基于功率預(yù)測的變步長擾動觀察法MPPT控制策略研究

，

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 電子信息與智能系統(tǒng)研究所，杭州 310023)

0 引言

當(dāng)下，傳統(tǒng)能源匱乏問題越來越受到關(guān)注，開發(fā)綠色新能源迫在眉睫，其中，太陽能是可再生能源重要的組成部分[1-2]。為了最大限度地開發(fā)太陽能，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)必不可少。針對目前MPPT控制技術(shù)的研究，很多專家開發(fā)出了一些優(yōu)越的控制算法，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中所研究的改進(jìn)型擾動觀察法解決了傳統(tǒng)定步長擾動觀察法存在的步長選擇困難問題，很好的兼顧了動態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)定精度；文獻(xiàn)[5]采用了模糊控制結(jié)合擾動觀察法的復(fù)合MPPT控制策略，有效地增強(qiáng)了光伏系統(tǒng)的跟蹤速度和魯棒性。文獻(xiàn)[6]提出了一種自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法，此算法可以根據(jù)外界環(huán)境的變化實(shí)時調(diào)整擾動步長，解決了傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法存在的誤判問題。文獻(xiàn)[7]中提出了新型三點(diǎn)式擾動觀察法，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)迅速，穩(wěn)態(tài)精度高的目的。文獻(xiàn)[8]研究了一種基于滯環(huán)控制的改進(jìn)型擾動觀察法不但啟動特性好、穩(wěn)態(tài)震蕩小，而且可以防止“誤判”。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于外推追趕迭代法MPPT控制策略，有效克服了傳統(tǒng)擾動觀察法的缺點(diǎn)。另外，文獻(xiàn)[10-12]還分別提出了粒子群算法、滑模算法和Fibonacci數(shù)列算法，智能化程度較高，均取得不錯的控制效果，但在硬件中不易實(shí)現(xiàn)；針對上述的問題，本文提出了一種基于功率預(yù)測的變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制算法，此算法不但能解決誤判問題，而且具備較快的跟蹤速度和較高的穩(wěn)態(tài)精度。

1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及其輸出特性

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池實(shí)質(zhì)是由若干P-N結(jié)組成[13]，光伏電池既不是恒流源也不是恒壓源，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，其輸出的P(輸出功率)、U(輸出電壓)和I(輸出電流)均會發(fā)生相應(yīng)變化，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路模型

(1)

其中:Uoc(開路電壓)、Isc(短路電流)、Im(最大功率對應(yīng)電流)和Um(最大功率點(diǎn)對應(yīng)電壓)。且Uoc、Isc、Im和Um這4個參數(shù)是在S=1 000 W/m2，T=25 ℃條件下給出的，此模型在Simulink平臺也易實(shí)現(xiàn)?？蓪?1)式進(jìn)一步簡化為：

(2)

(3)

(4)

1.2 光伏電池輸出特性

外界環(huán)境發(fā)生變化時，其輸出特性如圖2所示。由圖2可以看出，光伏電池輸出P-U曲線為非線性，且每條曲線存在一個特定電壓對應(yīng)曲線的最大值(峰值)，此峰值對應(yīng)特定電壓為Um，當(dāng)光照強(qiáng)度(S)逐漸變強(qiáng)時，輸出功率也隨著變大；當(dāng)溫度(T)逐漸升高時，輸出功率逐漸減小。當(dāng)外界環(huán)境變化時，光伏電池不可能時時刻刻都工作在最大功率狀態(tài)，因此會造成能量損失，降低整個光伏系統(tǒng)的效率，為了讓光伏電池實(shí)際工作點(diǎn)始終工作在最大功率點(diǎn)處，這里就需要借助于MPPT技術(shù)。這里基于Boost升壓電路作為主電路，通過調(diào)節(jié)MOS開關(guān)占空比，利用MPPT算法對MPP進(jìn)行周期性搜尋，來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖2 光伏電池輸出P-U特性曲線

