固定電壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏系統(tǒng)MPPT中的應(yīng)用

劉晉芳 樊建升

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，太原 030024）

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響較大，為了獲取最大的光伏輸出功率，最大限度的利用太陽能資源，需要引入最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)[1-3]。目前，國內(nèi)外的MPPT 控制算法[4-6]主要有固定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法和模糊控制法等[7-9]。

擾動(dòng)觀察法，是工程上實(shí)現(xiàn)MPPT 技術(shù)的常用方法之一，具有原理簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[10]，但跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)振蕩現(xiàn)象明顯是其不足[11]。固定電壓法[10]，具有控制方法簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作電壓穩(wěn)定性良好，但精度較差，設(shè)置系統(tǒng)工作電壓較難，當(dāng)工作系統(tǒng)外界環(huán)境條件突然改變時(shí)最大功率點(diǎn)變化適應(yīng)性較差無法滿足穩(wěn)定性的要求等明顯不足[12]。

本文綜合固定電壓法和擾動(dòng)觀測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新的方法，即將固定電壓法和擾動(dòng)觀測(cè)法相結(jié)合，開始跟蹤時(shí)采用固定電壓法，快速到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，當(dāng)接近最大功率點(diǎn)發(fā)生振蕩時(shí)，改換用擾動(dòng)觀測(cè)法，提高跟蹤精度，減少系統(tǒng)振蕩。將兩種方法結(jié)合起來，提高了跟蹤速度，并減小功率振蕩。本文在Matlab/Simulink 平臺(tái)上搭建了主系統(tǒng)電路及控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較，最終在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證所提出的控制算法可以快速、準(zhǔn)確跟蹤光伏電池的最大功率輸出，提高了光伏電池的能源利用率。

1 光伏陣列特性

輸出特性方程為

式中，I為光伏電池的工作電流；V為光伏電池的工作電壓；Iph為光電流；Ios為反向飽和電流；Rsh為串聯(lián)電阻；Rs為并聯(lián)電阻；A為二極管參數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電荷量；T為光伏電池溫度。

為了更加貼近實(shí)際情形，便于工程實(shí)用，需要將難以準(zhǔn)確測(cè)量參數(shù)的理想光伏電池特性方程實(shí)用化和工程化，充分考慮溫度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因素變化時(shí)對(duì)光伏電池輸出特性的影響，所以必須進(jìn)行修正，修正結(jié)果如下所示：

其中，

式中，α表示電流溫度修正系數(shù)；β表示電壓溫度修正系數(shù)。建議值：α= 0.0012Isc，β= 0.005UOC。

以無錫尚德生產(chǎn)的光伏電池板參數(shù)作為仿真基本參數(shù)，短路電流8.45A，開路電壓37.2V，最大功率點(diǎn)電壓29.8V，最大功率點(diǎn)電流8.0A。圖1和圖2分別是光伏電池輸出的P-U特性曲線。由圖1可知，當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏輸出功率逐漸增加，同一條曲線僅有一個(gè)最大功率點(diǎn)。由圖2可知，當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，隨著溫度的升高開路電壓值逐漸減小。

圖1 溫度一定時(shí)P-V 曲線

圖2 光照強(qiáng)度一定時(shí)P-V 曲線

2 MPPT 控制算法

光伏陣列的輸出特性受外界環(huán)境（主要有光照強(qiáng)度、溫度和帶載情況等）的影響較大，造成能源利用率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差以及經(jīng)濟(jì)效益低等諸多弊端。因此，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)是太陽能發(fā)電研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和重要內(nèi)容。

恒定電壓法具有控制方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，只需要采樣單一的光伏輸出電壓即可，將其與系統(tǒng)所設(shè)置的參考電壓值進(jìn)行比較，經(jīng)PI 控制器后輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)DC/DC 電路，就可以調(diào)節(jié)占空比使光伏陣列的輸出電壓等于指定的電壓值。但是，恒定電壓法是一種開環(huán)控制方法，具有控制易實(shí)現(xiàn)，跟蹤速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)，但是跟蹤精度不夠，是一種近似估算的方法，并且無法對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，使其應(yīng)用受到限制，因此經(jīng)常采用恒定電壓法與其它閉環(huán)控制算法相結(jié)合，這樣既能保證具有較高的跟蹤精度，又不失去較快的跟蹤速度的要求，這一方法被廣泛采用。

本文結(jié)合固定電壓法和擾動(dòng)觀測(cè)法，在功率跟蹤初始時(shí)刻，先采用固定電壓法快速到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤的快速性，而后采用擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)一步精確尋優(yōu)，可以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤，減小系統(tǒng)功率振蕩，增加能源利用率。固定電壓法結(jié)合觀測(cè)擾動(dòng)法的控制流程如圖3所示。

