一種變步長擾動觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用

張光明,劉毅力,馬龍濤,葉炳均

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.國網(wǎng)陜西省電力公司 銅川供電公司,陜西 銅川 727000)

0 引 言

隨著全球人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日漸突出,開發(fā)研究清潔再生能源已經(jīng)成為人類社會的共識。由于光伏發(fā)電在發(fā)電過程中沒有污染和噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn),所以目前成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-2]。光伏電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量提供單元,其功率輸出是隨著太陽光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度的變化而變化的,但是在一定的工作環(huán)境下,電池都具有唯一的最大功率輸出點(diǎn),因此為了使電池輸出功率最大化,應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電池的工作點(diǎn),使其一直工作在最大功率點(diǎn)附近,即MPPT技術(shù)[3]。

目前實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的算法有很多,比較常用的傳統(tǒng)算法有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了恒定電壓法,該方法控制結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,但是在溫差較大的地區(qū),該方法控制精度較低,功率損失較大;文獻(xiàn)[6]對電導(dǎo)增量法進(jìn)行了說明,該方法能夠迅速響應(yīng)光照強(qiáng)度的變化,具有較高的控制精度,但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)電壓和電流的檢測對傳感器的精度要求也很高,硬件實(shí)現(xiàn)相對困難。擾動觀察法因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單,需要測量的參數(shù)較少,對硬件的精度要求也不高,所以被廣泛應(yīng)用在光伏MPPT中,但是該方法存在步長的選取無法同時(shí)保證跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度的問題[7]。為了解決這一問題,本文改進(jìn)了一種變步長擾動觀察法,并利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)的算法能夠在保證跟蹤速度的同時(shí)又提高了穩(wěn)態(tài)精度,并且當(dāng)外界溫度或者光照強(qiáng)度突然變化時(shí)也能夠快速穩(wěn)定地追蹤到最大功率,有利于提高光伏電池的發(fā)電效率。

1 光伏電池輸出的P-U曲線

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏電池的輸出功率P是光照強(qiáng)度和溫度的非線性函數(shù)[8]。圖1(a)是在保證外界環(huán)境溫度為25 ℃不變,光照強(qiáng)度為500 W/m2,800 W/m2,1 000 W/m2時(shí)光伏電池的P-U曲線;圖1(b)是保證光照強(qiáng)度為1 000 W/m2不變,改變溫度分別為15 ℃,25 ℃,35 ℃時(shí)光伏電池的P-U曲線。

(a) 光照變化時(shí)的P-U曲線

(b) 溫度變化時(shí)的P-U曲線圖 1 光伏電池的P-U曲線Fig.1 P-U curves of photovoltaic battery

從圖1可以看出光伏電池的輸出功率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大,隨著溫度的升高而減小。但從圖1(a)和圖1(b)中可以看出一個(gè)共同點(diǎn):當(dāng)外界環(huán)境一定的情況下,光伏電池的P-U曲線都對應(yīng)一個(gè)最大值點(diǎn),即最大功率輸出點(diǎn)。因此,需要采用MPPT算法實(shí)現(xiàn)光伏電池在不同環(huán)境下的最大功率輸出。

2 光伏MPPT控制系統(tǒng)及原理

在工程應(yīng)用中,通常將DC/DC變換電路作為光伏發(fā)電MPPT的控制裝置。DC/DC變換電路種類很多,本文將Boost電路作為光伏MPPT的控制電路,Boost電路可以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)[9]。圖2是基于Boost電路實(shí)現(xiàn)光伏MPPT控制的系統(tǒng)原理圖,其工作原理是:MPPT控制器采集光伏電池的輸出電壓Upv和電流Ipv,通過MPPT算法得到開關(guān)管S的占空比D的調(diào)整量,送給PWM發(fā)生器輸出相應(yīng)的脈沖信號驅(qū)動開關(guān)管S的通斷,其中,在Boost電路中,Cpv表示直流電容器,作用是用來降低光伏電池的輸出諧波;Cdc表示直流儲能電容,作用是電壓支撐和儲能[10]。

圖 2 基于Boost電路實(shí)現(xiàn)光伏MPPT控制的系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of MPPT control based on Boost circuit

