通過分區(qū)變步長和過采樣技術(shù)提高MPPT算法的控制性能

王俊平，曾國宏

（北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，能源危機越來越嚴重，太陽能發(fā)電技術(shù)越來越得到重視。如何提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，成為當(dāng)下研究的熱點。光伏組件的輸出功率與光照強度及環(huán)境溫度具有明顯的非線性關(guān)系，因此要提高光伏組件的發(fā)電效率，其關(guān)鍵就是實時調(diào)整光伏組件的工作點，使之始終保持在最大功率點附近，這一過程即為最大功率點跟蹤［1-2］。

常用的最大功率跟蹤控制方法有固定電壓法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法等。恒定電壓法控制精度低，僅適用于小功率場合。增量電導(dǎo)法雖然控制效果好，控制穩(wěn)定度高，但是控制算法復(fù)雜，對采樣的精確度要求很高［3］。擾動觀察法算法簡單，易于模塊化實現(xiàn)，被測參數(shù)少［4］，因此被普遍應(yīng)用于實際光伏系統(tǒng)MPPT控制。文獻［5］提出了一種基于功率預(yù)測的變步長MPPT算法，有效解決了誤判問題，但是該算法在最大功率點附近區(qū)域采用的是定步長跟蹤，在最大功率點處存在不小的功率振蕩。文獻［6］提出了一種固定電壓啟動的變步長擾動觀察算法，文獻［7］在二級步長占空比擾動法的基礎(chǔ)上結(jié)合增加跟蹤裕量法，提出了一種多級步長的控制策略，文獻［6-7］提出的算法可以有效解決擾動觀察法跟蹤精度和跟蹤速度矛盾的問題，但不能解決光照快速變化時帶來的誤判問題。本文提出了基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長的MPPT算法，仿真結(jié)果驗證了該算法可以有效解決誤判和提高跟蹤速度與跟蹤精度。

1 光伏組件仿真

選取英利YGE-235組件作為參考，組件參數(shù)表1所列。

表1 光伏池板參數(shù)

溫度和光照對光伏組件的輸出功率都有影響，光照對組件的輸出影響更大，本文只考慮了光照對光伏組件輸出的影響。溫度設(shè)置為25℃，光照強度設(shè)置為 200、400、600、800、1 000 W/m2的條件下進行仿真，輸出曲線如圖1和圖2所示。

圖1 不同光照下的UI曲線

圖2 不同光照下的PU曲線

從圖1和圖2可以看出，光伏組件的輸出特性具有明顯的非線性，隨著光照強度的降低，光伏組件最大功率近似成比例降低。一般要在負載與光伏組件之間增加一個DC-DC變換器，使光伏組件工作在最大功率點。

2 改進的MPPT算法分析

2.1 MPPT 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，MPPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由光伏組件、Boost電路、負載及MPPT控制電路組成。MPPT控制電路采集光伏組件的輸出電壓和電流，經(jīng)過MPPT算法控制Boost電路的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來控制PWM電路的輸出脈沖，用脈沖控制Boost電路中的開關(guān)，從而調(diào)節(jié)光伏組件的輸出電壓，實現(xiàn)MPPT的功能。

圖3 MPPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 改進的MPPT算法

擾動觀察法存在兩個問題：采用的定步長擾動時，無法同時滿足跟蹤精度和速度的要求；在光照快速變化時，會產(chǎn)生擾動方向的誤判，造成的更大的功率損失。針對問題1，提出了基于曲線分區(qū)的二級步長與變步長擾動相結(jié)合的方法；針對問題2，提出了基于過采樣技術(shù)的方法。本文將分別從上述兩方面來介紹改進的MPPT算法。

2.2.1 曲線分區(qū)變步長擾動法

從圖2可以看出，光伏組件在不同的電壓區(qū)域內(nèi)，功率變化的大小不同，因此可以將光伏組件的PU曲線劃分為不同的區(qū)域。本文將曲線劃分為A、B、C 3 個區(qū)域，A 區(qū)電壓范圍 0～Ua，B 區(qū)電壓范圍Ua～Ub，C 區(qū)電壓范圍 Ub～Uoc。 A 區(qū)、C 區(qū)電壓范圍內(nèi)功率變化較大，B區(qū)功率變化較小。在A、B、C 3個區(qū)域采用不同的步長擾動，可以兼顧功率追蹤的速度與精度的要求。

在A區(qū)和C區(qū)電壓范圍內(nèi)，采用較大的步長控制，可以使功率盡快追蹤達到功率最大點附近，避免因長時間在低功率處工作，造成較大功率損失。從圖2可以看出，C區(qū)比A區(qū)的功率變化要更快，為了避免功率變化過大對系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性造成的影響，C區(qū)的調(diào)整步長可以比A區(qū)的小一點。

