改進(jìn)型擾動觀察法在光伏MPPT中的研究

榮德生，劉鳳

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105）

改進(jìn)型擾動觀察法在光伏MPPT中的研究

榮德生，劉鳳

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105）

為了解決傳統(tǒng)擾動觀察法穩(wěn)態(tài)精度低、響應(yīng)速度差、容易發(fā)生誤判等問題，該文提出了一種基于滯環(huán)比較的變步長改進(jìn)型擾動觀察法。文中對光伏電池進(jìn)行了深入的研究，探討了升壓變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT的原理，在Matlab/Simulink中建立了MPPT的仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。采用DSP（芯片為TMS320F28335）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且有良好的啟動特性，有效消除了誤判及最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。

升壓變換器；滯環(huán)比較；變步長擾動觀察法；最大功率點(diǎn)跟蹤；光伏

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色可再生能源，正日益發(fā)展成為世界能源組成中的重要部分[1]。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分。光伏電池的輸出特性不僅要受到自身內(nèi)部特性的影響，還要受到環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度以及負(fù)載大小的影響，光伏電池非線性的特點(diǎn)需要進(jìn)行深入研究。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，就需要最大限度地使太陽能轉(zhuǎn)化為電能，所以要用到最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[2]。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，MPPT系統(tǒng)模塊一般由光伏電池陣列、MPPT算法、脈沖寬度調(diào)試PWM（pulsewidthmodulation）模塊、DC/DC變換器等模塊構(gòu)成[3]。目前國內(nèi)外學(xué)者研究了許多種MPPT算法，都存在一些優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)今最常用的方法包括恒定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、滯環(huán)比較法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]。本文提出了一種基于升壓變換器BOOST（boost converter）來實(shí)現(xiàn)MPPT的算法，其是一種具有滯環(huán)比較的變步長改進(jìn)型擾動觀察法。該方法可以有效地解決誤判現(xiàn)象和MPP附近的振蕩問題。本文在Matlab/Simu?link中搭建了MPPT的仿真模型，并且將MPPT算法封裝成了模塊形式，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有可行性和有效性。

1 光伏電池特性

1.1 光伏電池等效電路

光伏電池是利用光生伏特效應(yīng)的原理制成的，PN結(jié)是其工作原理的核心，每個(gè)光伏電池單元的外特性模型都可以看成是一個(gè)恒流源與一個(gè)正向二極管的并聯(lián)回路。光伏電池的等效電路模型如圖1所示。

由圖1可得

式中：Iph為光生電流；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻；IL為光伏電池的輸出負(fù)載電流；K為玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-18J/K；q為電子電荷，其中q=1.6×10-19C；t為光伏電池所處環(huán)境溫度；Aph為光伏電池內(nèi)部P-N結(jié)的曲線常數(shù)。

式（1）為超越方程，存在代數(shù)環(huán)，使仿真速度明顯降低，文獻(xiàn)[5]提出了一種實(shí)用的工程數(shù)學(xué)模型，該模型僅需要光伏電池生產(chǎn)商提供4個(gè)電氣參數(shù)，短路電流ISC、開路電壓UOC、最大功率點(diǎn)處對應(yīng)的電壓Um、最大功率點(diǎn)處對應(yīng)的電流Im，其中U-I方程為

式中：ISC為光伏電池短路電流；UOC為光伏電池開路電壓；C1、C2為兩個(gè)中間變量；Um、Im分別為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下最大功率點(diǎn)處的電壓和電流。當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，光伏電池的4個(gè)參數(shù)，即在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的計(jì)算式為

式中：a=0.002 5；b=0.5；c=0.002 88；Δt=t-tref， tref=25℃；光輻射量差值為，。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，Um=53.5 V，