光伏電池雖然是非線性電源,但是可以將其看成在每個(gè)極小時(shí)間段上的線性電源。在電路理論中,對于一個(gè)線性電路而言,當(dāng)外部負(fù)載的總電阻與電源內(nèi)阻相等時(shí),電源輸出功率最大。根據(jù)以上電路理論,光伏發(fā)電MPPT技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是通過調(diào)節(jié)Boost電路中開關(guān)管S的占空比,使Boost電路等效輸入電阻與電池內(nèi)阻相匹配,達(dá)到輸出最大功率的目的[11-12]。

3 MPPT算法及改進(jìn)

3.1 傳統(tǒng)擾動觀察法

擾動觀察法被普遍應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電MPPT上,其控制原理是在每個(gè)控制周期中用固定步長的擾動改變光伏電池的工作點(diǎn),采集光伏電池的輸出電壓U(k)和輸出電流I(k),計(jì)算輸出功率P(k)=U(k)×I(k),然后比較擾動前后的功率值P(k-1)和P(k)以及輸出電壓值U(k-1)和U(k),分為以下4種情況[13-14]:

(1) 如果P(k)>P(k-1)并且U(k)>U(k-1),說明擾動方向正確,那么之后施加的擾動應(yīng)與之前的擾動方向相同;

(2) 如果P(k)>P(k-1),并且U(k)

(3) 如果P(k)U(k-1),說明擾動方向錯(cuò)誤,那么之后施加的擾動應(yīng)與之前的擾動方向相反;

(4) 如果P(k)

按照上述步驟經(jīng)過若干次反復(fù)之后,最終光伏電池的工作點(diǎn)會跟蹤到最大功率,并且在最大功率點(diǎn)附近不斷地波動。

對于傳統(tǒng)擾動觀察法而言:采用的是定步長擾動,如果擾動步長選取過小,雖然在最大功率點(diǎn)附近波動較小,能量損失較少,但是擾動次數(shù)增多,跟蹤時(shí)間也會增加;若擾動步長選取過大,雖然跟蹤速度加快,但是在最大功率點(diǎn)附近波動會變大,能量損失也增多。

3.2 變步長擾動觀察法

為解決傳統(tǒng)擾動觀察法自身存在的弊端,這里應(yīng)用變步長的擾動策略[15-17],在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種變步長擾動觀察法。圖3為變步長擾動觀察法的控制流程圖,其中Uref表示光伏電池的參考電壓。

圖 3 變步長擾動觀察法流程圖Fig.3 Flow chart of variable step size perturbation and observation method

(1)

(2)

式中:m是接近于1的正數(shù),比如0.99。又因?yàn)楫?dāng)U=Uoc時(shí),光伏電池的輸出功率為0,即P|U=Uoc=0,所以可以將式(2)化簡為

(3)

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink建立基于以上2種算法的光伏發(fā)電MPPT仿真模型，如圖4所示。其中,仿真選擇Simscape模塊庫中1Soltech 1STH-215-P型光伏電池板,其在溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為1 000 W/m2下的參數(shù)是最大功率點(diǎn)電壓為29 V,電流為7.35 A,開路電壓為36.3 V,短路電流為7.84 A。仿真采用算法ode23tb(stiff/BDF2),從0 s開始仿真。

圖 4 光伏發(fā)電MPPT仿真模型Fig.4 MPPT simulation model of photovoltaic power generation

4.1 驗(yàn)證變步長擾動觀察法的優(yōu)越性

仿真在溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為1 000 W/m2下進(jìn)行,圖5和圖6是采用傳統(tǒng)擾動觀察法分別將步長設(shè)置為4×10-4和2×10-5時(shí)的光伏電池功率輸出仿真波形,圖7是采用變步長擾動觀察法時(shí)的光伏電池功率輸出仿真波形。表1是3種步長模式下的仿真結(jié)果,表中

