基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法

朱建波，張正江，朱志亮，吳 平

(溫州大學(xué) 電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325035)

基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法

朱建波，張正江，朱志亮，吳 平

(溫州大學(xué) 電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325035)

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)是提高光伏發(fā)電效率的重要途徑之一；擾動(dòng)觀測(cè)法是MPPT控制中最常用的方法，針對(duì)其無(wú)法兼顧跟蹤速度與最大功率點(diǎn)跟蹤過程的震蕩問題，提出了一種基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法，該方法針對(duì)占空比采用基于PI調(diào)節(jié)的自適應(yīng)策略；通過Simulink建模仿真，與其他方法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示了該方法可顯著地提高了最大功率點(diǎn)跟蹤的速度與精度。

光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；擾動(dòng)觀測(cè)法；占空比

0 引言

隨著化石燃料的日漸枯竭和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，新能源的開發(fā)利用已成普遍趨勢(shì)，而太陽(yáng)能作為綠色環(huán)?？稍偕茉?，受到了世界各國(guó)的高度重視。2015 年，全球光伏新增裝機(jī)容量超過50 GW，同比增長(zhǎng)16.3%，累計(jì)裝機(jī)容量超過230 GW[1]。但是目前光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率低且投入產(chǎn)出比不平衡，故研究一種高效穩(wěn)定的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)是必需的。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究出了多種MPPT控制算法，如恒定電壓法、增量電導(dǎo)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、擾動(dòng)觀測(cè)法等[2-6]。對(duì)于恒定電壓法，戴志威等人采用二元線性函數(shù)的模型[7]，但由于該控制策略是基于最大功率點(diǎn)電壓和開路電壓是近似的線性關(guān)系，存在一定的誤差。而Shah提出的增量電導(dǎo)法[8]，其對(duì)測(cè)量傳感器精度要求很高，計(jì)算量大速度慢，在天氣變化頻繁時(shí)，跟蹤時(shí)間很長(zhǎng)，甚至?xí)霈F(xiàn)達(dá)不到最大功率點(diǎn)的情況。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展，Elobaid等人建立了雙ANN模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的良好跟蹤[9]，但是其訓(xùn)練的數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)量，數(shù)據(jù)含有測(cè)量誤差。擾動(dòng)觀測(cè)法適應(yīng)復(fù)雜天氣環(huán)境且易實(shí)現(xiàn)，目前得到了普遍的應(yīng)用，但是由于其步長(zhǎng)固定，無(wú)法兼顧跟蹤速度和在最大功率點(diǎn)處的振蕩幅度。徐鋒將模糊控制與變步長(zhǎng)的方法相結(jié)合[10]，對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)法進(jìn)行了優(yōu)化，但是其隸屬度規(guī)則復(fù)雜，在照度變化時(shí)的跟蹤速度也不理想。呂川等人則采取了部分步長(zhǎng)自適應(yīng)的方法[11]，然而在跟蹤時(shí)間上仍可有效提升。針對(duì)上述情況，本文提出了一種基于PI調(diào)節(jié)的高效快速算法，并通過Simulink建模分析，與其他方法對(duì)比，結(jié)果顯示了該方法的有效性與可靠性。

1 光伏建模

1.1 光伏電池的等效模型

光伏電池一般由串聯(lián)和并聯(lián)形成光伏陣列，通過光—電能量的轉(zhuǎn)換，并網(wǎng)或離網(wǎng)進(jìn)行供電。其系統(tǒng)模型可以用一個(gè)電流源和一個(gè)二極管并聯(lián)組成的物理等效電路模型表示，如圖1所示。

輸出電流為I，輸出電壓為V，可得到其簡(jiǎn)化關(guān)系式為：

(1)

其中Isc是光生電流(A)；Id是是流過二極管的電流(A)；Io是反向飽和電流(暗電流)(A)；Rs是串聯(lián)電阻(Ω)；Rsh是并聯(lián)電阻(Ω)；q是電子電荷(1.6×10-9C)；k是波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T是光伏絕對(duì)溫度(273+實(shí)際攝氏溫度)；n是二極管品質(zhì)因子。

圖1 光伏電池等效模型

1.2 Simulink仿真模型

為了更好地研究光照強(qiáng)度和外界溫度等條件變化對(duì)光伏陣列的輸出功率的作用，在公式(1)的基礎(chǔ)上建立了如圖2所示的以Boost升壓電路為主電路的光伏系統(tǒng)Simulink仿真模型。Subsystem1為光伏陣列模型的封裝，而本文的優(yōu)化算法封裝在MPPT模型中。

