率 的有效途径，已成为重点研究对象［2］。
常用的功率跟踪算法有:(1)恒定电压跟踪法 (Constant Voltage Tracking Method , CVT ) o 在保持
温度不变且仅改变光照强度的条件下，光伏电池最
大功率点电压U m 和开路电压近似成比例关系，将
文章编号：1005-9490 (2021) 02-0386-07U m 视为常量能降低MPPT 控制器的设计难度［3-4］ o
该方法虽控制简单、易实现且具有良好的稳定性，但 是忽略了温度的变化对开路电压的影响，一旦温度
发生突变，最大功率点处电压U m 将会出现偏 移［5-7］ o 邵翠等冈在系统中增加与光伏阵列特性相 同的小功率光伏电池，通过检测小功率电池的开路奥尔夫音乐课程
电压从而得到光伏阵列的实时最大功率点电压U ”、，
这虽然解决了电压偏移问题，但是额外的小功率光
伏电池增加了成本。(2)电导增量法(Conductance Increment Method,INC)。该方法根据输出功率对输
收稿日期：2020-06-29 修改日期：2020-08-21
第2期张林，陈荣等：基于双模式功率预测扰动观察法的MPPT 策略387
出电压的求导结果判断扰动方向，具有采样周期短、 扰动步长小的特点，故该方法控制精确［9-10］ o 但
INC 要求控制器拥有较强的数据处理能力，成本高
且不利于减少系统的控制周期。(3)扰动观察法
(Perturb and Obrve Method , P&0)。具有设计参数
少，算法简单易实现的特点，是目前应用最广泛的控
制方法之一。针对该方法中存在的功率振荡以及实 际工作点误判问题，张国梁等［11］提出一种自适
应步
长扰动法，设置大步长快速接近最大功率点，并在稳 态时调整为小步长，该方法虽解决了功率震荡现象， 但误判问题依然存在。陆文婷等［12］应用功率预测
算法预测下一个周期的功率并以此判断扰动方向，
同时采用变步长扰动法，解决了系统对实际工作点
的误判问题，但是步长系数难以确定。
为了让光伏系统在光照强度和温度同时变化时
均具有良好的动态响应性能和稳态精度，提出一种 双模式功率预测变步长温度补偿扰动观察法，该方
法在每个控制周期都有2种模式，当且仅当满足判
断条件时进入扰动观察法模式，不满足判断条件时 则进入快速接近最大功率点模式一恒定电压法模
式。对提出的双模式功率预测变步长温度补偿扰动 观察法进行仿真和实验验证，证明了该方法可以给 光伏系统带来更强的环境适应能力。
1光伏系统与最大功率控制
R sh 的值一般很大，且有R sh AR s ，故式(2)的第3
项("pv +1 p v x
R s)/R sh 近似为0，可以忽略不计，则式 (2)可以简化为：
1 p v
- 1 p h -10 {
ex
p
q( I M R s +" p v )AK T
-1}
(3)
设I o -C 11sc ，AKT -qC 2U oc ，当环境因素以及电
正露丸池参数不变时可以认为C 1和C 2为常数，代入式 (3)可得：
L/i 卜
-
1
］｝⑷
设实时光照强度为S ，温度为T，标况下(在温
度值 臨-25 °C ，光照强度值S ref -1 000 W/m 2条件
下)光伏电池板的开路电压、短路电流以及最大功
率点处电压与电流分别为U oc 、I sc 、U m 、I m ，则可得出
C 1和C 2的表达式：
U m ]C 2 U o j
(5)
设实时温度与T ref 的差值为AT，实时光照强度 与S r ef 的比值再与1作差得出，那么有：
[
△T 二 T -T ref
(6)
1.1光伏电池数学模型与输出特性
在实际应用中光照强度和温度的变化会引起相
日本人的英语搭建光伏电池等效模型。如图1所示，圧和R sh
表示光伏电池的损耗。/ph 是光生电流,/pv 和〃pv 分别
为光伏电池的输出电流与输出电压，/0为二极管反向
饱和电流,R s 和R sh 分别为光伏电池的串联电阻和并
联电阻,g 为电荷常量,4为二极管的理想系数,K 为
玻尔兹曼常数,F 为光伏电池板所处的环境温度。
根据此模型由基尔霍夫定律得：
1d 二I o {e
xP
g( I MR s +〃 p v )AKT -1}
(1)
关参数的变化，因此当环境变化时，需要重新计算厂
家所给的参数值，新环境下的参数值计算如下：
'
S Lew -
送魏万之京手癣偏方I s c 厂(1+«A
T )»ref
S
</m_new
-I
m 厂
(1+
«
^
T )
(7)
»ref
U oc_new - U oc (1-^T)ln( 6 + 6AS)
、
U m_new - U m (1 -C AT)ln( 6 + 6AS)
式中：常数a, 6, c 的取值为a -0.002 5/C, b -0.5,J "pv+E
