光伏發(fā)電系統(tǒng)MP P T改進(jìn)方法研究

黨克，楊維湘，嚴(yán)干貴，馬聰

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012；2.寶安供電局，廣東深圳 518101）

近年，全球光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能能源將逐漸由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡[1]，并網(wǎng)發(fā)電是必然趨勢(shì)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如何提高太陽(yáng)能電池工作效率，以及在復(fù)雜環(huán)境下，提高整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[2]，減小部分遮擋帶來(lái)的影響，減小功率波動(dòng)，是目前存在的一些問題。為降低整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)并提高能源利用率，可以對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤過(guò)程，是一個(gè)尋找最優(yōu)解的過(guò)程。擾動(dòng)觀察法（P&O）是目前應(yīng)用較多的方法之一。但經(jīng)典算法流程中的判定環(huán)節(jié)存在振蕩與誤判的問題，以上2個(gè)問題會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)有效瞬時(shí)值相對(duì)其目標(biāo)位置產(chǎn)生短期的積累性變化，對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行不利，也使擾動(dòng)法在面對(duì)復(fù)雜天氣環(huán)境時(shí)，效果不理想。

目前，存在變步長(zhǎng)與擾動(dòng)觀察法結(jié)合的方法，即根據(jù)跟蹤點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的距離變換步長(zhǎng)——若跟蹤點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)距離較大，則使用大步長(zhǎng)提高運(yùn)算速度，距離較小時(shí)，改換小步長(zhǎng)以提高跟蹤精度。這種方法可以減少迭代次數(shù)，提高運(yùn)算速度，但針對(duì)振蕩與誤判的問題，效果并不明顯，由于目標(biāo)兩側(cè)的斜率變化率極不對(duì)稱，傳統(tǒng)變步長(zhǎng)甚至?xí)觿∠到y(tǒng)的功率波動(dòng)，所以變步長(zhǎng)與P&O的結(jié)合度不是很高，仍有提升的空間。

針對(duì)上述問題，本文提出一種改進(jìn)方案。通過(guò)分析跟蹤點(diǎn)振蕩與誤判時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)的外界條件、內(nèi)部原因，論述了改進(jìn)方案及其合理性。

1 仿真電路與建模

1.1 光伏陣列的模型

計(jì)及照度與溫度等因素的數(shù)學(xué)模型：式中，Rref為照度的參考值，W/m2；Tref為電池溫度的參考值，℃；R是實(shí)際照度，W/m2；Tc是環(huán)境溫度，℃；α、β是電流和電壓變化的溫度系數(shù)（A/℃和V/℃）；Voc是陣列的開路電壓，V；Isc是短路電流，A；Rs是模塊的串聯(lián)電阻，Ω，它受到串并聯(lián)數(shù)影響，但是一般只有幾歐；N、Np為陣列模塊串聯(lián)數(shù)、并聯(lián)數(shù)；Rs·ref是單個(gè)模塊參考電阻，Ω。

在PSCAD中建立光伏陣列模型并進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖1所示，在相同溫度、不同照度（600 W/m2，800 W/m2，1000 W/m2）的情況下，陣列的P-V、I-V曲線都分別表現(xiàn)出其輸出具有很強(qiáng)的非線性[3]。

圖1 不同照度下的陣列I-V和P-V曲線Fig.1 The I-V and P-V curves in different illuminations

1.2 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

三相光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要組成部分為：DC-DC變換器、DC-AC逆變器和濾波電路。DC-DC變換器為CUK電路，用于提高復(fù)雜天氣下系統(tǒng)的靈活性，輔助MPPT模塊工作，保證較高的轉(zhuǎn)化效率；DC-AC為全橋逆變電路[4-5]。

圖2 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The frame of the PV power system

2 經(jīng)典方法

2.1 變步長(zhǎng)法

變步長(zhǎng)這種經(jīng)典的方法適用范圍很廣，可以對(duì)很多算法的收斂速度進(jìn)行優(yōu)化。但是如前言中所述，經(jīng)典變步長(zhǎng)法與P&O結(jié)合度不高，原因如下。

圖3為圖1（a）中1000 W/m2時(shí)P-V曲線的斜率，O點(diǎn)為斜率為零的點(diǎn)，K表示斜率，橫軸為時(shí)間軸?？v坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)較大，橫坐標(biāo)相對(duì)較小，但O點(diǎn)左側(cè)并非水平線，并且其斜率為正（可參照?qǐng)D1（a））。

圖3 P-V曲線的斜率Fig.3 The slope of the P-V curve

如圖3，在O點(diǎn)左側(cè)斜率變化相對(duì)緩慢，而在其右側(cè)變化速率極快。引入變步長(zhǎng)時(shí)，若只根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與跟蹤點(diǎn)間的距離改變步長(zhǎng)，那么勢(shì)必會(huì)引起目標(biāo)點(diǎn)附近出現(xiàn)不規(guī)律跟蹤。由于在K=0點(diǎn)附近，相對(duì)左側(cè)較小的步長(zhǎng)也可能引起右側(cè)較大的距離變化，所以按照距離變換步長(zhǎng)并不符合陣列的輸出特性。

2.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法通過(guò)周期性擾動(dòng)陣列的工作電壓，再比較其擾動(dòng)前后的功率變化，調(diào)整跟蹤電壓，使輸出功率趨于最大[6-8]。流程圖見圖4。

其中，V（k）、I（k）和P（k）分別是k時(shí)刻的陣列電壓、電流采樣數(shù)據(jù)和計(jì)算出的功率，V（k-1）、I（k-1）和P（k-1）則是前一個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，ΔV是調(diào)整步長(zhǎng)。

