基于占空比最優(yōu)尋跡的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法

何權(quán)港，高長偉，，郭京津，王 鑫

(1.遼寧科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧省機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 本溪 117004)

太陽能具有清潔、無污染、儲(chǔ)量大、不受地域限制等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來，隨著光伏系統(tǒng)建設(shè)成本的逐漸降低及能量轉(zhuǎn)換效率的不斷提升，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為清潔能源供能的主要方式之一[1-2]。在部分領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)由補(bǔ)充能源轉(zhuǎn)變?yōu)樘娲茉碵3-4]。然而，在光伏系統(tǒng)的實(shí)際工作過程中，其輸出功率容易受到外界環(huán)境條件的影響[5-7]。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)在外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)仍能保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，有必要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制技術(shù)進(jìn)行深入研究。

目前常見的光伏MPPT控制方法主要可分為3類：第一類方法需要以光伏電池相關(guān)參數(shù)為依據(jù)[8]，主要包括恒定壓法、開路電壓法以及短路電流法等；第二類方法需要不斷對(duì)光伏電池的實(shí)時(shí)輸出進(jìn)行檢測[9-10]，是目前應(yīng)用最為廣泛的一類方法，主要包括擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及極值搜索法等；第三類方法為近年來興起的各種智能算法，這類方法主要以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)[11-12]。第一類方法原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但是這類方法的實(shí)際控制效果易受外界環(huán)境條件的影響。第二類方法需要對(duì)光伏電池的實(shí)時(shí)輸出不斷進(jìn)行檢測，雖然該類方法的實(shí)際控制效果不受外界環(huán)境條件的影響，但是在最大功率點(diǎn)附近會(huì)因參數(shù)限制而導(dǎo)致算法的跟蹤能力下降，并且在光伏電池的輸出功率接近最大功率時(shí)容易產(chǎn)生波動(dòng)。第三類方法跟蹤速度快，在最大功率點(diǎn)附近時(shí)光伏電池輸出功率振蕩小，并且當(dāng)外界環(huán)境條件突變時(shí)可起到避免誤判的作用，但是該類算法基本上都是針對(duì)某種具體的環(huán)境問題而專門設(shè)計(jì)的，其運(yùn)算過程比較復(fù)雜。

針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的MPPT控制方法會(huì)因自身參數(shù)的限制而導(dǎo)致其跟蹤能力下降這一缺陷，本文提出了一種基于占空比最優(yōu)尋跡的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，在光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，運(yùn)用該算法能夠快速準(zhǔn)確地找到光伏電池的最大功率點(diǎn)。與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法相比，本文所提控制方法能有效改善光伏系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提高。

1 光伏電池等效電路與輸出特性

光伏電池可以將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其基本工作原理類似于二極管，當(dāng)受到光線照射時(shí)，光伏電池的輸出電流按指數(shù)規(guī)律隨電壓發(fā)生變化。實(shí)際工作過程中，可以將光伏電池看成恒流源，其等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

圖1中，并聯(lián)等效電阻RP與串聯(lián)等效電阻Rs用來表示內(nèi)部損耗，電容C為結(jié)電容，Iph表示光生電流，Id為流過二極管的電流，I與U分別為光伏電池的輸出電流和輸出電壓。當(dāng)外界溫度恒定，光照強(qiáng)度不同時(shí)，光伏電池的功率輸出特性如圖2所示。

由圖2可得如下結(jié)論：

a.太陽能光伏電池的P-U特性呈現(xiàn)出明顯的非線性；

b.光伏電池輸出電壓逐漸升高時(shí)，其輸出功率呈現(xiàn)出先上升后下降的變化過程，該現(xiàn)象表明，在實(shí)際工作過程中，光伏電池具有某個(gè)輸出電壓值，在該值附近光伏電池的輸出功率達(dá)到其最大值。

圖2 光照強(qiáng)度不同時(shí)光伏電池的P-U特性

2 經(jīng)典擾動(dòng)觀察法基本原理

擾動(dòng)觀察法簡單易行，是實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制方法，其基本原理如圖3所示。

圖3 擾動(dòng)觀察法基本原理

設(shè)初始時(shí)刻光伏電池的輸出功率為P1，下一時(shí)刻為光伏電池的輸出電壓設(shè)置一個(gè)增量，此時(shí)，光伏電池的輸出功率變成P2，由圖3可得P2>P1，這種現(xiàn)象表明當(dāng)電壓升高時(shí)光伏電池輸出功率增大，要獲得最大輸出功率則應(yīng)進(jìn)一步升高輸出電壓。當(dāng)光伏電池輸出功率為P4時(shí)，繼續(xù)升高輸出電壓，則光伏電池輸出功率變成P5，而P5

3 占空比最優(yōu)尋跡的光伏MPPT控制

為了克服擾動(dòng)觀察法上述缺陷，本文提出了一種基于占空比最優(yōu)尋跡的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法，結(jié)合圖4對(duì)所提控制策略的基本原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。如圖4所示，橫坐標(biāo)為光伏DC/DC變換電路占空比，縱坐標(biāo)為光伏電池輸出功率。

