基于滯環(huán)比較的擾動(dòng)觀測法在光伏MPPT中的研究

代相波，趙志剛

(沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)是指通過一定技術(shù)手段，使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point,MPP)附近[1-4]，以實(shí)現(xiàn)最高效的能源利用。當(dāng)前，利用較為廣泛的MPPT技術(shù)為擾動(dòng)觀測法[5]，該方法被控參數(shù)少、算法簡單，但實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)已處于MPP處，其仍會(huì)變工作點(diǎn)進(jìn)行下一步跟蹤判斷，易發(fā)生誤判。因此，提出一種基于滯環(huán)比較的變步長擾動(dòng)觀測法，利用恒定電壓法CVT(Constant Voltage Tracking)[6]使得啟動(dòng)迅速，通過滯環(huán)比較法[7]判斷跟蹤方向，通過功率預(yù)測法決定跟蹤步長。

1 光伏電池輸出特性

1.1 光伏電池模型

光伏電池的基本原理是光生伏特效應(yīng)，P-N結(jié)是其工作核心。理想光伏電池由光生電流源和一個(gè)并聯(lián)二極管得到，考慮到實(shí)際內(nèi)部損耗，可通過在理想模型中增加串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻來模擬，如圖1[8]所示。

圖1 光伏電池等效電路

由該模型給出的光伏電池伏安特性為

(1)

式中，U為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；Iph為光生電流源；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，取1.602×10-19C；k為玻爾茲曼常量，為1.381×1023J/K；T為光伏電池工作絕對溫度值；A為二極管特性擬合系數(shù)，取值在1～2之間，在大電流時(shí)取值靠近1，小電流時(shí)取值靠近2，一般取為1.3。

文獻(xiàn)[9]提出了一種適合工程應(yīng)用的仿真模型，僅需要開路電壓、最大功率點(diǎn)電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流等參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。其輸出伏安特性可表示為

(2)

在實(shí)踐應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(S=1 000 W/m2、T=25 ℃)，UOC、Um、Isc、Im等參數(shù)在太陽板的出廠參數(shù)中均已標(biāo)記，對于同一型號產(chǎn)品為常數(shù)，故C1和C2亦為常數(shù)。

當(dāng)光照強(qiáng)度或環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，需要調(diào)整新條件下的 4 個(gè)參數(shù)， 即Isc-new、Im-new、Uoc-new、Um-new[3]，從而計(jì)算出當(dāng)前條件下的C1-new、C2-new，具體表示如下：

(3)

單晶硅光伏電池中，a、b、c的典型取值分別為a=0.002 5/℃，b=0.5，c=0.002 88/℃。

結(jié)合上述光伏電池工程實(shí)踐應(yīng)用模型，在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型，如圖2所示。參數(shù)設(shè)置參考型號為CRM250S156P-60(T)的光伏電池，Pm=250 W、Isc=8.56 A、Im=8.06 A、Uoc=37.8 V、Um=31.0 V，a、b、c均取典型值。

圖2 光伏電池仿真模型

1.2 光伏電池輸出特性曲線

同一負(fù)載條件下光伏電池的輸出特性主要受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響[10]，圖3、圖4給出了PV仿真模型在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化時(shí)的P-U曲線。

由圖3和圖4可以看出，在恒定光照強(qiáng)度下，隨著環(huán)境溫度的升高，Isc增大，而UOC卻不斷降低，Pm逐漸下降，Im緩慢增大，Um緩慢降低；在恒定環(huán)境溫度下，隨著光照強(qiáng)度的增大，Isc、UOC均增大，Pm逐漸增大，Im、Um也增大。

圖3 溫度對P-U曲線的影響

圖4 光照強(qiáng)度對P-U曲線的影響

綜合上述，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的光伏電池模型可以較好的反應(yīng)光伏特性，并可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀況下Isc、UOC、Im、Um等參數(shù)，模擬任意光照及環(huán)境溫度下的輸出情況，物理意義明確，有較高的通用性。

2 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法原理分析

擾動(dòng)觀測法是MPPT領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。其基本工作原理是周期性地對光伏電池輸出電壓施加擾動(dòng)，然后通過計(jì)算P=I×U來觀測輸出功率的變化方向。如輸出功率增加，則繼續(xù)在輸出電壓該方向上施加擾動(dòng)，反之則反向施加。擾動(dòng)觀測法的算法流程如圖5所示。其中，Uk、Ik為光伏電池當(dāng)前的電壓電流值，Uk-1、Ik-1為上一步光伏陣列的電壓及電流值，U*為整流器(實(shí)用BOOST電路)電壓控制信號參考值。

圖6為擾動(dòng)觀察法誤判示意圖。通過圖6分析可知，采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT，當(dāng)光伏電池工作在Ua點(diǎn)時(shí)，此時(shí)輸出功率為Pa，如果施加正方向的擾動(dòng)，當(dāng)外界條件無變化時(shí)，輸出功率為Pb，系統(tǒng)向Pm方向逐漸增大；但如果此時(shí)光照強(qiáng)度降低，則系統(tǒng)輸出功率降至Pc處，則在Ub點(diǎn)對應(yīng)輸出功率Pc