2 傳統(tǒng)擾動觀察法

常見的一些MPPT控制有擾動觀察法(Perturbation Observation)、電導(dǎo)增量法(INC)、變步長擾動或電導(dǎo)增量法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，這些算法各自具備相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)。其中，常見的擾動觀察法就是通過實(shí)時地對光伏電池輸出電壓施加一個正方向擾動ΔU，判斷前后兩個相鄰時刻輸出功率的變化量ΔP，如果ΔP是正的，則說明MPP位于實(shí)際工作點(diǎn)的左側(cè)，需要繼續(xù)保持正向擾動；反之，則反向擾動，P&O算法流程圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)擾動觀察法控制流程圖

2.1 傳統(tǒng)擾動觀察改進(jìn)的辦法

由以上分析可知，常規(guī)定步長擾動觀察法在動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度方面難以同時兼顧，因此為了提高定步長算法的性能，改進(jìn)型變步長擾動算法應(yīng)運(yùn)而生。目前最常見的兩種MPPT控制策略如以下兩種：

1)由圖2可知，光伏電池輸出特性近似為一條拋物線，存在唯一最大功率點(diǎn)。在實(shí)際最大功率點(diǎn)處，|dP/dU|=0；在最大功率點(diǎn)兩側(cè)時，|dP/dU|為一不等于零的數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時，|dP/dU|越大，這時系統(tǒng)采用較大步長，便于縮短跟蹤時間，加快跟蹤速度；當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)較近時，|dP/dU|越小，此時系統(tǒng)采用較小步長，減弱穩(wěn)態(tài)震蕩現(xiàn)象。因此，考慮把步長表示為|dP/dU|的函數(shù)，這里寫成：ΔU=α×|dP/dU|，只需通過選擇合適的系數(shù)α，就可以實(shí)現(xiàn)變步長算法在MPPT中的應(yīng)用。

2)由圖2中光伏電池輸出曲線：在最大功率點(diǎn)右側(cè)曲線斜率絕對值約等于左側(cè)斜率絕對值的4倍；當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)位于MPP左側(cè)時，由于曲線較平緩，需要加快小跟蹤速度，故需采用大步長k1。當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)位于MPP右側(cè)時，由于曲線較陡峭，需要減小跟蹤速度，故需采用小步長k2。兩者關(guān)系：k1=4k2。此種改進(jìn)辦法在MPPT中取的了不錯效果。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文研究了一種基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制策略。

2.2 誤判問題分析

由圖3可以看出，傳統(tǒng)擾動觀察算法存在步長ΔU選擇困難的問題。若步長選擇過大，跟蹤速度會變快，但是待功率曲線穩(wěn)定后，會存在穩(wěn)態(tài)震蕩，使實(shí)際工作點(diǎn)在MPP附近來回波動，這樣會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)效率降低；若步長ΔU選擇過小，雖然提高了跟蹤精度，可以減小穩(wěn)態(tài)震蕩，但是存在跟蹤速度緩慢問題，跟蹤速度緩慢同樣會降低系統(tǒng)效率。所以，定步長擾動觀察法難以同時兼顧跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度問題。另外，“誤判”問題也是當(dāng)前定步長P&O算法的不足。例如，當(dāng)外界光照強(qiáng)度不斷變化時(夏季的多云天氣)，P-U特性曲線會不斷變化，當(dāng)光照強(qiáng)度突變時，就可能導(dǎo)致“誤判”問題。其中，誤判分析如圖4所示。

圖4 誤判分析示意圖

由圖4可以看出，假設(shè)光伏系統(tǒng)實(shí)際工作點(diǎn)在MPP左側(cè)時，此時工作電壓為Ua，對應(yīng)功率為Pa。當(dāng)電壓經(jīng)過施加擾動移動到Ub時，對應(yīng)功率為Pb，如果外界環(huán)境條件不變化，光伏電池的輸出功率Pb>Pa，即ΔP>0，擾動方向正確；但是實(shí)際中會存在光照強(qiáng)度變化的問題，例如，如果外界光照強(qiáng)度減弱，則Ub對應(yīng)的功率為Pc，此時Pc