1.2 光伏電池輸出特性曲線

通過式（2）、式（5），在Matlab中編寫S函數(shù)，得到光伏電池U-I和P-U的特性曲線，如圖2所示。

2 BOOST電路

DC/DC變換器中升壓變換器BOOST和降壓變換器BUCK（buck converter）的效率是最高的[6]，但BUCK是一種降壓型變換器，不易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，且要始終工作在斷續(xù)狀態(tài)，因此必須用到電容器，電容處于長時(shí)間充放電狀態(tài)，整個(gè)電路的可靠性將降低。BOOST變換器是升壓型變換器，它可以工作在電感電流連續(xù)的模式下，電路中電感L的紋波電流很小，因此，BOOST電路避免了電容引起的各種問題[7]。所以本文采用BOOST變換器來實(shí)現(xiàn)MPPT的功能。圖3為BOOST變換器電路。

設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為TS，占空比為D，導(dǎo)通時(shí)間為ton。當(dāng)0＜t＜DTS時(shí)，T導(dǎo)通，電感L電流增量為。當(dāng)DTS＜t＜TS時(shí)，T截止，電感L電流減小量為。因?yàn)椋傻?。若BOOST變換器轉(zhuǎn)換效率為100%，即前后的功率保持不變，則，所以等效電阻為

由式（6）可知，調(diào)節(jié)占空比D可改變其阻抗的大小[8]。使BOOST電路的Req與光伏陣列輸出阻抗相匹配時(shí)，光伏陣列將輸出最大功率。

BOOST電路應(yīng)用到光伏系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的原理如圖4所示。

3 基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀察法

3.1 滯環(huán)比較法的原理

滯環(huán)比較法[9]是以當(dāng)前的工作點(diǎn)為中心，兩邊各取一點(diǎn)構(gòu)成滯環(huán)。通過比較3點(diǎn)的功率值的大小，來確定下一個(gè)采樣周期擾動電壓的方向。

滯環(huán)比較法的思路是在進(jìn)行MPPT時(shí)，以當(dāng)前工作點(diǎn)A為中心，兩邊各取一點(diǎn)B、C構(gòu)成滯環(huán)，從A點(diǎn)出發(fā)，按照擾動方向擾動至B點(diǎn)，再反向2個(gè)步長擾動至C點(diǎn)。A、B、C點(diǎn)對應(yīng)的功率分別為PA、PB、PC。相鄰兩點(diǎn)功率值進(jìn)行比較，每組比較結(jié)果有大于、小于、等于3種情況，若設(shè)PA＞PC時(shí)為“正”，PB≥PA時(shí)為“正”，其他情況為“負(fù)”，所以總共有9種可能情況。其9種情況如圖5所示。

滯環(huán)比較法的原則如下。

原則1若二次擾動功率比較均為正，則電壓按照原來方向擾動。

原則2若二次擾動功率比較均為負(fù)，則電壓按照反方向擾動。

原則3若二次擾動功率比較有正有負(fù)，則電壓值不變，此時(shí)說明在最大功率處或者是外界光照強(qiáng)度發(fā)生突變。

由以上分析可知，當(dāng)電壓到達(dá)MPP處時(shí)，停止擾動，抑制了誤判和振蕩現(xiàn)象，可以看出滯環(huán)比較法是一種較理想的算法，然而定步長的滯環(huán)比較法不能同時(shí)兼顧跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度，所以需要結(jié)合變步長的算法。

由式（2）、式（5）編寫S函數(shù)，用Matlab仿真可得到光伏陣列的d P/d U-U曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，d P/d U曲線的特點(diǎn)為

式中，λ為正數(shù)，即變步長速度因子，用于調(diào)整跟蹤速度。引入后，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，電壓擾動步長較大，當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)時(shí)，電壓擾動步長為零。綜合以上分析，此方法與滯環(huán)比較法相結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)定步長滯環(huán)比較法的缺點(diǎn)。

3.3 基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀察法

為了避免系統(tǒng)啟動時(shí)由于采樣誤差造成的影響，本文采用恒定電壓法CVT（constant voltage method）啟動，將滯環(huán)比較法與變步長擾動觀察法相結(jié)合，來進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，其具體流程如圖7所示。