-1}
-
R sh
(2)
、/pv
- /ph /d 1s h
将I d 和I sh 代入式(1)：
q ( /MR s +〃pv )
AKT
c -0.002 88/C 。
根据式(4) ~ (7)可以在Simulink 中搭建光伏
电池的仿真模型，图2和图3分别为改变T 和S
后
388电子器件第44卷
图3S变化时的输出功率
以标况下的功率曲线为参照曲线，分别比较T
不会用英语怎么说和S的改变对输出功率的影响，并记录每条曲线的
最大值点坐标，得到的数据如表1所示。
表1不同环境下的最大功率点
T改变S改变
P m_15^(30.6,209.5) P m_25^(29.0,201.1) P m*0t(24.4,173.6)P m_600W/m2(
29.4，121.2) P m_800W/m2
(29-1，161-9) P m1000w/m(29.0,201.1)
由表1数据可知：温度的改变对开路电压U oc影响较大，光照强度的改变对开路电压U oc的影响可以忽略。当T改变且S恒定时，最大功率点对应的电压U m相差较大；当S改变且T恒定时，最大功率点对应的电压U m接近于某个定值。因此在T恒定时可以得到U m的近似表达式，即：
U m二心(8)式中/为比例常数，一般取值为0.7〜0.8。
1.2光伏系统模型
光伏系统模型如图4所示，当环境和负载均不变时，光伏电池板具有唯一最大功率运行点，但是实际运行点可能偏离最大功率点，因此为了改变光伏系统的实际运行点，使其达到期望功率值P m，就必须有动态调整环节。图4可以简述为：在每个采样周期采样瞬时电压U pv和瞬时电流I pv，通过输入量实现MPPT控制算法，经由能量转换电路(图中虚线框区域)达到升压滤波和阻抗相匹配的目的。
图4光伏系统模型
对于Boost变换器而言，改变占空比能够直接控制开关管VT通断频率，从而改变输入阻抗和输出阻抗的比值。根据最大功率传输原理，当输入阻抗和输出阻抗匹配时输出功率最大。假设电感L工作于电流连续模式下，输入电压和输出电压分别为U in和U o，则根据Boost升压电路原理，由伏秒积公式可得:U o二£/(1-D)，假设£恒定，持续调整参数D，则U o呈非线性变化。在占空比D的连续变化中存在唯一最大功率点P m，此时最大功率点对应的电压电流分别为U m和I m，在达到P m点后保持D恒定不变即可维持输出端电压电流以及功率的稳定。
2MPPT算法
2.1变步长扰动观察法
传统扰动观察法的不足主要有：(1)当外界环境改变的时候，扰动观察法在自寻优的过程中会出现较大的功率振荡，并有可能出现误判;(2)难以平衡动态响应速度与稳态精度之间的矛盾，采用大步长扰动可以加快动态响应速度但是稳态时振荡太大，采用小步长虽然可以减小波动，但是到达稳态的时间会变长，同样也会造成功率损失。
传统扰动观察法采用定步长扰动，功率曲线振荡较大，稳态精度不高。为解决振荡问题，周东宝等[13]提出一种变步长扰动观察法，取步长调整系数为
S(k)=1+
U(k)
I(k)
dI
dU
(9)
MPPT控制器在每个采样周期都更新扰动步长，更新后的参考电压为:
U r ef(k)=U r ef(k-1)±S(k)AU r ef(10)式中:AU ref为扰动定步长。该方法在外界环境变化时具有良好的动态响应速度和稳态精度，但是该算法的实现对控制器的数据处理能力要求高，且同样不能解决误判问题。为解决扰动观察法的误判问题，减小功率振荡，平衡光伏系统动态响应速度与稳态精度之间的矛盾，提出一种双模式功率预测变步长温度补偿P&0。
2.2双模式功率预测变步长温度补偿P&O
光伏系统因误判会造成功率损失，错误的扰动方向也会让光伏电池工作点无法达到最大功率点。如图5所示，假设曲线2表示当前时刻的输出特性，当S不变，此时光伏电池的工作点为b点，向右增加一个扰动步长后系统工作点为b1，从b到b1电压和功率均增加，那么扰动方向保持不变，继续向右增加；当S在b点时突然减小，向右增加扰动电压后实际工作点为b2，随着参考电压增加，光伏电池板输
第2期张林，陈荣等：基于双模式功率预测扰动观察法的MPPT策略389
出功率减小，则此时MPPT控制器会判断系统工作点位于最大功率点右侧，于是扰动方向会发生改变，系统工作点向左移动，导致实际工作点离最大功率点越来越远，MPPT控制器无法跟踪到系统最大功率点，其他点的误判现象同理。
图5功率预测示意图
解决误判问题一般有3种方法：(1)增加扰动频率；(2)减小扰动定步长；(3)采用功率预测法。扰动频率设置太高对硬件要求就会提高，且会增加噪声和开关损耗，由于环境因素的变化具有不确定性，变步长扰动更适合跟踪最大功率点。对比前2种方法，选择功率预测法设计MPPT控制器。