圖5 擾動(dòng)算法流程

3 基于滯環(huán)比較的變步長擾動(dòng)觀測法

3.1 基于功率預(yù)測的變步長擾動(dòng)觀測法

圖7為光伏板P-U曲線切線圖，dP/dU曲線有如下特點(diǎn)：

圖6 擾動(dòng)觀察法誤判

(4)

(5)

圖7 光伏點(diǎn)P-U曲線切線

3.2 滯環(huán)比較法原理

滯環(huán)比較法[11]是設(shè)當(dāng)前工作點(diǎn)為A點(diǎn)，并以該點(diǎn)為中心，于該點(diǎn)兩側(cè)等距離處各取一點(diǎn)B和C構(gòu)成滯環(huán)。以A點(diǎn)為初始值，依據(jù)擾動(dòng)方向擾動(dòng)至B點(diǎn)，再反向兩個(gè)步長擾動(dòng)至C點(diǎn)。比較A、B、C三點(diǎn)處功率PA、PB、PC，記PA>PC為“+”，PB≥PA為“+”，其余情況均為“-”，則共有9種情況，如圖8所示。

圖8 滯環(huán)比較法A、B、C三點(diǎn)功率關(guān)系

比較圖8中的PA、PB、PC，可以得出電壓擾動(dòng)的3種規(guī)則：

規(guī)則1：兩次擾動(dòng)功率比較均為“+”，電壓值擾動(dòng)方向不變；

規(guī)則2：兩次擾動(dòng)功率均為“-”，電壓值向相反方向擾動(dòng)；

規(guī)則3：兩次擾動(dòng)功率比較有“+”有“-”，電壓值維持不變。

分析上述3種規(guī)則可以看出，滯環(huán)比較法是通過雙向擾動(dòng)來確認(rèn)擾動(dòng)方向，電壓到達(dá)MPP處即停止擾動(dòng)，避免了誤判現(xiàn)象的發(fā)生。如果將該方法與基于功率預(yù)測的變步長擾動(dòng)法結(jié)合，則可以同時(shí)提高跟蹤速度與精度，并較好的避免誤判，抑制MPP處的功率振蕩。

3.3 基于滯環(huán)比較的變步長擾動(dòng)觀測法

分析上述2種算法，結(jié)合功率預(yù)測與滯環(huán)比較2種方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型擾動(dòng)觀測法，具體流程如圖9所示。

圖9 基于滯環(huán)比較的變步長擾動(dòng)觀測法

采用恒定電壓CVT(Constant Voltage Tracking)啟動(dòng)，由CVT可知MPP處的電壓約為0.76UOC[12]，令UA=0.8UOC，采樣UA、IA，通過施加擾動(dòng)計(jì)算UB、UC、IB、IC，并計(jì)算功率。根據(jù)圖9所示滯環(huán)比較法A、B、C功率關(guān)系，計(jì)算標(biāo)志位f的結(jié)果， 根據(jù)f值判斷下一步的擾動(dòng)方向，并根據(jù)當(dāng)前值改進(jìn)擾動(dòng)量的大小。

Matlab/Simulink仿真環(huán)境搭建如圖10所示。仿真時(shí)間為0.12 s，使用變步長ode23t進(jìn)行仿真，相對誤差設(shè)置為1×10-4，其余均設(shè)置為auto。

起始外界環(huán)境為T=25 ℃、S=1 000 W/m2，光照強(qiáng)度在0.04 s時(shí)突變到S=800 W/m2，溫度在0.08 s時(shí)突變到T=50 ℃，如圖11、12所示。電池在輸出電壓為0.02 s時(shí)就可以達(dá)到穩(wěn)定，CVT啟動(dòng)的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)仍能夠在0.02 s內(nèi)跟蹤到最大功率點(diǎn)處。

圖13、14為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法的仿真效果，通過對比可以看出，基于滯環(huán)比較的變步長擾動(dòng)觀測法跟蹤速度大幅提升，由0.15 s提升到不到0.02 s，且在MPP處振幅減小。

圖10 新型擾動(dòng)觀測法Matlab/Simulink仿真

圖11 改進(jìn)方法電壓輸出

圖12 改進(jìn)方法功率輸出

圖13 傳統(tǒng)方法電壓輸出

圖14 傳統(tǒng)方法功率輸出

4 結(jié) 論

1)分析了光伏電池的特性，并建立了光伏電池實(shí)用仿真模型，通過Matlab/Simulink仿真得出了光伏電池在光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度變化下的輸出特性變化規(guī)律。

2)分析了擾動(dòng)觀測法工作原理，提出了一種基于滯環(huán)比較的新型擾動(dòng)觀測法，通過Matlab/Simulink仿真表明了該方法相對于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法啟動(dòng)速度快，在外界光照強(qiáng)度及環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)均能夠迅速跟蹤，且MPP處震蕩幅度小，改善了光伏MPPT跟蹤速度與跟蹤精度之間的矛盾，證明了該算法的可行性。

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