基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏發(fā)電最大功率跟蹤研究

郝晶瑩，王勝輝,金月新，鄭　洪

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.產(chǎn)業(yè)管理處，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏發(fā)電最大功率跟蹤研究

郝晶瑩a，王勝輝a,金月新b，鄭洪b

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.產(chǎn)業(yè)管理處，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

摘要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板是產(chǎn)生電能的裝置，光伏電池運(yùn)行受外界環(huán)境溫度、輻照度等因素的影響，呈現(xiàn)出典型的非線性特征。外界條件不同時(shí)，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。分析了最常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。并給出了一種新的最大功率跟蹤方法，新方法能夠快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且解決了跟蹤過程的振蕩問題。最后通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了控制有效性，得到了較好的輸出波形。

關(guān)鍵詞：最大功率點(diǎn)；MPPT；振蕩

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能開發(fā)利用方式的一種，其可以利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，而且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電有可能成為最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。但是，光伏電池運(yùn)行呈現(xiàn)出典型的非線性特征。因此，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)當(dāng)使光伏電池工作在最佳狀態(tài)，最大程度地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)的MPPT方法依據(jù)判斷方式和準(zhǔn)則的不同分為開環(huán)和閉環(huán)MPPT方法。開環(huán)MPPT方法建立在輸出特性曲線上。閉環(huán)MPPT方法有擾動(dòng)觀測(cè)法和導(dǎo)納增量法。不同的方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，為此做一簡(jiǎn)單地比較，并給出了各個(gè)方法的適用場(chǎng)合。綜上，給出一種改進(jìn)的MPPT方法，能夠快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，解決了跟蹤過程的振蕩問題，提高了轉(zhuǎn)換效率。最后通過仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。

1光伏電池的數(shù)學(xué)模型[1-3]

考慮到環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的影響，采用的光伏電池的數(shù)學(xué)模型為：

設(shè)在任意太陽(yáng)輻射強(qiáng)度R(wm2)和環(huán)境溫度Ta℃條件下，太陽(yáng)電池溫度為

Tc=Ta+tCR

(1)

其中，R為光伏陣列傾斜面上的總太陽(yáng)輻射;tc(degw-1m2)為太陽(yáng)電池模塊的溫度系數(shù)。設(shè)在參考條件下，ISC為短路電流，VOC為開路電壓，Vm、Im為最大功率點(diǎn)電壓和電流，則當(dāng)光伏陣列電壓為V時(shí)，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流為I:

(2)

(3)

C2=(V1/VDC-1)ln(1-Im/ISC)

(4)

D1=α·R/Rref·DT+(R/Rref-1)ISC

(5)

DV=-β·DT-RS·D

(6)

DT=TC-Tref

(7)

Rref和Tref分別為太陽(yáng)輻射和光伏電池溫度參考值，一般取1 kW/m2R和25 ℃；α為在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)(A/℃)；β為在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)(V/℃)；RS為串聯(lián)電阻，它主要是由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極和硅表面間接觸電阻所組成。

采用的電池板型號(hào)為SAM/CEC Modules/Himin Clean Energy Holdings HG-185S。

電池板的參數(shù)見表1。

表1　電池板的參數(shù)

在MATLAB環(huán)境下，由上述數(shù)學(xué)模型建立的光伏電池板仿真模型如圖1所示。

光伏電池既非恒流源，也非恒壓源，而是一個(gè)非線性直流電源。光伏陣列提供的功率取決于陽(yáng)光所提供的能量，因此不可能為負(fù)載提供無(wú)限多的電能。當(dāng)通過增加負(fù)載使電池的電壓從0開始增加時(shí)，電池的輸出功率亦從0開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)如果負(fù)載繼續(xù)增大，功率將逐漸減少至0，即電壓達(dá)到開路電壓UOC。電池輸出功率達(dá)到最值，稱為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓Um；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流Im；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率，稱為最大功率Pm。

圖1　光伏電池板數(shù)學(xué)模型

2光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤方法比較

2.1恒定電壓控制法(CVT)[4]

1)原理光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點(diǎn)電壓幾乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。因此，CVT 控制法的思想是將光伏電池輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)附近上的某一個(gè)電壓處，此時(shí)光伏電池將近似工作在最大功率點(diǎn)處。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析采用 CVT 控制的優(yōu)點(diǎn)是該控制方法簡(jiǎn)單快速，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。但其缺點(diǎn)是忽略了外界條件對(duì)光伏電池最大工作點(diǎn)電壓的影響。恒定電壓跟蹤法一般用于價(jià)格低且控制要求不高的簡(jiǎn)單系統(tǒng)中。

2.2短路電流比例系數(shù)法[5]

1)原理光伏電池的輸出U-I曲線最大功率點(diǎn)電流Im與光伏電池短路電流ISC也存在近似的線性關(guān)系，即

Im≈K2ISC

(8)

其中，系數(shù)K2的值取決于特定光伏電池的特性，一般K2取0.8左右。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析短路電流比例系數(shù)法的主要優(yōu)點(diǎn)就是控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是光伏電池并不是工作在真正的最大功率點(diǎn)上。