表 1 3種步長模式下的仿真結(jié)果

從表1可以看出,定大步長是定小步長的20倍,雖然達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間小步長擾動觀察法是大步長擾動觀察法的約5.4倍,但是大步長擾動觀察法的穩(wěn)態(tài)震蕩率卻是小步長擾動觀察法的約8.8倍,同樣造成了很大的能量損失;變步長擾動觀察法在跟蹤速度上比大步長擾動觀察法慢了約43.8%,但是穩(wěn)態(tài)震蕩率卻比大步長擾動觀察法減小約93.5%,另外,變步長擾動觀察法的穩(wěn)態(tài)震蕩率比小步長擾動觀察法減小約42.7%,同時(shí)跟蹤速度比小步長擾動觀察法快了約73.6%。因此可以看出變步長擾動觀察法較單一步長的傳統(tǒng)擾動觀察法具有很大的優(yōu)越性,既能夠快速地追蹤到最大功率點(diǎn),同時(shí)在最大功率點(diǎn)附近波動很小?？偟膩碚f,變步長擾動觀察法既結(jié)合了傳統(tǒng)算法小步長和大步長的優(yōu)勢,同時(shí)又避免了兩者的弊端。

圖 5 步長為4×10-4時(shí)的仿真波形Fig.5 Simulated waveform with step size of 4×10-4

圖 6 步長為2×10-5時(shí)的仿真波形Fig.6 Simulated waveform with step size of 2×10-5

圖 7 采用變步長擾動觀察法時(shí)的仿真波形Fig.7 Simulation waveform with variable step size perturbation and observation method

4.2 驗(yàn)證變步長擾動觀察法的跟蹤情況

當(dāng)環(huán)境突然改變時(shí),光伏電池的輸出功率也將發(fā)生變化,為了驗(yàn)證運(yùn)用改進(jìn)的MPPT算法能不能迅速穩(wěn)定地跟蹤到最大功率,因此在仿真過程中,保持溫度為25 ℃,當(dāng)t=0.3 s時(shí),將光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突然變化為900 W/m2,運(yùn)用改進(jìn)的算法得到的仿真波形如圖8(a)所示;當(dāng)保持光照強(qiáng)度1 000 W/m2不變,在t=0.3 s時(shí),將溫度由25 ℃升高到35 ℃,運(yùn)用改進(jìn)的算法得到的功率仿真波形如圖8(b)所示。

(a) 溫度不變,光照改變

(b) 光照不變,溫度改變圖 8 當(dāng)外界環(huán)境突然改變時(shí)采用變步長擾動觀察法得到的仿真波形Fig.8 Simulation waveform obtained by variablestep size perturbation and observation method when the environment suddenly changes

根據(jù)圖8(a)的仿真結(jié)果可以看出當(dāng)外界光照強(qiáng)度突然降低100 W/m2時(shí),變步長擾動觀察法需要0.04 s就可以跟蹤到最大功率,穩(wěn)態(tài)震蕩率約為1.08%;圖8(b)的仿真結(jié)果可以看出當(dāng)外界溫度突然升高10 ℃時(shí),變步長擾動觀察法僅需要0.01 s就可以跟蹤到最大功率,穩(wěn)態(tài)震蕩率約為1.12%。所以無論是光照強(qiáng)度還是溫度突然改變時(shí),應(yīng)用變步長擾動觀察法都能夠快速地跟蹤到最大功率點(diǎn),并且在最大功率點(diǎn)附近波動很小,驗(yàn)證了該算法的可行性。

5 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)擾動觀察法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了一種變步長擾動觀察法,仿真結(jié)果表明了改進(jìn)的算法較傳統(tǒng)算法具有很大的優(yōu)越性,跟蹤速度較傳統(tǒng)的小步長擾動觀察法提高了約73.6%,穩(wěn)態(tài)震蕩率較大步長擾動觀察法減小了約93.5%,同時(shí)在外界環(huán)境突然改變時(shí),又可以迅速地做出響應(yīng),具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,有效的解決了傳統(tǒng)擾動觀察法尋優(yōu)速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。由于改進(jìn)算法中變步長比例因子需要根據(jù)不同的系統(tǒng)作出相應(yīng)的調(diào)整才可以達(dá)到良好的跟蹤效果,所以設(shè)計(jì)一種完全自適應(yīng)的變步長算法來解決傳統(tǒng)算法存在的缺陷將是今后需要進(jìn)一步努力的工作。