基于自適應(yīng)占空比擾動法的最大功率點(diǎn)跟蹤控制

李一丹，王篤亭，朱顯輝，康紅明，衛(wèi)三民

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.北京西電華清科技有限公司，北京 100085)

太陽能的開發(fā)利用是最終解決能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑［1－2］。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電就是利用光伏電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并把太陽能電池方陣發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成符合入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。

所有的光伏系統(tǒng)都希望光伏電池陣列在同樣日照和溫度的條件下輸出盡可能多的電能，以提高其發(fā)電效率，這就是太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)。如何采用更為可靠和高效的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，使太陽能電池板更加有效地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，是光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。截止目前，已經(jīng)提出了很多最大功率點(diǎn)跟蹤方法，較為常用的有恒壓法、擾動觀測法和導(dǎo)納增量法［4－7］。擾動觀測法由于實(shí)現(xiàn)簡單，需要測量的參數(shù)少，是目前光伏系統(tǒng)中最為常見的MPPT方法。但該方法在系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)后會在其左右振蕩，造成較大的能量損耗。本文在此方法基礎(chǔ)上，分析了幾種擾動觀測法，并提出了一種能克服上述不足的自適應(yīng)占空比擾動法，采用兩級變換結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前中國光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用兩級變換結(jié)構(gòu)，如圖1所示。發(fā)電系統(tǒng)包括DC/DC和DC/AC兩個(gè)環(huán)節(jié)，第一級為一個(gè)BOOST電路，通過改變BOOST電路中功率開關(guān)器件的占空比，調(diào)整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤［8－10］。BOOST電路的另一個(gè)作用是對太陽能電池輸出電壓進(jìn)行升壓(因?yàn)樘柲茈姵仃嚵休敵龅闹绷麟妷罕容^低，通常低于電網(wǎng)電壓的峰值)。第二級為高頻或工頻逆變器，目的是將太陽能電池輸出的直流電變換成交流電，主要控制輸出電流使其與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)近似為1，向電網(wǎng)輸送有功功率。

圖1 兩極式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a double－state grid－connected photovoltaic system

這種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電路成熟，前后級具有獨(dú)立的控制手段和目標(biāo)，無需同步，可以分開設(shè)計(jì)，控制環(huán)節(jié)比較容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 太陽能光伏電池的工作特性

光伏電池是一個(gè)非線性直流電源，具有特殊的伏安特性曲線，在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下的光伏電池伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 光伏陣列在不同光照下的特性曲線Fig.2 Characteristic curves of PV module under different light intensity

從圖2可以看出，光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的變化而變化，只有在某一輸出電壓值Um時(shí)(對應(yīng)曲線上的工作點(diǎn)M)，輸出功率Pm=UmIm才能達(dá)到最大值(Pm和Um分別為太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)時(shí)所對應(yīng)的輸出功率與電壓)。一般稱M點(diǎn)為光伏電池的最大功率點(diǎn)MPP。提高光伏發(fā)電系統(tǒng)整體效率的一個(gè)重要途徑就是調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT。另一方面，太陽能光伏電池特性受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響很大。光伏電池在任何時(shí)刻都存在一個(gè)最大功率輸出的工作點(diǎn)，而且隨著光照的變化而變化。MPPT的實(shí)質(zhì)是一個(gè)自尋優(yōu)的過程。

3 基于擾動觀測法的MPPT方法對比

3.1 擾動觀測法

擾動觀測法的原理是先對光伏電池陣列施加一電壓擾動，然后測量光伏電池的輸出功率，將其與擾動前的功率比較，若功率變化ΔP為正，表明功率增加，則可繼續(xù)施加同一方向的電壓擾動，直至達(dá)到最大功率;若ΔP為負(fù)，表明功率減小，則需反方向施加電壓擾動。擾動觀測法跟蹤情況如圖3所示。

圖3 擾動觀察法跟蹤過程示意圖Fig.3 Tracking of perturb－and－observe method

這種方法簡單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度慢，并且穩(wěn)態(tài)情況下，會導(dǎo)致光伏電池陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩，造成功率損失。

3.2 占空比擾動法

由圖3可知，當(dāng)ΔP/ΔU＞0時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)左邊;當(dāng)ΔP/ΔU＜0時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)右邊;當(dāng)ΔP/ΔU=0時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。占空比擾動法是直接用DC/DC變換器的占空比D作為控制參數(shù)，建立MPPT控制器使ΔP/ΔU=0，即輸出功率達(dá)到最大值。利用占空比法的光伏發(fā)電系統(tǒng)原理框圖如圖4所示［11］。MPPT控制器接收檢測的光伏電池輸出功率，根據(jù)MPPT算法得出相應(yīng)的占空比D，以控制DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖4 占空比擾動法原理框圖Fig.4 Block diagram of duty cycle perturb method

3.3 自適應(yīng)占空比擾動法

在占空比擾動觀察法中，占空比的每次步長改變是固定的［12］。步長過大會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變差，而步長過小會使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能變差。為了更有效地進(jìn)行最大功率跟蹤，本文在占空比擾動的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)占空比擾動法，控制流程如圖5所示。

首先設(shè)定精度E，用來判斷是否達(dá)到最大功率Pm。采樣第k時(shí)刻電壓和電流，求出P(k)，第k時(shí)刻P－U曲線的斜率ΔP/ΔU可表示為