從圖4可以看出，在第一個(gè)判定環(huán)節(jié)P（k）-P（k-1）=0，僅當(dāng)兩采樣點(diǎn)功率恰好相等或在硬件精度盲區(qū)內(nèi)，才會(huì)判定為真。又因?yàn)閷?duì)最大功率的跟蹤具有往復(fù)性的特點(diǎn)——跟蹤不會(huì)一次完成，很可能要在目標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)反復(fù)逼近，這個(gè)環(huán)節(jié)可能使追蹤點(diǎn)振蕩，導(dǎo)致控制信號(hào)的抖動(dòng)，進(jìn)而影響輸出電壓的穩(wěn)定性，影響系統(tǒng)整體的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 擾動(dòng)觀察法控制流程圖Fig.4 A control flow of P＆O

3 改進(jìn)方案

3.1 新型變步長(zhǎng)法

為了兼顧跟蹤與控制精度，在對(duì)圖3分析的基礎(chǔ)上，引入以下改進(jìn)方案。

引入斜率K：

式中，K、Kmin為斜率和斜率的開區(qū)間的下界。

若跟蹤點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)，則斜率值的絕對(duì)值變?。ㄒ妶D3），迭代步長(zhǎng)ΔV隨之變小，從而減少功率振蕩。從圖3可以看出，最大功率點(diǎn)兩側(cè)，斜率的變化情況有所不同，據(jù)此公式（9）給出了兩種情況，跟蹤點(diǎn)位于目標(biāo)點(diǎn)左側(cè)時(shí)，K變化相對(duì)平滑緩慢，右側(cè)時(shí)，K為負(fù)且呈現(xiàn)一個(gè)類拋物線的變化，如果根據(jù)K的變化，調(diào)節(jié)ΔV，可使步長(zhǎng)的變化更加適合跟蹤需要。

3.2 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法

如圖1（a）所示，由于光伏陣列的輸出功率在工作區(qū)間內(nèi)具有單峰性，又因?yàn)楣β孰妷呵€與X軸圍成一個(gè)閉合凸曲面，所以，存在很多對(duì)功率相等而電壓不同的點(diǎn)（例如圖1（a）中O與X標(biāo)記）。如果由于環(huán)境因素變化使陣列輸出發(fā)生變化，使陣列的輸出從其中一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)附近躍變到另一個(gè)附近，那么圖4中第一個(gè)跟蹤判定環(huán)節(jié)就會(huì)發(fā)生誤判，認(rèn)為已經(jīng)跟蹤到了最大功率點(diǎn)。

如圖1（b），標(biāo)記的兩點(diǎn)有相同的電壓值，但是由于光照不同輸出電流不相同。如出現(xiàn)陣列部分遮擋等干擾，使輸出從X標(biāo)記點(diǎn)躍變到O標(biāo)記點(diǎn)，那么圖4中的二級(jí)和三級(jí)判定環(huán)節(jié)就會(huì)誤判或者進(jìn)入死循環(huán)，可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)甚至崩潰。

考慮到經(jīng)典擾動(dòng)法震蕩的問題以及光伏陣列本身較強(qiáng)的非線性，給算法中加入一個(gè)限制參數(shù)，將目標(biāo)點(diǎn)擴(kuò)展為一個(gè)區(qū)域，D是其半徑，當(dāng)功率跟蹤點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)域，就視為追蹤完成（算法返回），這樣既避免了追蹤點(diǎn)的震蕩情況，也減少了一部分運(yùn)算。

針對(duì)之前提到的誤判問題，加入一條判據(jù)，依次對(duì)相鄰2個(gè)功率跟蹤點(diǎn)、電壓跟蹤點(diǎn)進(jìn)行比較，若比較環(huán)節(jié)的返回值為邏輯1，則進(jìn)行下一次循環(huán)，否則說(shuō)明可能出現(xiàn)了誤判，要進(jìn)入電壓比較環(huán)節(jié)進(jìn)行確認(rèn)，然后再繼續(xù)進(jìn)行迭代。圖5為結(jié)合了上一小節(jié)新型變步長(zhǎng)方法的改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程圖。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖2搭建系統(tǒng)仿真圖[9-15]，得到曲線如圖6所示，圖5（a）為改進(jìn)前后2種跟蹤方法下得到的DCDC變換器電壓輸出曲線；圖5（b）、（c）分別為并網(wǎng)電壓、電流曲線。

圖5 改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法流程圖Fig.5 The improved P＆O

圖6 仿真曲線Fig.6 The simulation curve

從圖5中可以看到，改進(jìn)方案較經(jīng)典方案的穩(wěn)定性與跟蹤速度有了一定提高（圖5（a））——超調(diào)量減小，振蕩與誤判問題基本解決，更快的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)（經(jīng)典方法在0.075 s和0.100 s之間、0.125 s時(shí)仍然有小幅波動(dòng)），可以得到比較理想的并網(wǎng)電壓與電流（圖5（b）、（c））。

5 結(jié)論

合理有效的跟蹤方法可以提高對(duì)能源的利用率，而且可以減少效率波動(dòng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文在總結(jié)經(jīng)典跟蹤方法的基礎(chǔ)上，分析了光伏陣列的特性，提出了適合最大功率跟蹤算法的新型變步長(zhǎng)和改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，在對(duì)經(jīng)典跟蹤方法的改進(jìn)中，將目標(biāo)點(diǎn)擴(kuò)展為一個(gè)區(qū)域，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、減少功率振蕩。通過(guò)仿真，該證明方法可行。

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