B區(qū)處于最大功率點附近電壓范圍內(nèi)，功率變化值較小。若采用固定步長進行擾動，擾動步長較小時，仍然會在最大功率點附近產(chǎn)生不小的振蕩；若擾動步長過小，會影響算法的跟蹤速度。在B區(qū)電壓范圍內(nèi)，采用變步長擾動法。從圖2可以看出，越接近最大功率點，ΔP/ΔU的值越小，在最大功率點處等于0。本文將占空比D作為控制參數(shù)對最大功率點進行跟蹤，直接把占空比作為控制參數(shù)只需要一個控制循環(huán)，減小了控制器的設(shè)計難度。

A區(qū)電壓范圍內(nèi)，占空比擾動步長D（K+1）=D（K）+α；C 區(qū)電壓范圍內(nèi)，占空比擾動步長 D（K+1）=D（K）+β；B 區(qū)電壓范圍內(nèi)，占空比擾動步長 D（K+1）=D（K）+εΔP/ΔU，在 B 區(qū)域采用變步長，設(shè)計關(guān)鍵是ε參數(shù)的確定。

ε為變步長擾動的關(guān)鍵參數(shù)，其計算式為

式中，Dstep_max為定步長擾動觀察法所允許的最大步長，其中，的計算式為

式中，m為接近1的一個正數(shù)，ε值可由式（1）和式（2）估算，再通過仿真確定其最后的值。

2.2.2 基于過采樣技術(shù)的擾動法

當(dāng)光照快速變化時，擾動觀察法在擾動方向上可能會出現(xiàn)誤判，本文提出了一種基于過采樣技術(shù)有效解決誤判的方法，過采樣技術(shù)就是在一個擾動周期內(nèi)對電壓、電流進行多次采樣，經(jīng)過平滑算法提高采樣的準確度，相當(dāng)于對功率起到了“濾波”的作用，可以有效解決誤判問題，具體方法如下。

假定一個擾動周期內(nèi)光照強度的變化速率恒定，在一個擾動周期內(nèi)只對電壓進行一次擾動，但對電壓、電流進行多次采樣，本文以一個周期內(nèi)對電壓、電流進行兩次采樣為例進行描述。假設(shè)（K-1/2）T時刻對系統(tǒng)進行一次電壓擾動，經(jīng)過半個周期的KT時刻（此時系統(tǒng)響應(yīng)已經(jīng)穩(wěn)定）對系統(tǒng)進行電壓、電流采樣，此時電壓為 UK，功率為 P（K）；過半個周期的（K+1/2）T時刻，再對系統(tǒng)進行一次電壓、電流采樣，此時功率為P（K+1/2），利用平滑算法，計算出功率 P*（K）為

在（K+1/2）T時刻完成采樣后，再對系統(tǒng)進行下一次電壓擾動，經(jīng)過半個周期后（此時系統(tǒng)響應(yīng)已經(jīng)穩(wěn)定）對系統(tǒng)進行電壓、電流采樣，此時電壓為UK+1，功率為 P（K+1），將功率 P（K+1）與功率 P*（K）進行比較，確定下一次電壓擾動的方向。由于（K+1）·T時刻的檢測功率P（K+1）以及利用過采樣技術(shù)和平滑算法算出的功率P*（K）為理論上是同一光照照度下P-U曲線上擾動前后的兩個工作點功率，因此不存在誤判問題。

2.3 基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法

圖4 功率平滑算法曲線

本文所提出的基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法是將第2.2.1節(jié)和第2.2.2節(jié)所描述的方法結(jié)合起來，控制流程如圖5所示。

圖5 基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法控制流程

3 仿真驗證

本文分別在弱光條件下、強光條件下、光照發(fā)生劇烈變化條件下對基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法進行了仿真驗證。

3.1 弱光條件下仿真

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真電路，溫度 T=25 ℃，t=0～0.2 s時，S=400 W/m2；t=0.2～0.3 s 時，S=300 W/m2，A 區(qū)域變化步長 α=0.015，C 區(qū)域變化步長 β=0.01，ε=10×10-6，仿真波形如圖6 所示。

曲線1代表基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法，曲線2代表傳統(tǒng)的擾動觀察法，光照為400 W/m2時，傳統(tǒng)的擾動觀察法電壓在0.09 s時才達到了穩(wěn)定，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法在0.03 s時就達到了穩(wěn)定，具有更快的跟蹤速度，當(dāng)光照突變?yōu)?00 W/m2時，兩種算法都在0.02 s內(nèi)達到了穩(wěn)定。

