基于变步长扰动观察法的最大功率点跟踪
扰动观察法
1.扰动观察法原理
扰动观察法是实现光伏发电最大功率点跟踪最常用的方法之一，通过光伏电池的P-U曲线我们可以知道：随着电压正向增大，功率会呈现先增后减的趋势，那么在这个电压正向增大的过程中，功率必将出现一个顶峰点，这个顶峰点是在这个固定的外部条件下功率数值最大的点，也就是我们需要研究的的最大功率点，这个点所对应的功率也就是是在这个固定外部条件下光伏电池的最大功率，对应的电压也就是在这个固定外部条件下光伏电池的最大功率点电压。可是由于光伏电池所处的外部环境是不断变化的，影响电池输出的光照和温度一直处于动态，所以我们需要在动态环境中不断跟踪这个最大功率点。扰动观察法从最开始的状态开始，每一次都对输入的信号进行调整，不断增加或减少输入信号的值，然后通过判断下一次的输出的变化方向，结合输入的变化方向，得出此时运行的状态，从而判断出下一次改变输入的方向，然后不断循环，最终扰动到最大功率点附近。 我们先假定光照和温度不变，设置上次的电压和电流检测值分别为U和I，两者的乘积P也就是光伏电池的输出功率，将当前时刻的电压和电流测量值设为U1和I1，将两者乘相，得到乘积P1为当前时刻的光伏电池功率值，将电压每次调整的步长设置为△U,具体扰动过程如下：1）如果减小参考电压(U1=U-△U)，此时若P1＜P，即功率减小，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的左侧，这时应该增大参考电压的扰动，即U2=U1+△U。2）如果减小参考电压(U1=U-△U)，此时若P1＞P，即功率增大，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的右侧，这时应该减小参考电压的扰动，即U2=U1-△U。3）如果增大参考电压(U1=U+△U)，此时若P1＜P，即功率减小，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的右侧，这时应该减小参考电压的扰动，即U2=U1-△U。4）如果增大参考电压(U1=U+△U)，此时若P1＞P，即功率增大，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的左侧，这时应该增大参考电压的扰动，即U2=U1+△U。
通过上面的四种情况，可以发现一个规律，那就是如果电压和功率的变化方向相同，那么就应该增大电压；如果电压和功率变化的方向相反[3]，那么就应该减少电压。可以直接通过判断电压与功率乘积的正负来判断电压与功率两者的变化方向是否一致，这样就使得控制算法变得非常简便。在判断出变换方向后，也可以直接控制其占空比进行控制。由此我们可以看出，扰动观察法的控制算法并不复杂，控制概念清晰且运行方便，所以扰动观察法被广泛的应用到光伏发电的控制应用中。有一点需要注意的是，扰动的步长和初始的电压值对最大功率点跟踪的精度和速度都有着很大的影响。
2.扰动观察法的震荡与误判问题
在进行扰动的过程中，很难直接精准地跟踪到最大功率点，往往会产生最大功率点附近震荡的现象，在跟踪到最大功率点附近时，工作点电压与最大功率点电压的差值若小于步长，那么工作点会直接跨过最大功率点直接到最大功率点另一侧的位置，此时因为判断的输入方向产生了变化，所以此时工作点会向着与上一步相反的方向移动，但是这时候工作点的电压和最大功率点的电压之间的长度还是小于所设置的固定步长，所以这时工作点将会在最大功率点的附近做往复运动，这也就是我们所说的扰动过程中出现的震荡问题。且如果设置的步长越大，震荡幅度也会随之变得越大，跟踪的效果也就越差。随着外界条件的变化，光伏电池的输出特性也就会随着外界条件也跟着发生变化。这时候光伏电池的工作点序列会处于不同的P-U特性曲线，外界环境不断变化，而工作点还按照原来的控制算法来扰动，所以可能因为实际的外界因素的情况和扰动算法不一致，从而出现扰动的方向与和实际功率变化方向并不一致的情况，这样就会就会出现误判。扰动观察法控制算法简单所以应用广泛，可它的弊端也慢慢地显现出来，在最大功率点跟踪过程中，扰动步长的选择成为了一大难题。若选用较大的步长，震荡问题则非常明显。随着步长的减小，震荡的幅度会随之减小，可跟踪的速率也会随之降低，所以在定步长的跟踪时,最大功率点跟踪的速度和精度之间便产生了矛盾性。
3.扰动观察法的改进
定步长的最大功率点跟踪中震荡和误判的问题，造成了不必要的能量流失，为了解决最大功率点跟踪过程中出现的速度与精度产生的矛盾性，我们可以采取变步长的改良最大功率点跟踪，既保证了跟踪的速率，也使得后面的震荡幅度较小，保证了跟踪的精度，减少了能量的流失。
在初始状态时，先采用相对较大的步长△U1，使得系统快速的靠近最大功率点，然后选取一个固定的步长L作为参考，也就是作为步长变化的的分界点，在靠近最大功率点的过程中，不断计算工作点电压U与最大功率点电压Um的差值，并取其差值的绝对值，当这个绝对值大于设置的固定步长L时，继续使用大步长△U1，当这个绝对值小于等于固定步长L时，此时工作点也就来到了最大功率点附近，这时将步长调整为小步长△U2，此时工作点将在最大功率点附近进行小幅度震荡，损失的能量就大幅减小了很多。这种变步长的扰动观察法既保证了前期跟踪的速率，也使得后期跟踪精度的提高。
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