采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤

謝 維，饒國(guó)勇2，蔡建羨，李立新，陳 遜

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 三河 065201； 2.景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

全球的電力需求和消費(fèi)正在快速增長(zhǎng)?？稍偕茉从捎谄淝鍧嵭浴⒌统杀竞瞳@取方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。在太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋潮汐能等可再生能源中，太陽(yáng)能是一種目前最成熟和有商業(yè)前景的發(fā)電能源?？梢允褂霉夥?PV)效應(yīng)從太陽(yáng)光以產(chǎn)生電力[1]，這種技術(shù)廣泛用于為獨(dú)立負(fù)載或電力系統(tǒng)供電。然而，可以看到太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率非常低，僅為9%到17%，尤其是在低太陽(yáng)照射條件下。另外，太陽(yáng)能PV板產(chǎn)生的電力總是在各種天氣條件下變化。很顯然，太陽(yáng)能光伏電池的V-I和V-P特性是非線性的，隨照射量和溫度而變化[2]。然而，V-I或V-P曲線上始終存在一個(gè)稱為最大功率點(diǎn)(MPP)的獨(dú)特點(diǎn)。這一點(diǎn)在這些特性上是未知的，但它可以通過(guò)MPPT算法定位，一般分類如下：擾動(dòng)觀察(P&O)法[3-5]，增量電導(dǎo)(InC)法[6-8]，恒定恒流(CC)或恒定電壓(CV)法[9-10]等算法以及其他一些諸如模糊邏輯(FL)法[11-12]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)法[13]和粒子群優(yōu)化(PSO)法[14-15]等算法。這些現(xiàn)有算法在簡(jiǎn)單性、收斂速度、額外的硬件和成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文提出了一種適用于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法。與采用擾動(dòng)觀察算法的結(jié)果相比，所獲得的仿真結(jié)果證實(shí)了所提算法的有效性和優(yōu)越性。本文的各部分安排如下：太陽(yáng)能光伏電池板的數(shù)學(xué)模型、太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)放在第1節(jié)、第2節(jié)中描述；第3節(jié)介紹了MPPT策略的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法；然后根據(jù)仿真結(jié)果在第4節(jié)中證實(shí)所提算法的有效性；最后通過(guò)與現(xiàn)有的擾動(dòng)觀察相關(guān)算法的比較，總結(jié)了新方案的優(yōu)點(diǎn)。

1 太陽(yáng)能光伏電池板的數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能光伏電池板可以用如下的方程組來(lái)描述：

(1)

(2)

(3)

式中，I為太陽(yáng)能光伏電池的電流(A)；V為太陽(yáng)能光伏電池的電壓(V)；P為太陽(yáng)能光伏電池的功率(W)；Isc為太陽(yáng)能光伏電池的短路電流(A)；Voc為太陽(yáng)能光伏電池的開路電壓(V)；I0為二極管反向飽和電流(A)；q為元電荷電荷量，q=1.602×10-19(C)；k為波爾茲曼常量，k=1.381×10-23(J/K)；T為太陽(yáng)能光伏電池板的溫度(K)。

太陽(yáng)能光伏電池板板對(duì)陰影非常敏感。因此，我們提出了一種更準(zhǔn)確的太陽(yáng)能光伏電池的等效電路，以考慮陰影的影響，以及由于模塊內(nèi)部的串聯(lián)電阻，觸點(diǎn)以及單元與模塊之間的互連所引起的損耗。那么，太陽(yáng)能光伏電池板的V-I特性可以改寫如下：

(4)

式中，Rs和Rp分別為：考慮了陰影與損耗影響后的電阻值。

盡管，制造商們正試圖最小化這兩種電阻值的影響，以改善他們的產(chǎn)品性能，然而那種理想的情況是不可能實(shí)現(xiàn)的。

不得不指出的V-I特性的兩個(gè)重點(diǎn)是，開路電壓Voc，以及短路電流Isc。在這兩點(diǎn)時(shí)所發(fā)出的功率均為零點(diǎn)。當(dāng)電池的輸出電流I為零(I=0)時(shí)，Voc就被確定下來(lái)了；而當(dāng)電池的輸出電壓V為零(V=0)時(shí)，Isc就被確定下來(lái)了。在電池的V-I特性上的乘積(V×I)為最大的點(diǎn)處，太陽(yáng)能光伏電池發(fā)出的功率最大。這一點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn)(MPP)，并且它是獨(dú)一無(wú)二的。