圖3 控制算法流程圖

圖3表示控制算法流程圖，首先采集光伏電池出口電壓和電流，電壓變化在ΔU范圍之內(nèi)時(shí)，采用占空比擾動(dòng)觀測(cè)法，通過改變占空比步長(zhǎng)Δd，逐步尋找最大功率點(diǎn)。當(dāng)電壓變化范圍超出ΔU時(shí)，采用固定電壓法，由最大功率點(diǎn)處的電壓Um和開路電壓Uoc之間的近似線性關(guān)系，即Um=kUoc，其中k取0.7～0.8，計(jì)算得到ΔD，由此可快速找到新的最大功率工作點(diǎn)。

3 光伏接口變換器設(shè)計(jì)

由于負(fù)荷需要的電壓大于光伏電池兩端輸出的電壓，因此在系統(tǒng)中需要加入DC/DC 變換電路即Boost 變換電路。Boost 變換電路采用全控型開關(guān)管IGBT，并在其輸入端串聯(lián)一個(gè)電感L，近似于電流源電路，輸出端并聯(lián)一個(gè)電容C，近似于電壓型負(fù)載，并起到穩(wěn)壓的作用，圖4為光伏Boost 電路圖。

在Boost 電路中，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下：

式中，D是占空比，D的大小是由PWM 輸出信號(hào)控制的，如圖5所示。

圖4 光伏Boost 電路原理圖

圖5 Boost 控制框圖

經(jīng)MPPT 計(jì)算后，得到最大功率點(diǎn)處電壓的參考值，電壓和電流經(jīng)過PI 控制后輸入PWM 調(diào)制，得到控制Boost 變換電路中IGBT 的控制信號(hào)。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，搭建了如圖6所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖6是本文搭建的一種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，它是由太陽能光伏電池，DC-DC 變換器，MPPT 控制器以及負(fù)載構(gòu)成。

圖6 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真參數(shù)的設(shè)置：Sref=1000W/m2和Tref=25℃是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光強(qiáng)和溫度的參考值，開路電壓為37.2V，短路電流為8.45A，最大功率點(diǎn)的電壓為29.8V，最大功率點(diǎn)的電流為8.0A，最大輸出功率235W。

設(shè)置光伏電池的光照強(qiáng)度1000W/m2，環(huán)境溫度為25℃，圖7表示采用擾動(dòng)觀察法和固定電壓法結(jié)合觀測(cè)擾動(dòng)法得到的光伏電池最大功率跟蹤效果曲線。

如圖7所示，采用擾動(dòng)觀察法時(shí)，功率輸出振蕩較大，跟蹤時(shí)間在0.05s 左右；采用固定電壓結(jié)合擾動(dòng)觀測(cè)法時(shí)，功率輸出振蕩減小，跟蹤時(shí)間在0.01s 左右。

圖7 光伏電池輸出波形

對(duì)比兩種方法，我們不難看出，采用擾動(dòng)觀察法追蹤最大功率點(diǎn)，振蕩幅度較大，跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)；采用固定電壓結(jié)合擾動(dòng)觀測(cè)法追蹤最大功率點(diǎn)，可以減小跟蹤過程的功率振蕩，降低功率損失，兼具計(jì)算速度和跟蹤穩(wěn)定性，具有良好的跟蹤效果。

5 實(shí)驗(yàn)

本文在仿真基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證文中控制策略的正確性，搭建了光伏發(fā)電實(shí)物平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)的光伏接口變換器，光伏電池側(cè)電容C2=470μF，電感L=0.5mH，負(fù)載側(cè)電容C1=47μF，負(fù)載為阻性，開關(guān)頻率為20kHz。

如圖8所示，應(yīng)用擾動(dòng)觀測(cè)法時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行大約需要40ms 左右，尋找最大工作點(diǎn)波動(dòng)較大，最大電流超調(diào)量為70%。而應(yīng)用固定電壓法結(jié)合擾動(dòng)觀測(cè)法后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行大約需要10ms，同前一種方法比較，跟蹤時(shí)間大大降低，最大電流超調(diào)量降為30%，且振蕩減少，如圖9所示。

由上分析可知，應(yīng)用改進(jìn)的控制方法后，系統(tǒng)進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)，起動(dòng)響應(yīng)加快，振蕩減少，功率跟蹤效果明顯，能夠根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整，在最大功率點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的改進(jìn)MPPT 控制策略在實(shí)際環(huán)境運(yùn)行過程中的正確性及有效性。

圖8 擾動(dòng)觀測(cè)法

圖9 提出的固定電壓法法結(jié)合觀測(cè)擾動(dòng)法

6 結(jié)論

本文提出的一種新的MPPT 算法—固定電壓法結(jié)合擾動(dòng)觀測(cè)法，該方法不僅克服了固定電壓法在外界環(huán)境改變時(shí)無法繼續(xù)實(shí)施最大功率跟蹤的不足，而且也彌補(bǔ)了擾動(dòng)觀測(cè)法追蹤速度慢、系統(tǒng)功率振蕩的缺點(diǎn)。當(dāng)外界環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，先根據(jù)固定電壓法快速調(diào)整占空比到最大功率點(diǎn)附近，然后采用擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)一步精確求解，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得到很大的提高。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出策略的正確性和實(shí)用性。

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