假设T恒定，只改变S，因对输入量的采样频率足够高，故可认为S在每个采样周期内均匀变化。如图5所示，在t二kT时刻系统工作点为a点，采集输出电压为U(k)，计算出输出功率P(k)，在下一个采样周期之前增加一个采样，即当t=(k+0.5)T时采样并计算P(k+0.5)，此时系统工作点为b点，在不增加扰动电压的前提下预测下个周期，即t=(k+ 1)T时刻c点的功率P*(k)为
P*(k)=2P(k+0.5)-P(k)(11)式(11)是在假设没有增加电压扰动的前提下得出的预测功率，若在t=(k+0.5)T时刻增加扰动Ad，然后在t=(k+1)T时刻测得U(k+1)、I(k+1)，可以计算得P(k+1)o因此,P*(k)和P(k+1)是相同光照强度下同一条功率-电压曲线上的2个不同工作点，那么有
生辰八字五行对照表
AP二P(k+1)-P*(k)(12)当AP>0，则扰动方向正确，电压继续向右增加；当A P<0，则需要改变扰动方向，电压减小。由AP确定扰动方向可以避免出现误判现象。电压扰动步长A d可以表示为
AP P(k)-P*(k-1)
---二a--------------------------
A U U(k)-U(k-1)
(13)
a为扰动步长系数，可根据实验调整参数，取0.002。
以上分析建立在保持光照强度不变且只改变温度的基础上。由表1可知，当温度从15°C突变到25C时输出功率从209.5W减小到201.1W，当温度从25C突变到60C时输出功率从201.9W减小到173.6W，可以看出温度的改变对光伏电池板输出特性的影响不可忽略。因此提出一种温度补偿法，引入温度补偿系数0，有：
0=1-cAT(14)式中:AT二T-T ref，其中T ref为25C,c取0.00288/C。
设计CVT和P&O双模式切换的最大功率点跟踪方法，原理如下:MPPT控制器采样输出电流和输出电压后进入模式判断程序，当U(k)>U m+AU或U(k)W U m-AU时(±AU可表示最大功率点范围，取0.01U o c，可根据实验参数进行调整)，系统进入恒定电压法跟踪模式，反之则进入功率预测变步长温度补偿P&0跟踪模式。在每个采样周期的跟踪算法结束后更新最大功率点U m=/3U m，控制算法流程图如图6所示。
图6控制算法流程图
3仿真与实验
3.1仿真分析
进行仿真验证并分析，电容C1和C2分别取值为1000r F、3000r F，升压电感L=2X10-3H，负载电阻R=25Q，采样时间0.0001s。搭建200W光伏系统的仿真模型，具体参数如表2所示
。
390电子器件第44卷
表2仿真参数
光伏电池参数数值及单位
开路电压U oc35.4V
短路电流I sc7.44A
最大功率点电压28.8V
最大功率点电流 6.94A
标况下最大功率199.87W
仿真实验分为:a—恒定电压法;b—传统变步长P&O；c—双模式功率预测变步长温度补偿P&O。由图7到图9可以看出：（1）a和c的响应时间很接近，在0.176s左右达到最大功率点,b在0.285s左右达到最大功率点;（2）b在稳态后电压和功率振荡均比a 和c要大，到达稳态后的功率振荡范围为匕-[190.2, 19
1.4]，匕-[188.7,191.9]，匕-[192.7,193.9]。间段内S保持不变，观察不同算法的跟踪效果。图10和图11分别为电压和电流波形，可以看出：（1）在仅改变光照强度时，输出电流、电压、功率变化完全趋势一致;（2）电压和电流均与S呈正比例关系,S增大，电压和电流均增大，反之均减小，与理论分析相符。由图12输出功率特性可以得出：（1）在2次S突变 时，曲线a的动态响应时间分别为0.161s、0.142s，曲线b的动态响应时间分别为0.251s、0.250s，曲线c 的动态响应时间分别为0.189s、0.161s，显而易见,a 的动态响应速度最快,b的动态响应速度最慢,c介于a和b之间；（2）在第2次光照强度突变后，到达稳态时P a-[144.2,145.3],P6-[143.4,147]，匕-[149.2, 150.7]o功率变化AP a-1.1W,AP b-3.6W^P,-1.5Wo a在稳态时的功率损耗最小,c次之,b的功率损耗最大。
00.5 1.0 1.5
t/s
200图8标况下输出电流
图10S变化时的输出电压
150
100
50
0 0.10.20.30.40.5
t/s
图9标况下输出功率
图11S变化时的输出电流
图10~图12为T-25C恒定，仅改变S时的输出特性曲线。在0〜0.5s时间段内S-1000W/m2并保持不变，在0.5s时突变为400W/m2，并保持到1s，在Is时刻又突变到800W/m2，在1s〜1.5s时
图12S变化时的输出功率
图13-图15为S-1000W/m2恒定，仅改变T 时的输出特性。在0〜0.5s时间段内T-25C并保持不变，在0.5s时突变为15C，并保持到1s，在
