自適應(yīng)算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤中的應(yīng)用

邊金田

（鄂爾多斯職業(yè)技術(shù)學(xué)校 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 引言

太陽(yáng)能發(fā)電具有成本低、無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，作為當(dāng)前公認(rèn)的最具發(fā)展前途、技術(shù)含量最高的清潔型能源，現(xiàn)已在水泵、蓄電池充電系統(tǒng)、家用電器乃至衛(wèi)星能源等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的使用，并取得了良好的成效。然而，氣候條件是太陽(yáng)能發(fā)電的限制性因素之一，因此，為確保能夠達(dá)到持續(xù)性的供電需求，一般應(yīng)配備儲(chǔ)能裝備，但儲(chǔ)能設(shè)備的安裝費(fèi)用較高且發(fā)電效率低[1]。

太陽(yáng)能發(fā)電效率的提高是有效降低較高系統(tǒng)費(fèi)用的主要途徑，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域在解決太陽(yáng)能發(fā)電效率的問題上給出了諸多方法。其中，擾動(dòng)與觀察法具檢查參數(shù)少、算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用，而該方法還存在一定的缺陷，當(dāng)其處于最大功率點(diǎn)時(shí)，擾動(dòng)系數(shù)也較大。HD Maheshappa指出，將參考電壓與電流設(shè)置為常數(shù)，并將參考值作為對(duì)照，與太陽(yáng)能的陣列采樣電流與電壓對(duì)比，進(jìn)行占空比的調(diào)整。雖說(shuō)該方法的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但由于忽視了輻射與溫度的影響，其精確度不高。C Hua指出，對(duì)光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其安裝費(fèi)用較高，若使用DSP控制電路對(duì)該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不具有實(shí)際意義[2]。

本文就太陽(yáng)能陣列的特點(diǎn)，利用自適應(yīng)原理進(jìn)行了太陽(yáng)能列陣最大功率的追蹤，并將其與固定步長(zhǎng)算法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，自適應(yīng)算法的追蹤速度與精度明顯較高。

2 自適應(yīng)算法

理論上講，能夠按照數(shù)據(jù)處理的特征自動(dòng)調(diào)整其處理過(guò)程中的順序、方法、參數(shù)、約束條件或是邊界條件等，保證其統(tǒng)計(jì)的分布與數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，進(jìn)而得到最優(yōu)處理結(jié)果的一種數(shù)據(jù)處理方式稱為自適應(yīng)算法。自適應(yīng)算法目前主要是用兩種方法完成，即程序控制、處理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者把算法的數(shù)學(xué)模型編譯成程序后使用計(jì)算機(jī)完成，后者按照算法的數(shù)學(xué)模型將電路設(shè)計(jì)出來(lái)?？梢哉f(shuō)，算法是多種多樣的，而我們?cè)谶x擇時(shí)應(yīng)慎重，這關(guān)系到系統(tǒng)的可行性與性能質(zhì)量。

3 太陽(yáng)能特性

太陽(yáng)能電池陣列的曲線表達(dá)[3]：

計(jì)算負(fù)載24h消耗容量P：

其中：I—負(fù)載24小時(shí)消耗的電力（WH，瓦&dot；時(shí)）

V—負(fù)載額定電源

光照與溫度固定不變時(shí)，觀察太陽(yáng)能電池的最大功率運(yùn)行點(diǎn)（Pm）。當(dāng)使用變換器和負(fù)載連接的太陽(yáng)能電池時(shí)，其工作點(diǎn)則由負(fù)載決定。當(dāng)負(fù)載無(wú)法調(diào)節(jié)時(shí)，將太陽(yáng)能特性與負(fù)載特性相結(jié)合，使太陽(yáng)能電池運(yùn)行于A點(diǎn)；反之，負(fù)載可調(diào)節(jié)時(shí)，A點(diǎn)輸出功率較Pm處小。此時(shí)可通過(guò)輸出電壓的調(diào)控來(lái)改變負(fù)載電壓及負(fù)載功率，當(dāng)調(diào)太陽(yáng)能電池的輸出功率等同于太陽(yáng)能電池的最大功率時(shí)，輸出功率為最大。綜上，光強(qiáng)與溫度是決定太陽(yáng)能特性的兩個(gè)決定性因素，且會(huì)隨著光強(qiáng)與溫度的變化而變化。輸出電流、輸出電壓分別受光強(qiáng)與溫度的影響。

4 實(shí)驗(yàn)原理

太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率表達(dá)式：P=VI

由圖可知，當(dāng)P/V＞0時(shí)，本系統(tǒng)運(yùn)行未到達(dá)最大功率；P/V=0表示該系統(tǒng)運(yùn)行到達(dá)最大功率；P/V＜0表示該系統(tǒng)運(yùn)行同樣未達(dá)到最大功率。