具體思路如下：

首先采樣開路電壓，采用CVT啟動，檢測當(dāng)前電壓和電流，計(jì)算其功率值，初始化變量f，通過值來確定擾動步長，然后，確定當(dāng)前點(diǎn)兩側(cè)電壓和電流，計(jì)算它們的功率。

每一周期開始時(shí)，令f=0，通過滯環(huán)比較法，來進(jìn)行功率值比較。

當(dāng)PK+1≥PK＞PK-1，令f=2，則下一個(gè)周期電壓參考值為UK+1。

當(dāng)PK+1＜PK≤PK-1，令f=-2，則下一個(gè)周期電壓參考值為UK-1。

其他情況下，令f=0，則下一個(gè)周期電壓參考值為UK。最后，在該周期結(jié)束時(shí)，將f清零，執(zhí)行下一周期命令。

4 光伏電池MPPT仿真環(huán)節(jié)

本文MPPT算法采用基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀察法[11]，光伏電池參數(shù)為UOC=22V、ISC=2.52A、Um=17.3V、Im=2.31A，DC/DC模塊采用BOOST電路，MPPT控制器的輸出經(jīng)過處理得到這一時(shí)刻的占空比，再與三角波比較得到PWM信號，作為開關(guān)管的控制信號。BOOST電路中電感L=25μH，電容C1=680μF，負(fù)載電阻Rl=120Ω，直流電容C=250μF。

系統(tǒng)仿真的時(shí)間設(shè)為0.1 s，使用變步長ode23tb進(jìn)行仿真，把系統(tǒng)的每種步長和絕對誤差設(shè)為auto，相對誤差設(shè)為1×10-3，最后進(jìn)行仿真BOOST-MPPT仿真模型如圖8所示。

環(huán)境溫度為25℃，光照在0.04 s時(shí)從1 000W/m2突變到600W/m2，光伏電池輸出電壓、功率仿真波形如圖9所示。

從圖9中可看出電池輸出電壓在0.02 s前就達(dá)到了穩(wěn)定，體現(xiàn)了CVT啟動的優(yōu)勢，采用滯環(huán)比較變步長法使電壓工作在Um處，在0.04 s時(shí)光照強(qiáng)度突變引起電壓減小，功率也減小?？梢钥闯鲭妷汗ぷ髟诖朔椒ㄏ掠辛己玫膯有阅?，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可快速調(diào)整并跟蹤到MPP。

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的改進(jìn)型擾動觀察法的有效性，在1臺DSP（TMS320F28335）控制的DC/DC變換器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所采用的光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，開路電壓21.6 V，最大功率點(diǎn)電流6.9 A，短路電流8.9 A，最大功率點(diǎn)電壓17.3 V，擾動周期為0.25 s。圖10為傳統(tǒng)擾動觀察法和改進(jìn)型擾動觀察法的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可看到，在光照強(qiáng)度增加的情況下，改進(jìn)型擾動觀察法比傳統(tǒng)擾動觀察法的響應(yīng)時(shí)間減少了8.8 s，僅為1.2 s?？梢钥闯鏊崴惴軠?zhǔn)確地跟蹤到MPP，比傳統(tǒng)擾動觀察法的動態(tài)性能好。

6 結(jié)語

本文首先建立了光伏電池的工程實(shí)用模型，通過得出的仿真曲線深入了解了光伏電池隨溫度和光照強(qiáng)度變化的特性。然后分析了BOOST變換器實(shí)現(xiàn)MPPT原理，提出了一種基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀察法。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，且該方法具有很好的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度，具有較好的實(shí)用性。

[1]趙爭鳴，陳劍，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]周林，武劍，栗秋華，等（Zhou Lin，Wu Jian，LiQiuhua，etal）.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述（Survey ofmaximum power point tracking techniques of photovol?taic array）[J].高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2008，34（6）：1145-1154.