為了改善上述傳統(tǒng)算法的缺陷，本文研究了一種基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制策略，該種算法不但能解決跟蹤速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，最大限度的保證光伏電池時時刻刻都工作在MPP處，而且還能克服傳統(tǒng)算法存在的“誤判”問題，從而減小“誤判”所帶來的能量的損失，提高光伏系統(tǒng)的效率。

3 基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT控制策略

由第2節(jié)分析可知，定步長擾動觀察法存在兩個缺陷：一個是動態(tài)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，另一個是“誤判”問題。首先考慮動態(tài)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，這就需要變步長擾動觀察法，其原理為：在離MPP較遠(yuǎn)時，采用大步長可以提高跟蹤速度，當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)離MPP較近時，采用小步長來對MPP進(jìn)行精確定位，避免了穩(wěn)態(tài)震蕩，變步長擾動觀察法可有效解決跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。由圖2的光伏輸出P-U特性曲線可以看出，在實(shí)際工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP時，|ΔP/ΔU|較大，當(dāng)實(shí)際工作點(diǎn)越來越靠近MPP時，|ΔP/ΔU|越來越小，在MPP處，|ΔP/ΔU|=0。因此，根據(jù)這一規(guī)律，設(shè)變步長擾動觀察法的步長ΔU=β|ΔP/ΔU|，這里，令變步長系數(shù)β=0.002。

另一方面，為了解決誤判問題，需要引入功率預(yù)測，其工作原理圖如圖5所示。設(shè)采樣頻率足夠高，且光照強(qiáng)度滿足在一個采樣周期內(nèi)均勻變化，圖5中，光伏電池在kT時刻的輸出電壓為U(k)，對應(yīng)功率為P(k)，此時不進(jìn)行擾動，經(jīng)過半個采樣周期(k+0.5)T時刻測得功率為P(k+0.5)，則可得到一個采樣周期的預(yù)測功率P*(k)：

P*(k)=2P(k+0.5)-P(k)

(5)

在(k+0.5)T時刻增加一次擾動步長，則可得到(k+1)T時刻的電壓U(k+1)，對應(yīng)功率為P(k+1)。這個過程中，kT時刻對應(yīng)的預(yù)測功率P*(k)和(k+1)T時刻對應(yīng)的P(k+1)可以看出同一光照強(qiáng)度下，P-U曲線擾動前后的兩個功率，因此通過比較P*(k)和P(k+1)便可以避免“誤判”問題。

圖5 功率預(yù)測原理示意圖

根據(jù)以上理論分析，基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT控制策略流程圖如圖6所示。

圖6 基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT控制策略流程圖

其中，Um-new為PV電池理論值，Uref為每次擾動后所得電壓值，兩者的差值通過PI控制器后得到的輸出量，作用于PWM模塊；因此，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光伏電池運(yùn)行的實(shí)際電壓可以跟隨環(huán)境改變后的理論MPP對應(yīng)電壓。

4 Simulink仿真分析

在Matlab R2014b/Simulink平臺上搭建光伏系統(tǒng)MPPT控制仿真模型，基于Simulink的MPPT總體仿真模型示意圖如圖7所示。其中Boost電路主要參數(shù)設(shè)置如下：C1=150 μF，C2=350 μF，L=8 mH，R=10 Ω。PV電池參數(shù)：開路電壓Uoc=25.11 V，短路電流Isc=12.02 A，MPP對應(yīng)最大功率電壓Um=19.31 V，MPP對應(yīng)最大功率電流Im=9.05 A。S=1 000 W/m2，T=25 ℃時，PV電池的輸出功率P=174.76 W；S=400 W/m2，T=25 ℃時，輸出功率P=77.8 W；S=800 W/m2，T=25 ℃時，輸出功率P=139.6 W；仿真時間設(shè)置t=1.5 s。圖7中分別包含了大步長擾動觀察法模塊、小步長擾動觀察法模塊和基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法實(shí)現(xiàn)模塊，對3種控制條件下的輸出波形進(jìn)行對比來驗(yàn)證功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制策略的優(yōu)越性。其中，基于功率預(yù)測結(jié)合變步長擾動觀察法控制模塊Simulink實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