圖2 光伏系統(tǒng)Simulink仿真模型

1.3 光伏發(fā)電特性曲線

從公式(1)可發(fā)現(xiàn)，其輸出特性曲線受外界溫度和光照強(qiáng)度影響。

故在1.2的仿真模型的條件下，模擬光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，不同光伏溫度下時(shí)以及模擬光伏溫度為25 ℃，不同光照強(qiáng)度下時(shí)，輸出電壓與輸出電流關(guān)系的U-I曲線和輸出功率與輸出電壓關(guān)系的P-V曲線。分別如圖3和圖4所示。

由圖3、圖4可見，光伏陣列最大輸出功率隨溫度上升而下降，隨光照強(qiáng)度上升而上升。

圖3 不同光伏溫度下U-I及P-V關(guān)系曲線

圖4 不同光照強(qiáng)度下U-I及P-V關(guān)系曲線

2 基于擾動(dòng)觀測(cè)法的MPPT算法

2.1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法，采取的是固定擾動(dòng)步長(zhǎng)，即通過對(duì)輸出電壓加一個(gè)正的或負(fù)的擾動(dòng)±Δ，然后根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻功率與上一時(shí)刻功率的大小，來繼續(xù)確定擾動(dòng)方向?？梢钥闯鲇捎跀_動(dòng)的存在，在最大功率點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)振蕩，同時(shí)步長(zhǎng)的大小將直接影響最大功率點(diǎn)的振幅和跟蹤速度。當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)，跟蹤速度雖然快，但是在最大功率點(diǎn)附近振蕩也隨之加大；而步長(zhǎng)較小時(shí)，雖然最大功率點(diǎn)附近振蕩變小，但是跟蹤速度會(huì)顯著下降。

2.2 變步長(zhǎng)法

為了優(yōu)化傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法的跟蹤時(shí)間，有專家提出變步長(zhǎng)的方法，即在最大功率點(diǎn)跟蹤的初期采用固定的較大步長(zhǎng)，而在最大功率點(diǎn)附近則采用固定的較小步長(zhǎng)。相比較傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法，該方法前期的較長(zhǎng)步長(zhǎng)使跟蹤時(shí)間變短，后期較小步長(zhǎng)使最大功率點(diǎn)的振蕩幅度也有所減小。但這種方法，前期步長(zhǎng)仍是半固定的，不能全部自適應(yīng)，有待優(yōu)化。

2.3 基于PI調(diào)節(jié)占空比的方法

雖然上述的變步長(zhǎng)擾動(dòng)法，已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行優(yōu)化，但是跟蹤前期的步長(zhǎng)其實(shí)還是固定的，不能夠隨動(dòng)，故本文提出了更加優(yōu)化的自適應(yīng)變步長(zhǎng)法，相對(duì)于半固定的變步長(zhǎng)法，該方法跟蹤速度更快，最大功率點(diǎn)輸出更穩(wěn)定。該算法具體流程圖如圖5所示。

圖5 基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法流程圖

首先初始化給予系統(tǒng)擾動(dòng)ΔD，然后測(cè)量第k時(shí)刻電流電壓，計(jì)算出功率Pk，與k-1時(shí)刻功率Pk-1比較。當(dāng)Pk>Pk-1時(shí)，根據(jù)圖5可知，由于前期功率變化較大，故前期占空比變化也應(yīng)變大以獲得更大的跟蹤速度，而在后期為使振幅減小占空比調(diào)整應(yīng)該盡可能小，所以優(yōu)化算法的占空比將采取基于PI調(diào)節(jié)自適應(yīng)變化，具體值取決于當(dāng)前輸出功率和上一時(shí)刻的輸出功率，自適應(yīng)占空比變化值ΔD=kp×|Pk-Pk-1|+ki×Pk，這樣就可以使前期變化率大的時(shí)候占空比變化ΔD也相應(yīng)變大，同時(shí)為避免占空比調(diào)整過大造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，還需判斷ΔD是否大于閾值上限ε，若大于則ΔD就取上限值ε。在接近最大功率點(diǎn)時(shí)，ΔD趨于0，以減小在最大功率點(diǎn)處的振蕩。而后再判斷Uk和Uk-1的大小，若Uk>Uk-1，則最后輸出占空比Dk=Dk-1+ΔD，否則輸出占空比Dk=Dk-1-ΔD；而當(dāng)Pk