顯然，在太陽(yáng)能光伏電池板的發(fā)電中必須考慮的兩個(gè)重要因素是照射量和溫度。這些因素強(qiáng)烈影響太陽(yáng)能光伏電池板的特性。因此，MPP點(diǎn)在白天會(huì)發(fā)生變化。如果工作點(diǎn)不接近MPP，則會(huì)發(fā)生顯著的功率損耗。那么，必須在各種條件下跟蹤MPP點(diǎn)，以確保從太陽(yáng)能光伏電池板處獲得最大的可用功率。通過(guò)在各種條件下搜索和確定MPP點(diǎn)，將這一問(wèn)題交給了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法。本文提出了自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，來(lái)用于搜索MPP點(diǎn)，下面將詳細(xì)介紹。

2 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可分為兩種類型：需要電池來(lái)存儲(chǔ)能量的獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，以及用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要由以下部件組成，包括太陽(yáng)能光伏電池陣列，DC / DC變流器，DC / AC逆變器，濾波器，變壓器和儲(chǔ)能系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DC / DC變流器主要用于將來(lái)自電壓波動(dòng)的電源，調(diào)節(jié)輸出電壓為恒定值，以減小輸出電壓中的紋波；也可以從同一的輸入電壓等級(jí)，獲得多個(gè)電壓等級(jí)。DC / DC變流器有包括buck(降壓)，boost(升壓)和buck-boost(升降壓)的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，DC / AC逆變器主要用于將恒定的直流電壓，轉(zhuǎn)換成具有可變的幅值和頻率的三相交流電壓，其是通過(guò)利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制半導(dǎo)體開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。鎖相環(huán)(PLL)則通過(guò)求解電網(wǎng)電壓的abc分量，在公共耦合點(diǎn)提供旋轉(zhuǎn)頻率，直接和正交電壓分量。

3 采用先進(jìn)的擾動(dòng)觀察算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT

擾動(dòng)觀察算法的基本原理是每隔一定的時(shí)間，增加或者減少太陽(yáng)能光伏電池陣列的輸出電壓，這一過(guò)程稱為“擾動(dòng)”，并觀測(cè)之后其輸出功率變化方向，若ΔP>0，說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來(lái)的方向“擾動(dòng)”；若ΔP<0，說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，則需改變“擾動(dòng)”的方向。我們知道，擾動(dòng)觀察算法通常采用固定的步長(zhǎng)，導(dǎo)致在快速變化的天氣條件下，跟蹤MPP點(diǎn)發(fā)生失敗。可以通過(guò)在不同的天氣條件下，采用可變步長(zhǎng)來(lái)克服這個(gè)缺陷。因而本文提出了自適應(yīng)的擾動(dòng)觀察算法。

假設(shè)在這種傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察算法中的擾動(dòng)變量，是太陽(yáng)能光伏電池板端電壓的參考值。因此，如果輸出太陽(yáng)能光伏電池板的電壓被擾動(dòng)，且dP/dV>0，那么就可以知道工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)MPP的左側(cè)。擾動(dòng)觀察算法因而會(huì)增加太陽(yáng)能光伏電池板的參考電壓，以便將工作點(diǎn)移向MPP點(diǎn)。又或者，如果太陽(yáng)能光伏電池板的輸出電壓受到擾動(dòng)，且dP/dV<0，那么就可以知道，工作點(diǎn)位于MPP點(diǎn)的右側(cè)。擾動(dòng)觀察算法即會(huì)降低太陽(yáng)能光伏電池板的參考電壓，便將工作點(diǎn)移向MPP點(diǎn)。該過(guò)程在圖2和表1中更清楚地描述出來(lái)。

表1 傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法總結(jié)

圖2 傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法的工作原理圖

圖3 傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法引起最大功率點(diǎn)誤判的原理圖

我們可以周期性地重復(fù)該過(guò)程，直到達(dá)到MPP點(diǎn)。不過(guò)，我們知道傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法在不同天氣之間快速變化的情況下，容易發(fā)生失敗，導(dǎo)致如圖3所示的誤判發(fā)生。假設(shè)它是從一個(gè)工作點(diǎn)A開始的。如果天氣條件近似恒定，那么一個(gè)太陽(yáng)能光伏電池板電壓V的擾動(dòng)ΔV，將把工作點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，并且擾動(dòng)將被反轉(zhuǎn)，由于功率下降了。但是，如果太陽(yáng)光照射量增加了，并且在一個(gè)采樣周期內(nèi)，功率曲線從P1曲線轉(zhuǎn)移到了P2曲線，工作點(diǎn)則將從A點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn)，這代表功率增加，因而擾動(dòng)的方向?qū)⒈３植蛔儭?/p>

結(jié)果是，工作點(diǎn)將偏離最大功率點(diǎn)MPP，并且如果太陽(yáng)照射穩(wěn)定增加，將一直持續(xù)偏離下去[16]。為了確保在太陽(yáng)照射量的突然變化的情況下，能跟蹤到MPP點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，即取決于功率變化的可變的擾動(dòng)步長(zhǎng)。這意味著擾動(dòng)步長(zhǎng)變化，并且連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)變化的天氣條件。這種自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，是傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法的一種變體，可以減少通常與擾動(dòng)觀察相關(guān)的主要缺陷，諸如收斂速度和跟蹤效率等。該擾動(dòng)步長(zhǎng)變量取決于功率的改變，如下式所示：