當(dāng)ΔP/ΔU＞0時(shí)，則增大D，使輸出功率逐漸增加，即第k+1時(shí)刻的D(k+1)=D(k)+(αε);當(dāng) ΔP/ΔU ＜0時(shí)，減小 D，即 D(k+1)=D(k)－(α － ε)。

圖5 自適應(yīng)占空比擾動算法控制流程圖Fig.5 Flowchart of self－adaptive duty cycle perturbation

自適應(yīng)因子ε(k)用來調(diào)節(jié)下一時(shí)刻的D。當(dāng)采樣點(diǎn)離Pm較遠(yuǎn)時(shí)，ε較小，ΔD=α－ε(k)值較大，跟蹤速度較快;當(dāng)采樣點(diǎn)逐漸接近Pm時(shí)，ε逐漸變大，ΔD=α－ε(k)值越來越小，跟蹤精度提高。D與P之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看到，P－D曲線與P－U曲線非常相似。

圖6 P－D關(guān)系曲線Fig.6 P－D curve

4 最大功率點(diǎn)跟蹤控制

第一級DC－DC變換器控制部分的控制框圖如圖7所示。

圖7 DC－DC電路的MPPT控制框圖Fig.7 Diagram of MPPT control of DC－DC converter

首先檢測光伏電池陣列的電壓和電流，輸入到MPPT控制器，相乘得到光伏電池陣列的輸出功率，根據(jù)提出的自適應(yīng)占空比方法得到最大功率點(diǎn)的參考電壓Uref。然后將得到的參考值Uref與檢測的光伏電池電壓相比較，差值經(jīng)過一個(gè)PI環(huán)節(jié)作為調(diào)制信號，該調(diào)制信號與固定頻率的三角波比較產(chǎn)生DC－DC電路的PWM開關(guān)控制信號。最后通過驅(qū)動電路對控制信號進(jìn)行隔離放大控制DC－DC電路開關(guān)器件的狀態(tài)。通過不斷調(diào)節(jié)開關(guān)器件的占空比，實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列最大功率的跟蹤

5 結(jié)語

在擾動觀察法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)占空比擾動法。該方法跟蹤迅速，能夠減少系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩，提高系統(tǒng)的跟蹤速度和精度。

［1］ 喬月竹;韓學(xué)軍;王大偉.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究［J］.黑龍江電力，2014，36(2):113 －117.QIAO Yuezhu，HAN Xuejun，WANG Dawei.Research on algorithm for maximum power point tracking of the photovoltaic system ［J］.Heilongjiang Electric Power，2014，36(2):113 －117.

［2］ 曾令全，王宏.基于灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤［J］.黑龍江電力，2003，35(1):1 －5.ZENG Lingquan，WANG Hong.Maximum power point tracking of photovoltaic power system based on grey BP neural network ［J］.Heilongjiang Electric Power，2003，35(1):1 －5.

［3］ ESRAM T，CHAPMAN P L.Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(2):439 －449.

［4］ 崔巖，蔡丙煌，李大勇，等.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2006，27(6):535 －539.CUI Yan，CAI Binghuang，LI Dayong，et al.Comparative studies on the MPPT control algorithms of solar energy photovoltaic system ［J］.Journal of Solar Energy，2006，27(6):535 －539.

［5］ WEIDONG X.Real－time identification of optimal operating points in photovoltaic power systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(4):1017 －1026.

［6］ KOBAYASHI K，MATSUO H，SEKINE Y.An excellent operating point tracker of the solar－ cell power supply system［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2006，53(2):495 －499.

［7］ KOUTROULIS E，KALATZAKIS K，VOULGARIS N C.Development of a microcontroller－based photovoltaic maximum power point tracking control system［J］.IEEE Transactions on Power E-lectronics，2001，16(1):46 －52.

［8］ 栗秋華，周林，劉強(qiáng)，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真［J］.電力自動化設(shè)備，2010，30(21):48 －53.LI Qiuhua，ZHOU Lin，LIU Qiang，et al.Simulative Research of MPPT for photovoltaic power system［J］.Electric Power Automation Equipment，2010，30(21):48 － 53.

［9］ 李冬輝，王鶴雄，朱曉丹，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(21):208－214.LI Donghui，WANG Hexiong，ZHU Xiaodan，et al.Research on several critical problems of photovoltaic grid－connected generation system ［J］. Power System Protection and Control， 2010，38(21):208－214.

［10］ 吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤算法穩(wěn)定性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(6):73－77.WU Libo，ZHAO Zhengming，LIU Jianzheng，et al.Research on the stability of MPPT strategy applied in single－stage grid－connected photovoltaic system［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(6):73－77.

［11］ 戴欣平，馬廣，楊曉紅.太陽能發(fā)電變頻器驅(qū)動系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(8):95－99.DAI Xinping，MA Guang，YANG Xiaohong.A control method for maximum power point tracking of photovoltaic generation system［J］.Proceedings of CSEE，2005，25(8):95－99.

［12］ 張森，吳捷，候聰玲，等.自適應(yīng)算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤中的應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(2):50 －52.ZHANG Sen，WU Jie，HOU Congling，et al.Application of adaptive algorithm in MPPT of the photovoltaic system［J］.Power E-lectronics，2005，39(2):50 －52.