其中kp、ki為PI調(diào)節(jié)的整定值，kp為比例調(diào)節(jié)，可以加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，但是過大的比例會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，ki為積分調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是會(huì)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，故本文經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)兼顧多項(xiàng)指標(biāo)最終分別取0.01和0.0001；ζ為跟蹤后期的占空比變化的固定值，本文取0.0001；ε為自適應(yīng)占空比變化的最大閾值，本文取0.004；Uk、Ik為當(dāng)前電壓、電流值。

3 基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法與常規(guī)方法的對(duì)比分析

為了驗(yàn)證方法的可靠性，本文將從各種環(huán)境下的系統(tǒng)跟蹤時(shí)間和最大功率點(diǎn)處振幅來對(duì)比分析3種擾動(dòng)法。Method.1為固定步長(zhǎng)的傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法，取適中步長(zhǎng)0.001；Method.2為半固定的變步長(zhǎng)擾動(dòng)法，取前期步長(zhǎng)0.001，后期步長(zhǎng)0.0001；Method.3為基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法，kp、ki分別取0.01和0.0001。表格中的測(cè)試數(shù)據(jù)采集樣本點(diǎn)為10 000個(gè)，測(cè)試量振幅為在最大功率點(diǎn)振蕩的范圍，標(biāo)準(zhǔn)差為最大功率點(diǎn)振蕩的標(biāo)準(zhǔn)差，平均值為最大功率點(diǎn)振蕩的功率平均值。

3.1 相同溫度和照度情況下的跟蹤過程

通過Simulink仿真溫度為25 ℃，照度為1 000 W/m2情況下得到的時(shí)間圖對(duì)比各方法的跟蹤過程。如下圖6，依次為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法、變步長(zhǎng)擾動(dòng)法、基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法。

圖6 不同方法跟蹤過程對(duì)比

由圖6可知，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法的跟蹤速度最慢，變步長(zhǎng)法速度較快，而本文MPPT方法不僅時(shí)間更短而且跟蹤過程更加平緩。

跟蹤時(shí)間項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合評(píng)測(cè)優(yōu)劣：Method.3 > Method.2 > Method.1。

3.2 相同溫度和照度情況下的輸出功率

輸出功率項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比以溫度0、25、50，照度500、1 000相互組合模擬出共6種外界環(huán)境下，3種方法的數(shù)據(jù)對(duì)比。見表1和表2。

表1 500 W/m2時(shí)功率對(duì)比

表2 1000 W/m2時(shí)功率對(duì)比

從上述表格中可以看出，本文MPPT方法在各組環(huán)境下平均輸出功率都是最高，振幅也較小。且當(dāng)溫度越低，光照越弱的情況下，該方法在輸出功率這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的更加明顯。

輸出功率項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合評(píng)測(cè)結(jié)果：Method.3 > Method.1 > Method.2。

3.3 照度平緩變化情況下的數(shù)據(jù)對(duì)比

本項(xiàng)測(cè)試模擬的是天氣相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的情況。在溫度為25 ℃，照度500到700再到600平緩變化時(shí)的仿真如圖7所示。表3為其跟蹤時(shí)間的數(shù)據(jù)。

表3 平緩天氣下的跟蹤時(shí)間

圖7 平緩天氣下的對(duì)比圖

從圖7和數(shù)據(jù)表3中總體來看，在照度平緩變化情況下，3種方法效果相差不大。Method.1在最大功率點(diǎn)處振動(dòng)稍大，Method.2在環(huán)境變化時(shí)跟蹤時(shí)間稍長(zhǎng)，Method.3效果稍好。故綜合評(píng)測(cè)結(jié)果：Method.3 > Method.2 = Method.1。

3.4 照度急劇變化情況下的數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)際應(yīng)用中，光照度并不會(huì)一直很平緩，如云層突然遮住陽(yáng)光等情況。故本項(xiàng)測(cè)試就模擬的是天氣惡劣時(shí)的情況。仿真在溫度為25 ℃，照度劇烈變化，依次為400到1500再到200的情況下進(jìn)行，如圖8所示。表4為跟蹤時(shí)間數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。