(5)

4 仿真結(jié)果與分析

采用Matlab / Simulink軟件，可以獲得將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)連接到電力系統(tǒng)時(shí)，其MPPT控制策略的仿真結(jié)果。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)配置為由10塊串聯(lián)再2串并聯(lián)的共20塊電池板排列構(gòu)成。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的規(guī)格和參數(shù)如表2所示，電網(wǎng)電壓和頻率分別為220 V和50 Hz。

圖4 自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法流程圖

規(guī)格參數(shù)光伏電池板光伏并網(wǎng)系統(tǒng)(10×2)最大功率Pmax (W)501000Pmax時(shí)的電壓VMPP (V)17.4174Pmax時(shí)的電流IMPP (A)2.8755.75開路電壓Voc (V)21.42214.2短路電流Isc (A)3.116.22

圖5 不同太陽(yáng)照射量時(shí)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的V-I特性，溫度t=25℃

圖5和圖6分別是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，在不同的太陽(yáng)照射量時(shí)的V-I和V-P特性，G=1，0.8和0.6 kW/m2，在該溫度T= 25℃下。圖5表明太陽(yáng)能光伏電池板的電流，在太陽(yáng)照射量增加時(shí)增加。圖6表明了在不同的太陽(yáng)照射量時(shí)的MPP點(diǎn)也不同。MPP點(diǎn)是PMPP1= 1000 W，G1= 1 kW/m2；PMPP2=789 W，G2=0.8 kW/m2和PMPP3=581 W，G3=0.6 kW/m2。因此提出了自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，來(lái)確定這些在不同的太陽(yáng)照射量時(shí)的MPP點(diǎn)。

圖6 不同太陽(yáng)照射量時(shí)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的V-P特性，溫度t=25℃

圖7 采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電流

圖8 采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電壓

圖7和圖8分別是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在太陽(yáng)照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流和電壓波形。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流在t=0.365 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7所示。然而，我們也發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)無(wú)法跟蹤到MPP點(diǎn)，即PMPP=1 000 W，如圖9所示，這意味著傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法不收斂。

圖9 采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的功率

圖10和11分別是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在太陽(yáng)照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流和電壓波形。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流在t=0.273 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10所示。然而，我們也發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)跟蹤到了MPP點(diǎn)，即PMPP=1000 W，如圖12所示，這意味著采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，收斂值和速度都得到了改善。

通過(guò)自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法獲得的功率對(duì)比，在太陽(yáng)照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，如圖13所示，該對(duì)比確認(rèn)了所提出的擾動(dòng)觀察算法的有效性。

圖10 采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電流

圖11 采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電壓

圖12 采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的功率

圖13 自適應(yīng)與傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察算法獲得的功率對(duì)比，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃

從以上的一組波形對(duì)比中可以分析出，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察算法當(dāng)溫度不變，僅太陽(yáng)照射量從0 kW/m2升為1 kW/m2時(shí)，不能夠快速地移動(dòng)至最大功率點(diǎn)附近，而且輸出的電壓、功率波形振蕩現(xiàn)象較嚴(yán)重。而新型的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法相比于傳統(tǒng)的算法，能夠更快速地移動(dòng)到最大功率點(diǎn)，接近穩(wěn)態(tài)時(shí)工作點(diǎn)會(huì)在最大功率點(diǎn)附近微小幅振蕩，因而動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果良好，穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)電壓、功率波形也比較平穩(wěn)。

我們知道，相比于太陽(yáng)照射量的影響，溫度對(duì)太陽(yáng)能光伏陣列各參數(shù)的影響并不大。因此，如果當(dāng)光伏組件工作環(huán)境的溫度突然變化時(shí)，所提出的該自適應(yīng)的新方法在提高功率追蹤速度、降低功率擾動(dòng)的基礎(chǔ)上能夠保證跟蹤的準(zhǔn)確性。

兩種MPPT算法的仿真結(jié)果對(duì)比顯示，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法無(wú)法收斂，而收斂值和速度都通過(guò)采用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察算法得到了改善，穩(wěn)定時(shí)間縮短25%，穩(wěn)態(tài)值提高20%以上。

5 結(jié)論

本文利用自適應(yīng)擾動(dòng)觀察(P&O)算法，提出了太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制策略。該方案使用了可變的擾動(dòng)步長(zhǎng)，該步長(zhǎng)取決于各種大氣條件。將得到的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的P&O算法進(jìn)行了比較，結(jié)果證明了所提出的MPPT控制策略對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的有效性。