圖4 占空比最優(yōu)尋跡方法基本原理

由圖4可見，如果光伏電池工作點(diǎn)位于特性曲線的上升段，則必然使得P(D2)P(D3)，說明最大功率點(diǎn)位于D3左側(cè)(即位于[D1,D3]區(qū)間范圍內(nèi))。由上述分析可見，只要對(duì)P(D2)與P(D3)的大小進(jìn)行比較就可以縮小光伏電池最大功率點(diǎn)的搜索區(qū)間范圍。當(dāng)算法進(jìn)行下一輪搜索迭代時(shí)，只需在縮小搜索區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)置新的點(diǎn)就可以更進(jìn)一步縮小實(shí)時(shí)搜索區(qū)間。在經(jīng)歷了若干次迭代之后，搜索區(qū)間最終被縮小到系統(tǒng)所允許的誤差范圍之內(nèi)，最后一次插入的點(diǎn)即可作為光伏電池的最大功率點(diǎn)。為了使算法具有良好的尋優(yōu)速度，對(duì)于新插入的估值點(diǎn)D3的選取應(yīng)該使得[D1,D3]與[D2,D4]的區(qū)間長度相等，即：

A+B=B+C

(1)

在滿足式(1)后，三點(diǎn)之間迭代區(qū)間長度比例相同，從而保證在每一輪的迭代中最優(yōu)解的搜索區(qū)間都以理想的速度收斂。如圖4所示，首輪迭代區(qū)間[D1,D4]與次輪迭代區(qū)間[D1,D3]、[D2,D4]擁有同樣的區(qū)間間隔比例：

A/B=C/B=(B+C)/A=K

(2)

由式(1)、式(2)可得：

(3)

K為尋優(yōu)比例，因此占空比最優(yōu)尋跡法的收斂系數(shù)可進(jìn)一步表示為式(4)(n為迭代次數(shù))：

λ=Kn

(4)

如果最大功率點(diǎn)的搜索區(qū)間為[DⅠ,DⅡ]，則實(shí)際的迭代長度可表示為DⅡ-DⅠ。假如占空比DL從收索空間下限開始迭代，與其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出功率表示為PL，占空比DH從搜索空間上限開始迭代，與其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出功率表示為PH，則迭代變量的運(yùn)算公式如式(5)、式(6)所示。

DL=DⅠ+ 0.382(DⅡ-DⅠ)

(5)

DH=DⅠ+ 0.618(DⅡ-DⅠ)

(6)

分別用DL、DH驅(qū)動(dòng)光伏系統(tǒng)DC/DC環(huán)節(jié)中的相關(guān)電力電子開關(guān)器件，然后經(jīng)信號(hào)采樣電路采集光伏電池的輸出電壓與輸出電流，利用采集到的電壓和電流就可以計(jì)算出太陽能光伏電池陣列實(shí)時(shí)輸出功率PL、PH。比較PL與PH大小，根據(jù)比較結(jié)果可以判斷出此時(shí)光伏電池最大功率點(diǎn)究竟位于哪個(gè)區(qū)間段內(nèi)。如果PL>PH，則說明最大功率點(diǎn)必然位于[DⅠ,DH]區(qū)間段內(nèi)。如果PL

圖5 占空比最優(yōu)尋跡法流程

采用占空比最優(yōu)尋跡法進(jìn)行光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)，每次迭代后占空比搜索區(qū)間將減小為上一輪迭代時(shí)的0.618倍，可見算法的收斂速度很快。由于在迭代過程中采用了兩個(gè)占空比，并且對(duì)其不停地進(jìn)行調(diào)整，所以當(dāng)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)越靠近光伏電池的最大功率點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)占空比DⅠ、DⅡ就越接近，這也就意味著越接近最大功率點(diǎn)占空比的調(diào)整幅度也相應(yīng)越來越小，從而可以起到抑制輸出功率波動(dòng)的效果，降低光伏電池在最大功率點(diǎn)附近的功率損耗。

4 試驗(yàn)結(jié)果

搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本文所提出光伏電池MPPT控制策略在實(shí)際運(yùn)行工況下的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)平臺(tái)主要包括太陽能光伏電池板、DC/DC變換電路、控制器及功率可調(diào)負(fù)載等。光伏電池的參數(shù)為最大功率250 W、最大功率點(diǎn)電壓29.5 V、最大功率點(diǎn)電流8.47 A、開路電壓37 V、短路電流8.78 A。

圖6為運(yùn)用本文所提出的占空比最優(yōu)尋跡法與擾動(dòng)觀察法所獲得的光伏電池在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)輸出電流與輸出功率的變化情況。由圖6所示試驗(yàn)結(jié)果可見，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)用本文所提出的占空比最優(yōu)尋跡法所獲得的光伏電池輸出電流以及輸出功率在經(jīng)過較短時(shí)間過渡過程后迅速趨于穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)效果及工作穩(wěn)定性均明顯優(yōu)于擾動(dòng)觀察法。

(a)光伏電池輸出電流

(b)光伏電池輸出功率圖6 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了基于占空比最優(yōu)尋跡法的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，與擾動(dòng)觀察法相比，該控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與穩(wěn)態(tài)工作性能，能夠有效降低光伏電池在其最大功率點(diǎn)附近因輸出功率波動(dòng)而引起的功率損耗，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。