[3]徐曉淳，劉春生，李鋒（Xu Xiaochun，Liu Chunsheng，Li Feng）.光伏系統(tǒng)MPPT的改進(jìn)模糊控制（Improved fuzzy controlon MPPTmethod of solar system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（9）：81-84.

[4]Abdelsalam Ahmed K，Massoud Ahmed M，Ahmed She?hab，et al.High-performance adaptive perturb and ob?serve MPPT technique for photovoltaic-based microgrids [J].IEEETranson Power Electronics，2011，26（4）：1010-1021.

[5]謝明達(dá)，李景天，廖華，等（XieMingda，Li Jingtian，Liao Hua，etal）.基于matlab/simulink的太陽電池模型（solar cellsmodel Based on Matlab/Simulink）[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版（Journal of Yunnan Normal Universi?ty：Natural Science Edition），2014，34（5）：32-35.

[6]陳堂敏（Chen Tangmin）.基于自適應(yīng)電導(dǎo)增量法的最大功率跟蹤（Incrementalmethod based on adaptive conduc?tance of MPPT）[J].電源技術(shù)（Chinese Journal of Power Sources），2013，137（1）：65-68.

[7]劉雅莉（Liu Yali）.基于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤特性研究（Study on Characteristics of Maximum Power Point Tracking Based on Distributed Photovoltaic Power Generation System）[D].昆明：云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院（Kunming：Institute of Physical and Electronic Information，Yunnan NormalUniversity），2014.

[8]劉琳，陶順，鄭建輝，等（Liu Lin，Tao Shun，Zheng Jian?hui，etal）.基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法（Improvedmaximum power point tracking algo?rithm for photovoltaic generation based on combination of hysteresis comparison with optimal gradient）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2012，36（8）：56-61.

[9]劉邦銀，段善旭，劉飛，等（Liu Bangyin，Duan Shanxu，Liu Fei，etal）.基于改進(jìn)擾動觀察法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（Photovoltaic arraymaximum power point track?ing based on improved perturbation and observationmeth?od）[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)（TransactionsofChina Electrotech?nical Society），2009，24（6）：91-94.

[10]黃舒予，牟龍華，石林（Huang Shuyu，Mu Longhua，Shi Lin）.自適應(yīng)變步長MPPT算法（Adaptive variable step size MPPT algorithm）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（Proceedingsof the CSU-EPSA），2011，23（5）：26-30.

[11]Jiang JoeAir，Huang TsongLiang，Hsiao YingTung，et al. Maximum power tracking for photovoltaic power system [J].Tamkang Journal of Science and Engineering，2005，8（2）：147-153.

App lication of Im proved Perturbation and Observation M ethod to Photovoltaic MPPT

RONGDesheng，LIU Feng
（SchoolofElectricaland ControlEngineering，Liaoning TechnicalUniversity，Huludao 125105，China）

In order to solve the problems of traditional perturbation and observationmethod，such as low steady-state accuracy，poor response speed and high possibility ofmisjudgment，an improved variable step perturbation and obser?vationmethod is proposed based on hysteresis comparison.The photovoltaic cells are studied and the principle ofmaxi?mum power point tracking（MPPT）with BOOST converter is discussed.The simulationmodelofMPPT isestablished in Matlab/Simulink，and the feasibility of the proposedmethod is verified.DSP（with chip TMS320F28335）was used in the experiment.The proposedmethod can quickly track themaximum power point，and ithas good starting characteris?tics，which effectively eliminates themisjudgmentand the oscillation in the vicinity ofmaximum power point.

boost converter；hysteresis comparison；variable step perturbation and observationmethod；maximum power point tracking（MPPT）；photovoltaic

TM615

A

1003-8930（2017）03-0104-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.017

榮德生（1975—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣?jié)能型電力電子技術(shù)及應(yīng)用的研究。Email：93847455@qq.com

2015-07-13；

2016-05-30

劉鳳（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥娤到y(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤。Email：345178299@qq.com