依照上述條件我們可以認(rèn)為，取兩個(gè)相鄰的時(shí)間間隔點(diǎn)上太陽(yáng)能電池陣列的采樣電流及采樣電壓，兩點(diǎn)確定一條直線，算出斜率，通過(guò)改變開關(guān)管占空比改變P/V的數(shù)值，使其達(dá)到0，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行處于最大功率點(diǎn)上。根據(jù)電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。再考慮到平均每天日照時(shí)數(shù)及陰雨天等因素的波動(dòng)，另外，交流系統(tǒng)或并網(wǎng)系統(tǒng)還要考慮逆變器轉(zhuǎn)換效率、其他功率損耗等。太陽(yáng)能電池、負(fù)載以及環(huán)境的特性是緊密相關(guān)的，不同條件下的輸出特性與負(fù)載曲線都有著非線性的波動(dòng)。

5 自適應(yīng)算法的原理與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

5.1 自適應(yīng)算法的原理

自適應(yīng)控制流程圖

自適應(yīng)算法的使用應(yīng)先設(shè)置精度電壓，用來(lái)判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否處于太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)處。采樣選在第i+1時(shí)刻的電流與電壓，隨后依據(jù)公式P=VI，求出Pi+1的值。得出結(jié)果后，計(jì)算在第i時(shí)刻及第i+1時(shí)刻的P-V曲線斜率。當(dāng)P/V＞0時(shí)，需增大D值，逐漸增加系統(tǒng)輸出功率使其達(dá)到最大功率輸出，也就是說(shuō)在第i+1時(shí)刻，Di+1=Di+（K1+K2）；相反，當(dāng)P/V＜0時(shí)，減小D值，使其達(dá)到最大功率輸出，第i+1時(shí)刻，Di+1=Di-（K1-K2）。

本文所采用的方法中，添加了一個(gè)可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的K2，這樣就使開關(guān)管的D調(diào)節(jié)隨著采樣電流與采樣電壓的變化而變化。采樣步長(zhǎng)的變化與（K1-K2）為正相關(guān)，所以，對(duì)D進(jìn)行調(diào)節(jié)也就是在對(duì)下一刻的采樣電流及采樣電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池輸出功率的調(diào)節(jié)。

自適應(yīng)因子K2（i）作為調(diào)節(jié)下一個(gè)時(shí)刻的D，K2值越小，所選的采樣點(diǎn)距最大功率輸出值就越遠(yuǎn)，則△D=K1-K2（i）的值越大，此時(shí)追蹤速度較快；相反的，K2值越大，所選的采樣點(diǎn)距最大功率輸出值就越近，△D=K1-K2（i）的值越小，此時(shí)追蹤精度也有所提高。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)自適應(yīng)算法的性能進(jìn)行了研究和分析。使用Buck變換器連接負(fù)載與電源，選用MOSFET IRF840開關(guān)管，外加超快速恢復(fù)二極管；負(fù)載R0選取不可調(diào)阻性負(fù)載，輸出電感應(yīng)纏繞于存在空氣間隙鐵磁芯上，控制回路則是分成三大部分。

（1）選擇Intel公司的產(chǎn)品80C196KC，其功耗較低，鎖存器選用74LS737，使用E2PROM 2864。

（2）選用精確度較高的霍爾電流傳感器和電壓傳感器共同組成接口電路，該電路過(guò)載能力較強(qiáng)，響應(yīng)快，頻帶寬，極大的降低了待測(cè)電路的能量損耗。

（3）80C196KC有三個(gè)特點(diǎn)[4]：一是，8位A/D轉(zhuǎn)換，能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際要求隨時(shí)選擇采樣位數(shù)，且8位采樣用時(shí)較短。10位采樣的分辨率能夠滿足太陽(yáng)能電池采樣需求，掌控好采樣時(shí)間，因此，本實(shí)驗(yàn)選用了10位A/D轉(zhuǎn)換。二是，在系統(tǒng)正常的運(yùn)行時(shí)，振蕩信號(hào)的頻率可至16MHz，保證實(shí)時(shí)進(jìn)行指令運(yùn)算。三是，PWM波的產(chǎn)生方式多，可經(jīng)脈沖寬度調(diào)節(jié)器或高速輸出部件HSO提供，后者的輸出路徑及分辨率明顯優(yōu)于前者，且后者的每路輸出都能獨(dú)立的控制最大功率追蹤系統(tǒng)，因此，實(shí)驗(yàn)選用HSO路徑來(lái)中斷PWM波形。

本實(shí)驗(yàn)選用可調(diào)節(jié)的直流電源替代太陽(yáng)能電池對(duì)不同溫度與光強(qiáng)下自適應(yīng)算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)直流電源電流及電壓的調(diào)節(jié)來(lái)代表外界環(huán)境的改變，表明外界環(huán)境對(duì)太陽(yáng)能電池的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的差異可忽略，對(duì)整體的試驗(yàn)進(jìn)程沒有較大的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)、實(shí)施并獲得結(jié)果，最后分析得出，將自適應(yīng)算法應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率追蹤中的效果良好，該算法的追蹤速度及精度均較高，某種意義上來(lái)說(shuō)，解決了太陽(yáng)能電池非線性特性的問題，有效的提高了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王磊.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].天津工業(yè)大學(xué),2013.

[2] K H Hussein,I Muta,T Hoshino,et al.Maximum Photovoltaic Power Tracking:An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions[J].IEE Proc.Gener.Trans.On Distrib,1995,142(1):59-64.

[3] 何薇薇,楊金明.太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù),2008,42(8):30-32.

[4] 李安定.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2001.