基于改進型擾動觀察法的MPPT 控制策略研究

樓伯良，吳 俊，黃弘揚，馬智泉，徐群偉

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著人類環(huán)保意識的增強，新能源受到的關注越來越廣泛。太陽能作為新能源的一個分支，具有取之不盡，用之不竭的特點[1-2]。如何有效利用太陽能成為當下研究的焦點和熱點，而光伏發(fā)電作為利用太陽能的一個有效途徑，怎樣提高太陽能轉化效率的問題得到國內外專家的廣泛關注，因此，MPPT（最大功率點跟蹤）技術應運而生。

當前，相關領域專家和學者對MPPT 的研究越來越廣泛，各種MPPT 算法層出不窮。文獻[3]對傳統(tǒng)擾動觀察法進行了優(yōu)化，當相鄰時刻的功率變化較大時采用大步長，功率變換較小時采用小步長，有效提高了跟蹤效率。文獻[4]所提出的功率預測變步長擾動觀察法能很好地解決跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾，外界環(huán)境突變時，具有較強抗干擾能力。文獻[5]把光伏系統(tǒng)輸出功率變化區(qū)間劃分為3 個區(qū)段，通過判斷區(qū)間來選擇步長，有效提高了跟蹤效率。文獻[6-9]分別采用了模糊控制、神經網絡控制、自適應控制和克隆選擇算法，均能實現(xiàn)又快又好的控制。但是由于算法復雜，難以在實際中得到大范圍推廣，目前多限于實驗室仿真和理論研究。本文提出了一種基于恒定電壓法結合擾動觀察法的MPPT 復合控制策略，此復合控制策略就是對傳統(tǒng)恒壓法和擾動觀察法取長補短，實現(xiàn)動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)精度的共存。

1 光伏電池數學模型簡化

1.1 光伏電池電路模型

由文獻[10]通用光伏電池模型得到光伏組件等效電路模型，如圖1 所示。

圖1 光伏電池電路模型

PV 電池的I-U 輸出如式（1）所示：

式中：Io為反向飽和電流；Iph為光生電流；I 為光伏電池輸出電流；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效旁漏電阻；T 為絕對溫度；A 為二極管因子；系數K=1．38×10-23J/K；電荷量q=1．6×10-9C。

為得到簡化光伏電池模型，此處僅需4 個參數，分別為開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點對應電流Im和最大功率點對應電壓Um，就可以描述光伏電池特性，Uoc，Isc，Im和Um均是在標準情況（S=1 000 W/m2，T=25 ℃）下所得。簡化式（1）可得：

1.2 PV 組件的輸出特性

在Matlab2017b/Simulink 平臺上通過搭建光伏組件模型，可得到不同光照和溫度條件下的P-U 輸出特性曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，任意一個溫度和光照都會對應一條單峰值的曲線，這個峰值點即為MPP 點，該點會對應一個電壓值，即為Um。光伏組件要時刻進行最大功率輸出，就需要對曲線的峰值點進行跟蹤，因此，需要通過MPPT 技術實現(xiàn)。

圖2 溫度、光照變化條件下的PV 組件輸出特性曲線

2 傳統(tǒng)擾動觀察法控制策略

傳統(tǒng)擾動觀察法的工作機制是通過在相鄰時刻對PV 組件輸出電壓施加一個正向擾動ΔU，判斷擾動前后時刻輸出功率的變化量ΔP，如果ΔP 大于0，則表示最大功率點位于當前工作點的右側，還需要繼續(xù)保持正向擾動；反之，則反向擾動。擾動觀察法流程如圖3 所示。由圖3 可知，擾動觀察法工作機制雖然可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤，但是步長ΔU 難以選擇，若ΔU 過大，跟蹤速度加快，但是會造成穩(wěn)態(tài)震蕩問題，降低光伏系統(tǒng)的效率；若ΔU 過小，雖然減輕了穩(wěn)態(tài)震蕩，但是存在動態(tài)響應速度遲滯問題。因此，常規(guī)擾動觀察法不能同時兼顧跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度。

3 基于恒壓法結合變步長擾動觀察法的MPPT 控制策略

由第2 節(jié)分析可知，傳統(tǒng)擾動觀察法采用定步長，會難以同時兼顧響應速度和穩(wěn)態(tài)精度問題。為了解決此問題，本文提出一種基于恒壓法和變步長擾動觀察法的MPPT 復合控制策略，復合控制策略流程如圖4 所示。

（1）恒壓法和變步長擾動觀察法的工作機制。由圖2（a）的P-U 特性曲線可知，曲線的MPP 點基本近似分布于一條垂直于x 軸的直線兩側，一般滿足Um=0．8Uoc作為光伏組件初始電壓值[11]，利用此關系可以達到快速定位MPP 附近區(qū)域的目的，可極大地加快響應速度。另外，從圖2（a）的P-U 曲線還可以看出，遠離MPP 時，斜率較大；越接近MPP 時，斜率越小，峰值處，斜率為0。因此，變步長擾動觀察法首先實時檢測相鄰時刻的I（k），I（k+1），U（k）和U（k+1）；其次計算出P（k），P（k+1），dP 和dU。由數學關系可知，在遠離MPP 時，dP/dU 越大；在接近MPP 時，dP/dU越小。 因此A=dP/dU 可以作為步長實時調整因子，以A×ΔU 為步長。在恒壓法切換到變步長擾動觀察法后，在MPP 附近可以對MPP 進行精確定位。恒壓法和變步長擾動觀察法的控制流程圖如圖4 所示。