2.3擾動(dòng)觀測(cè)法(P&O)[6]

1)原理其基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓(或電流)，然后觀測(cè)光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢(shì)和擾動(dòng)的方向改變擾動(dòng)電壓(或電流)的方向，使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析擾動(dòng)觀測(cè)法具有控制簡(jiǎn)單、被測(cè)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是擾動(dòng)觀測(cè)法存在振蕩和誤判問題，且電壓初始值及擾動(dòng)電壓步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和速度有較大影響。

2.4導(dǎo)納增量法(INC)[7]

1)原理由光伏電池的P-U曲線可以看出，在最大功率點(diǎn)處有dP/dU=0，因此可以考慮用功率全微分近似替代dP的MPPT算法，即從dP=UdI+IdU可以得出在最大功率點(diǎn)處有下式成立：

dI/dU=I/U

(9)

因此，將式(9)作為判定光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)的依據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

2)優(yōu)缺點(diǎn)分析采用INC法的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，控制穩(wěn)定度高，不受功率時(shí)間曲線的影響。但其缺點(diǎn)是控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高。另外，電導(dǎo)增量法存在誤判問題。

圖2　Simulink建立的MPPT模型

3改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

綜上所述，現(xiàn)有的方法無(wú)法同時(shí)解決最大功率點(diǎn)跟蹤的振蕩和誤判問題。現(xiàn)在介紹一種最大功率點(diǎn)跟蹤的新方法。這種新方法相對(duì)其他方法簡(jiǎn)單快速,很好地解決了振蕩問題，并且對(duì)誤判問題有一定的抑制作用。

由光伏電池的U-I特性曲線可知，類恒流源區(qū)域與類恒壓源區(qū)域范圍比大約為4：1.采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法時(shí)總是希望系統(tǒng)在類似恒流源的區(qū)域里采用大步長(zhǎng)以提高跟蹤速度，而在類似恒壓源的區(qū)域里減少步長(zhǎng)以提高跟蹤精度。具體步驟是：首先，通過檢測(cè)電壓變化時(shí)的電流變化，判斷出光伏電池所在的工作區(qū)域，在類恒流源的區(qū)域，電流變化小，在類恒壓源的區(qū)域，電流變化大；然后，根據(jù)工作區(qū)域的不同設(shè)定不同的步長(zhǎng)。 這樣減少了計(jì)算量，加快了MPPT算法[8-10]。

當(dāng)增大參考電壓U(U1=U+△U)時(shí)，若P1>P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大工作點(diǎn)的左側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持增大參考電壓的擾動(dòng)方式，即U2=U1+△U,其中U2為第二次調(diào)整后的電壓值。

當(dāng)增大參考電壓U(U1=U+△U)時(shí)，若P1

當(dāng)減小參考電壓U(U1=U-△U)時(shí)，若P1>P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大工作點(diǎn)的右側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持減小參考電壓的擾動(dòng)方式，即U2=U1-△U。

當(dāng)減小參考電壓U(U1=U-△U)時(shí)，若P1

當(dāng)功率變化很小時(shí)停止擾動(dòng)，所以這個(gè)方法可以很好地解決系統(tǒng)的振蕩問題。

圖3　變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法仿真結(jié)果

仿真時(shí)間為0.1 s。當(dāng)t=0～0.06 s時(shí)，T=25 ℃,當(dāng)t=0.06～0.1 s時(shí)，T=35 ℃；當(dāng)t=0～0.04 s時(shí)，R=500 W/m2,當(dāng)t=0.04～0.1時(shí)，R=1000 W/m2。實(shí)驗(yàn)時(shí)保證電容C1的電壓大于320 V。

圖4　改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法仿真結(jié)果

4結(jié)語(yǔ)

通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)擾動(dòng)方法的可靠性，避免了在跟蹤過程中產(chǎn)生的振蕩問題。此方法跟蹤速度快，精度高，濾除掉了跟蹤過程中產(chǎn)生的振蕩，能準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，為光伏最大功率點(diǎn)的功率提供了參考意議和可行性。

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(責(zé)任編輯佟金鍇校對(duì)張凱)

Research on the Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Power

based on the Improved Perturbation and Observation Method

HAO Jing-yinga,WANG Sheng-huia,JIN Yue-xinb,ZHENG Hongb

(a.School of Electrical Power; b.Industry Management Office,Shenyang Institute of

Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Photovoltaic cells are devices for generating electric energy in the photovoltaic power generation system.The photovoltaic cells under operation will present a typical non-linear characteristic with the influence of the environmental temperature, irradiance and other factors. Moreover, under different external conditions, photovoltaic cells are able to run on different and unique maximum power point. The most commonly used method of maximum power point tracking was analyzed in this paper, and a new tracking method of maximum power was proposed which could realize the maximum power point fast tracking and solve the oscillation problem during the tracking process. The control effectiveness is verified by Matlab/Simulink simulation, and good output waveform is obtained.

Key words：Maximum power point; MPPT; Oscillation

中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)01-0005-05