三点比较法：一种有效提升跟踪稳定性的控制策略

三点比较法在跟踪稳定性方面是对扰动观察法的一种有效改进，简而言之就是采用了变步长的控制策略。主要用软件编程通过不断调整电压步长ΔU对最大功率点进行判断和控制，最后利用阈值ε判断是否达到最优点。该法在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A，B，C三个点，U_A和P_A，U_B和P_B，U_C和P_C分别对应各点工作电压和功率。设U_B为初始最大功率点U_max，U_D是一个预先设定用于电压步长调整的常量（一般取0.3ΔU）；在判断三个点电压值的调整方向时可能出现如图6-7所示情形。

图6-6 固定电压启动流程图

图6-7 功率跟踪的3种情况

1）当P_A＜P_B且P_B≤P_C时，如图6-7a所示。程序执行{U_B=U_C；U_A=U_B-ΔU；U_C=U_B+ΔU}。这段程序表示了起始工作点在最大功率点左侧的情况，实现目的是把电压值沿着坐标轴向右移动，得到新的三个电压点，然后在进行功率的比较，依此类推得到最大功率点所对应的电压。(www.xing528.com)

2）当P_A＜P_B且P_B＞P_C（或者P_A≥P_B且P_B≤P_C）时，如图6-7b所示，程序执行{ΔU=ΔU-U_D；U_A=U_B-ΔU；U_C=U_B+ΔU}。表示了工作在最大功率点的情况，当工作在这种情况下时就需要采用变步长调节以此来进一步缩小三点之间的距离。最终使得三点的距离控制在某一值ε内，这就近似地得到了最大功率点。上面提到的P_A≥P_B且P_B≤P_C的实际情况：系统硬件检测模块某一时刻先检测到P_A≥P_B，突然有云遮挡随后检测到P_B≤P_C，它表示光照强度快速变化的情形，算法中将该情况按照系统工作电压不作改变情形进行处理，只对ΔU进行微调，这样系统不会跟随光照强度的快速改变而盲目调整工作电压，避免了系统振荡，从而实现了平稳跟踪。此外，在设计算法时，用一个二进制参量Flag来判断如何重新调整A，B，C三点电压值，并把ΔU-U_D的值赋给ΔU，使电压调整步长不断缩小并最终达到设计精度；在允许误差范围内算法设置了一个阈值ε，当步长ΔU连续微调后满足ΔU＜ε时，表明此时的U_B已经非常接近U_max，程序控制认为这时的U_B就是U_max，这是系统跟踪到输出功率峰值点的判别条件。

3）当P_A≥P_B且P_B＞P_C时，如图6-7c所示。程序执行{U_B=U_A；U_A=U_B-ΔU；U_C=U_B+ΔU}。这段程序表示了起始点工作在最大功率点右侧的情况，其实现目的是将工作点左移，然后得到新的三个点，进行功率的比较，再变化工作电压，直至找到最大功率点位置。

由以上的分析可知，此程序的终止条件是阈值ε达到一定值即找到最大功率点。从实际的控制过程来看，这种方法在一开始的时候的调节为粗调（定步长调节），这样可以加快调节速度；在接近最大功率点处则为细调（变步长调节），这样可以提高系统的精确度。在具体的参数初值选取上，先确定值U_B，再根据电压步长ΔU进行增加或减少扰动值，紧接着与系统采集更新后的功率值作比较决定参考电压的调整方案。该过程涉及参数U_B、ΔU、U_D和ε的取值。U_B初值的取定，原则是使它处于最大功率点附近，有两种方法确定：一是根据光伏系统所在地年光照强度和气温随机测量记录，采用数学统计方法得出光照强度、温度特性，进而结合光伏电池的伏安特性判断出最大功率点的大概位置。该法需要大量实测数据，应用性不强。二是根据前人对各种条件下I-U特性曲线的分析，发现最大功率点电压位于开路电压的80%附近，因此可取U_B的初值为开路电压的80%。电压调整步长ΔU、电压调整常量U_D和阈值ε的选取。ΔU初值的选取：若选的值过小，系统无法快速应对外部环境的变化，反应速度过慢；若选的值过大，系统精度不够。建议ΔU的初值范围定在10^-1～10^-2V。U_D是一个正数，其值比ΔU小，作为电压微调量，若U_D的值非常接近ΔU，会造成调整后的ΔU过小而使系统在以后的跟踪中长期徘徊在低功率点。根据二分法原则，可取U_D=0.5ΔU。ε的值作为一个控制程序结束的参量，可根据系统精密度要求来确定：ε越大，精确度越低，导致部分功率损失；ε越小，MPPT跟踪越精确，但跟踪时间也越长，需要处理的数据量越大对硬件要求越高，难以实现快速实时跟踪。对实验室开路电压为4～5V的单片电池板而言，建议ε取值为10^-2～10^-1V。

三点比较法采用三个点的功率比较来实现快速追踪，该法能够准确快速平稳地跟踪到P_max，这是由算法本身决定的；避免了在最大功率点附近因扰动造成的功率损失。系统一旦达到P_max将通过单片机指令不做任何电压调整，保持系统长期工作在该点上，直到外部环境发生变化。这与爬山法在最大功率点附近仍振荡不止有着本质区别，避免了无谓的功率损失。当光强发生突变时，不盲目移动工作点待日照量稳定后再追踪。由于三点比较法采用软件控制，算法中把P_A≥P_B且P_B≤P_C这种情况（即天空有云遮挡）归入了系统已达到最大功率点的情况，两者做同样处理，使系统不跟随日照量的快速改变而盲目调整工作电压，避免了系统过快的振荡。三点比较算法比较复杂，其中涉及了对电压电流的检测和计算，以及需要考虑步长的变化和阈值ε的设定，需要处理大量数据，对硬件系统的性能提出了较高要求。