圖7 基于Simulink的MPPT總體仿真模型

圖8 基于預(yù)測功率的變步長擾動觀察法模塊Simulink實(shí)現(xiàn)模型

運(yùn)用Signal Builder模塊來模擬外界光照強(qiáng)度變化，光照強(qiáng)度S變化情況：在0～0.5 s時間段，光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2；在0.5 s時刻，光照強(qiáng)度S從1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2；在1.5 s，時刻，光照強(qiáng)度S從400 W/m2突變?yōu)?00 W/m2。在此種光照變化條件下，得到大步長(ΔU=0.03)擾動觀察法、小步長(ΔU=0.001)擾動觀察法和預(yù)測功率結(jié)合變步長擾動觀察法復(fù)合算法(變步長系數(shù)β=0.002)條件下的輸出功率波形如圖9所示。

圖9 3種控制條件下的輸出功率仿真波形

從圖9中可以看出，當(dāng)采用大步長擾動觀察法時，開始(啟動)階段速度快，在t=1 s時刻，光強(qiáng)照度由400 W/m2突變到800 W/m2，輸出功率達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)僅用0.051 s，顯然在外界光強(qiáng)照度變化時，響應(yīng)速度較快，但從圖9(a)中1.2～1.4 s的局部放大圖可以看出，穩(wěn)定后輸出功率波形在131.2～138.3 W之間來回震蕩，穩(wěn)態(tài)震蕩幅度較大，造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)實(shí)際工作在到達(dá)MPP附近時，會出現(xiàn)工作點(diǎn)跨過MPP的情況，改變擾動方向后，工作點(diǎn)的電壓和MPP對應(yīng)電壓還是小于步長，導(dǎo)致大幅度震蕩且無法穩(wěn)定在MPP處。由圖9(b)可以看出，在t=1 s時刻，光強(qiáng)照度由400 W/m2突變到800 W/m2，輸出功率達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)僅用0.148 s，跟蹤速度遠(yuǎn)慢于大步長擾動觀察法，從圖9(b)中1.2～1.4 s的局部放大圖可以看出，此時實(shí)際工作點(diǎn)在MPP附近以小幅度來回波動，波動范圍為135.2～138.5W，震蕩幅度較大步長控制明顯減小；當(dāng)采用預(yù)測功率結(jié)合變步長擾動觀察法時，如圖9(c)所示，在啟動階段，跟蹤速度快，在t=1 s時刻，光照強(qiáng)度此時由400 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，輸出功率達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)僅用0.057 s，動態(tài)響應(yīng)速度與大步長擾動觀察法不相上下，從圖9(c)中1.2～1.4 s的局部放大圖可以看出，穩(wěn)定后輸出功率在137.1～139.4 W范圍波動，范圍波動范圍小，跟蹤精度高。

因此，采用本文提出的基于預(yù)測功率的變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制策略時，無論從跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度方面，基本能夠同時兼顧，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

針對定擾動觀察法的不足，本文提出的基于預(yù)測功率的變步長擾動觀察法MPPT復(fù)合控制策略，不但有效地解決了跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，而且可以避免誤判問題，最大限度地使光伏電池時時刻刻以最高功率輸出，提高了光伏系統(tǒng)的效率，通過Simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出復(fù)合控制算法的優(yōu)越性，具有良好的工程推廣價值。

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