（2）新型MPPT 算法工作機制。啟動時，利用恒壓法先快速定位到MPP 附近，再啟動變步長擾動觀察法，根據實際工作點離MPP 的位置，實時計算出步長。當實際工作點離MPP 相對較較遠時，MPP 步長越大，可加快追蹤速度；當實際工作點離MPP 相對較較近時，MPP 步長越小，可以對MPP 進行精確定位，降低震蕩程度?？梢詫崿F(xiàn)跟蹤速度與跟蹤精度的兼顧。

圖3 傳統(tǒng)擾動觀察法控制流程

圖4 基于恒壓法和變步長擾動觀察法的控制流程

4 仿真模型搭建與結果分析

在Matlab R2017b/Simulink 平臺上搭建基于Boost 電路的復合MPPT 控制模型，如圖5 所示。Boost 電路器件參數設置：電容C1=120 μF，電容C2=450 μF，電感L=15 mH，負載R=55 Ω。PV 組件的仿真參數設置：Uoc=29．96 V，Isc=7．79 A，Um=23．64 V，Im=6．05 A。另外，當標準情況下（S=1 000 W/m2，T=25 ℃）[12-15]，光伏組件最大輸出功率輸出約為143 W，Simulink 仿真總時間為2．4 s，大步長擾動觀察法的步長為0．05 s，小步長擾動觀察法的步長為0．000 1 s。

在仿真中，光照強度的變化趨勢可以自行設置，這里設置為：啟動階段，S=1 000 W/m2，t=0．8 時，光照強度突變?yōu)镾=300 W/m2；t=1．6 s 時，光照強度再次突變?yōu)镾=500 W/m2。Simulink 仿真中，分別對大步長擾動觀察法、小步長擾動觀察法和恒壓法結合變步長擾動觀察法進行仿真對比，3 種算法控制條件下的輸出功率波形如圖6—8 所示。

由圖6 可知，啟動階段，標準情況下（T=25 ℃，S=1 000 W/m2）時，在大步長擾動觀察法條件下，啟動迅速，僅用0．076 s 即可達到新穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時的輸出最大功率為141．2 W 左右且震蕩幅度較大，這是由于步長選擇大造成的，會降低光伏電池輸出效率；當t=0．8 s 時，光照突變?yōu)镾=300 W/m2，到達新的穩(wěn)態(tài)用時約為0．07 s，響應速度較快；選取2．1～2．3 s 時段的局部放大圖可以清晰看出，在S=600 W/m2的穩(wěn)態(tài)條件下，光伏組件的輸出功率在93．4～88 W 之間震蕩，震動幅度較大。

圖5 基于Boost 電路的復合MPPT 控制模型

圖6 基于大步長擾動觀察法MPPT 控制策略輸出功率波形

由圖7 可知，在小步長擾動觀察法控制條件下，啟動階段用時約為0．55 s，啟動反應緩慢，到達穩(wěn)態(tài)后的輸出最大功率為142．5 W 左右，且震蕩幅度很??；當t=0．8 s 時，光照突變?yōu)镾=300 W/m2，到達新的穩(wěn)態(tài)用時約為0．18 s，響應速度慢；選取2．1～2．3 s 時段的局部放大圖可以清晰看出，在S=600 W/m2的穩(wěn)態(tài)條件下，光伏組件的輸出功率在92～93．5 W，震蕩區(qū)間很小。

圖7 基于小步長擾動觀察法MPPT 控制策略輸出功率波形

由圖8 可知，在恒壓法結合變步長擾動觀察法控制條件下，啟動階段，恒壓法首先起作用，利用Um=0．8Uoc關系式可準確快速定位到最大功率點附近區(qū)域，隨后切換到變步長擾動觀察法對最大功率點進行精確定位。由圖8 還可以看出，啟動到新穩(wěn)態(tài)用時僅為0．078 s，達到穩(wěn)定時，最大輸出功率約為142．7 W，且震蕩幅度很小，穩(wěn)態(tài)精度高；當t=0．8 s 時，光照突變?yōu)镾=300 W/m2，到達新的穩(wěn)態(tài)用時約為0．077 s，響應速度較快；選取2．1～2．3 s 的局部放大圖可以清晰看出，在S=600 W/m2的穩(wěn)態(tài)條件下，光伏組件的輸出功率在92～93．4 W，震蕩區(qū)間很小，穩(wěn)態(tài)震蕩范圍與小步長擾動觀察法基本一致。

圖8 基于恒壓法結合變步長擾動觀察法的MPPT控制策略輸出功率波形

5 結語

針對傳統(tǒng)擾動觀察法動態(tài)和穩(wěn)態(tài)不可調和的矛盾，提出了改進型擾動觀察法MPPT 控制算法，通過對恒壓法和擾動觀察法的取長補短，進行優(yōu)勢互補，有效實現(xiàn)了又快又穩(wěn)地對MPP 的精確追蹤。相比于傳統(tǒng)擾動觀察法，改進型復合控制策略不但跟蹤速度快，而且穩(wěn)態(tài)精度高，具有良好的推廣價值。