從圖7可以看出，在t=0.2 s時，光照強度由400 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，傳統(tǒng)擾動觀察法計算出的功率差是個正值，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法計算出的功率差是個負值，在發(fā)生光照突變前，占空比向增大的方向擾動，所以傳統(tǒng)擾動法做出了錯誤的判斷，繼續(xù)增大占空比，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法則做出了正確的判斷，減小了占空比。

圖6 弱光時光照突變波形圖

圖7 占空比擾動前后功率差

圖8 基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法占空比放大圖

圖9 傳統(tǒng)擾動觀察法占空比放大圖

當(dāng)t=0.2 s時，光照強度由400 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，此時占空比應(yīng)該減小，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法沒有出現(xiàn)誤判，而傳統(tǒng)的擾動觀察法出現(xiàn)了誤判。

3.2 強光條件下仿真

溫度 T=25 ℃，t=0～0.2 s 時，S=1 000 W/m2；t=0.2～0.3 s 時 ，S=800 W/m2，A 區(qū) 域 變 化 步 長 α=0.015，C 區(qū)域變化步長 β=0.01，ε=10×10-6， 仿真波形如圖10～圖12所示。

圖10 強光時光照突變波形

曲線1代表基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法，曲線2代表傳統(tǒng)的擾動觀察法，光照為1 000 W/m2時，傳統(tǒng)的擾動觀察法電壓在0.09 s時才達到了穩(wěn)定，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法在0.02 s時就達到了穩(wěn)定，具有更快的跟蹤速度，當(dāng)光照變?yōu)?00 W/m2時，兩種算法都在0.2 s內(nèi)達到了穩(wěn)定。

當(dāng)t=0.2 s時，光照強度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，此時占空比應(yīng)該減小，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法沒有出現(xiàn)誤判，而傳統(tǒng)的擾動觀察法出現(xiàn)了誤判。

圖11 基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法占空比放大圖（強光條件下）

圖12 傳統(tǒng)擾動觀察法占空比放大圖（強光條件下）

3.3 光照劇變條件下仿真

溫度 T=25 ℃，t=0～0.2 s 時，S=1 000 W/m2；t=0.2～0.4 s 時 ，S=300 W/m2，A 區(qū) 域 變 化 步 長 α=0.015，C 區(qū)域變化步長 β=0.01，ε=10×10-6（強光條件下），仿真波形如圖13～15所示。

圖13 光照劇變波形圖

曲線1代表基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法，曲線2代表傳統(tǒng)的擾動觀察法，光照為1 000 W/m2時，傳統(tǒng)的擾動觀察法電壓在0.09 s時才達到了穩(wěn)定，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法在0.02 s時就達到了穩(wěn)定，具有更快的跟蹤速度，當(dāng)光照變?yōu)?00 W/m2時，傳統(tǒng)的觀察法經(jīng)過0.04 s達到了穩(wěn)定，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法經(jīng)過0.02 s達到了穩(wěn)定。圖13還可以看出基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法穩(wěn)定性很好，在最大功率點附近振蕩幅度也很小。

當(dāng)t=0.2 s時，光照強度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，此時占空比應(yīng)該減小，基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法沒有出現(xiàn)誤判，而傳統(tǒng)的擾動觀察法出現(xiàn)了誤判。

圖14 基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法占空比放大圖

圖15 傳統(tǒng)擾動觀察法占空比放大圖

4 結(jié)語

本文通過對光伏組件仿真建模，分析了組件輸出曲線的非線性特點，通過對組件輸出曲線進行分區(qū)，提出了曲線分區(qū)變步長擾動法，并對過采樣技術(shù)的原理進行了詳細描述。通過在弱光條件下、強光條件下、光照劇變條件下仿真，通過仿真波形可以看出，本文所提出的基于過采樣技術(shù)的分區(qū)變步長MPPT算法在任何光照條件下都可以有效解決誤判問題，同時具有更快的跟蹤速度和較好的穩(wěn)定度。

［1］路曉，秦立軍.自適應(yīng)擾動觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用與仿真［J］.現(xiàn)代電力，2011，28（1）：80-84.

［2］劉莉，張彥敏.一種擾動觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)，2010：186-189.

［3］朱銘煉，李臣松，陳新，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)MPPT的變步長擾動觀察法 ［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（1）：20-22.

［4］張超，何湘寧.短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中的應(yīng)用［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26（20）：98-101.

［5］謝穎嬌，吳秋軒，王越勝，等.一種基于功率預(yù)測的變步長MPPT優(yōu)化算法研究［C］//第32屆中國控制會議，2013：7543-7546.

［6］劉邦銀，段善旭，劉飛，等.基于改進擾動觀察法的光伏陣列最大功率點跟蹤［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（6）：91-94.

［7］王平，卞建龍.多級步長光伏電池最大功率點跟蹤［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2014，26（3）：61-65.