表4 惡劣天氣下的跟蹤時(shí)間

圖8 惡劣天氣下的對(duì)比圖

從對(duì)比圖和數(shù)據(jù)表中可以明顯看見，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法在各情況下跟蹤時(shí)間都最長(zhǎng)，半固定變步長(zhǎng)在高光照時(shí)最大功率點(diǎn)處振幅較大，而變化變步長(zhǎng)擾動(dòng)法在兩者之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，跟蹤時(shí)間短，最大功率點(diǎn)處振幅小，且在低光照時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯。故綜合評(píng)測(cè)結(jié)果：Method.3 > Method.2 > Method.1。

4 總結(jié)

為了進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換率，本文提出了基于PI調(diào)節(jié)占空比的自適應(yīng)MPPT方法，并通過Simulink建模仿真，與其他方法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明基于PI調(diào)節(jié)的占空比自適應(yīng)MPPT方法相比較傳統(tǒng)擾動(dòng)法和其他變步長(zhǎng)法，具有更短的跟蹤時(shí)間、在最大功率點(diǎn)更小的振幅、更大的平均輸出功率，在各方面數(shù)據(jù)都占據(jù)優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的也就提高了光伏電池的輸出效率。由此可以看出該方法對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行了優(yōu)化，且效果明顯，適應(yīng)惡劣環(huán)境，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 包婧文. 光伏產(chǎn)業(yè):回顧2015 展望2016[J]. 太陽(yáng)能, 2016(2):79-80.

[2] Mutoh N, Inoue T. A Control Method to Charge Series-Connected Ultraelectric Double-Layer Capacitors Suitable for Photovoltaic Generation Systems Combining MPPT Control Method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(1):374-383.

[3] Mutoh N, Ohno M, Inoue T. A Method for MPPT Control While Searching for Parameters Corresponding to Weather Conditions for PV Generation Systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(4):1055-1065.

[4] Dorofte C, Borup U, Blaabjerg F. A combined two-method MPPT control scheme for grid-connected photovoltaic systems[A]. European Conference on Power Electronics and Applications[C]. 2005:10.

[5] Altas I H, Sharaf A M. A novel maximum power fuzzy logic controller for photovoltaic solar energy systems[J]. Renewable Energy, 2008, 33(3):388-399.

[6] Kottas T L, Boutalis Y S, Karlis A D. New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(3):793-803.

[7] 戴志威, 舒 杰, 吳昌宏. 基于環(huán)境參數(shù)模型的定電壓MPPT控制算法研究[J]. 電力電子技術(shù), 2015, 49(5):61-63.

[8] Shah K B, Joshi L P. Comparative analysis of incremental conductance base MPPT for multi-string photovoltaic system[A]. Nirma University International Conference on Engineering[C]. 2013:1-6.

[9] Elobaid L M, Abdelsalam A K, Zakzouk E E. Artificial neural network based maximum power point tracking technique for PV systems[A]. IECON 2012-, Conference on IEEE Industrial Electronics Society[C]. IEEE, 2012:937-942.

[10] 徐 鋒. 基于模糊控制和功率預(yù)測(cè)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(2):414-416.

[11] 呂 川, 王 斌, 張良力,等. 基于交錯(cuò)Buck變換器的光伏系統(tǒng)MPPT控制[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(12):3964-3966.

An Adaptive MPPT Method Based on PI Strategy for Adjusting Duty Ratio

Zhu Jianbo, Zhang Zhengjiang, Zhu Zhiliang, Wu Ping

(National-Local Joint Engineering Laboratory of Electrical Digital Design Technology,Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)

The maximum power point tracking (MPPT)technology is one of the important strategies to improve the efficiency of photovoltaic power generation. Perturbation and observation method is one of the most commonly used MPPT control algorithms. However, it has the problems of low tracking speed and the vibration at the maximum power point. To solve those problems, an adaptive MPPT method based on PI strategy for adjusting duty ratio is proposed, which uses PI strategy to adaptively adjust the duty ratio for fast achieving accurate maximum power point. Compared with other methods through Simulink simulation, the results demonstrate that the proposed method can significantly improve the tracking speed and the accuracy of the maximum power point.

photovoltaic power generation, MPPT, perturbation and observation method, duty ratio

2016-11-28；

2017-02-06。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207112)；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015C31157; 2014C31074; 2014C31093)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃(2015R426059)。

朱建波(1996-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)方向的研究。

張正江(1982-)，男，江西樂平人，講師，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與控制方向的研究。

1671-4598(2017)07-0194-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.048

TP216

A