【SCI仿真】一种改进的适应性步长P&O MPPT方法，用于带有电池站的独立光伏系统附Simulink仿真

最新推荐文章于 2025-12-07 17:05:22 发布

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🔥 内容介绍

针对传统扰动观察法（P&O）在独立光伏系统（含电池站）中存在的跟踪精度低、稳态振荡大及动态响应滞后问题，提出一种改进的适应性步长 P&O 最大功率点跟踪（MPPT）方法。通过引入光伏阵列输出功率变化率与电池荷电状态（SOC）双因子动态调节步长，结合滞环比较机制抑制稳态波动，构建含 Boost 变换器与双向 DC-DC 电池充放电控制器的系统仿真模型。基于 MATLAB/Simulink 平台，在标准测试条件（STC）、光照强度突变（200-1000W/m²）及温度波动（25-60℃）场景下进行仿真验证。结果表明：相较于传统固定步长 P&O 与自适应步长 P&O，所提方法的 MPPT 效率提升 4.2%-7.8%，稳态功率波动幅度降低 65.3%，动态响应时间缩短 38.5%；在电池站 SOC 为 20%-100% 范围内，均能实现稳定充放电控制，有效避免过充过放风险，为独立光伏系统的高效稳定运行提供技术支撑。

1 引言

1.1 研究背景与问题提出

独立光伏系统因不受电网约束，在偏远地区供电、应急电源等场景中广泛应用，而电池站的加入可缓解光伏出力间歇性问题。最大功率点跟踪（MPPT）技术是提升光伏系统效率的核心，传统 P&O 方法因实现简单被广泛采用，但存在显著局限：

步长矛盾
：固定大步长虽能加快动态响应，但会导致稳态功率振荡（幅度可达额定功率的 8%-12%）；小步长虽降低振荡，却使动态响应滞后（光照突变时跟踪时间超 0.5s）；
工况适应性差
：当电池站 SOC 过低（＜20%）或过高（＞90%）时，传统 P&O 未协同充放电需求，易引发电池过充过放，缩短电池寿命；
复杂工况鲁棒性不足
：在光照与温度联合波动场景下，功率变化率计算偏差大，导致误判最大功率点（MPP），MPPT 效率下降至 85% 以下。

现有改进方法如增量电导法、模糊控制法虽提升性能，但存在算法复杂度高（需多参数整定）、硬件成本高（需额外传感器）等问题。因此，设计兼顾高效跟踪、低复杂度与电池协同控制的 P&O 改进方法具有重要意义。

1.2 研究目标与创新点

研究目标：构建融合光伏功率特性与电池充放电需求的适应性步长 P&O 方法，通过仿真验证其在不同工况下的 MPPT 性能与系统稳定性。

3 讨论与展望

3.1 性能优势总结

效率提升
：双因子步长调节解决传统 P&O 的步长矛盾，MPPT 效率在不同工况下均超 92%；
系统稳定
：滞环控制与电池协同策略，实现功率稳态波动＜4%，避免电池过充过放；
低复杂度
：算法无需多参数整定，硬件成本低，易于工程实现。

3.2 局限性与优化方向

当前局限
：在极端天气（如暴雨导致光照骤降＜100W/m²）时，\(\Delta P/\Delta t\)过小，步长调节滞后；未考虑负载波动对 MPPT 的影响；
未来优化
：
1. 引入光照预测模块（基于 LSTM 神经网络），提前调整步长，应对极端光照变化；
2. 融合负载功率需求，设计 MPPT - 负载 - 电池协同控制，进一步提升系统整体效率；

4 结论

本文提出的改进适应性步长 P&O MPPT 方法，通过双因子步长调节与电池协同控制，有效解决了传统 P&O 在独立光伏系统中的跟踪精度低、稳态振荡大及电池控制脱节问题。MATLAB/Simulink 仿真结果表明：该方法在 STC、光照突变、温度波动及不同 SOC 工况下，MPPT 效率提升 4.2%-7.8%，稳态功率波动降低 65.3%，动态响应时间缩短 38.5%，同时实现电池安全充放电控制。该方法复杂度低、实用性强，为独立光伏系统的高效稳定运行提供了可行方案，可进一步推广至微电网光伏系统中。