基于變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)控制策略研究

錢(qián)申晟 黃云峰 奚培鋒

摘 要：本文基于擾動(dòng)觀測(cè)分析最大功率點(diǎn)追蹤算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于變步長(zhǎng)的光伏MPPT控制方法，并進(jìn)行仿真研究。結(jié)論如下：改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法可以減少穩(wěn)定時(shí)間，增加穩(wěn)定精度，減弱穩(wěn)定擾動(dòng)，具有更好的輸出特性，能對(duì)環(huán)境變化快速響應(yīng)，并且具有良好的跟蹤特性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;最大功率跟蹤;變步長(zhǎng);擾動(dòng)觀測(cè)法

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）04-0126-03

Abstract： In this paper， based on the disturbance observation and analysis of the advantages and disadvantages of MPPT algorithm， a photovoltaic MPPT control method based on variable step size was proposed and simulated. The conclusion is as follows： the improved disturbance observation method can reduce the stability time， increase the stability accuracy， weaken the stability disturbance， have better output characteristics， can respond to the environmental change quickly， and have good tracking characteristics.

Keywords： photovoltaic power generation;maximum power tracking;variable step size;perturbation and observation method

隨著能源枯竭和環(huán)境污染狀況越來(lái)越嚴(yán)重，太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源已逐漸引起世界關(guān)注，成為世界能源非常重要的部分。太陽(yáng)能具有分布廣泛、清潔、無(wú)污染、安全的優(yōu)點(diǎn)，因此成為最有價(jià)值的新能源之一。隨著太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-2]。為了提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的利用效率，始終以最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）運(yùn)行太陽(yáng)能電池作為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，因此需要對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)進(jìn)行更深入的研究。

目前，相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對(duì)MPPT的研究更加廣泛，各種MPPT算法正在涌現(xiàn)。最大功率點(diǎn)跟蹤方法較多，如擾動(dòng)觀測(cè)法、恒定電壓法、模糊控制方法和導(dǎo)納增量法。楊旭等人的研究[3]優(yōu)化了擾動(dòng)觀測(cè)方法，并通過(guò)在相鄰矩的功率變化較大時(shí)使用較大的步長(zhǎng)，在功率轉(zhuǎn)換較小時(shí)使用較小的步長(zhǎng)來(lái)有效提高跟蹤效率。邱星星等人的研究[4]中提出的功率預(yù)測(cè)變步長(zhǎng)擾動(dòng)的觀測(cè)方法可以很好地解決跟蹤速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，并且在外部環(huán)境突然變化時(shí)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。劉慧文等人的研究[5]將光伏陣列的輸出功率變化間隔分為三個(gè)部分，并通過(guò)確定區(qū)間和選擇步長(zhǎng)來(lái)有效確定跟蹤效率。王杰、呂晨旭和孫志松[6-8]分別采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和克隆選擇算法來(lái)實(shí)現(xiàn)快速和高效控制。但是，由于算法的復(fù)雜性，實(shí)際上很難大規(guī)模推廣，并且目前僅限于實(shí)驗(yàn)室模擬和理論研究。本文基于擾動(dòng)觀測(cè)分析最大功率點(diǎn)追蹤算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于變步長(zhǎng)的光伏MPPT控制方法，并進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明該方法具有更好的穩(wěn)定性。

1 光伏發(fā)電

1.1 光伏電池電路模型

光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖中，[Iph]為光生電流;[Id]為流入二極管的電流;[I]為光伏電池輸出的電流;[V]為負(fù)載端電壓;[R]為電池的負(fù)載電阻;[Rs]和[Rsh]分別為等效串并聯(lián)電阻。光伏電池的輸出I-V特性為：

式中，[I0]為光伏電池內(nèi)部等效二極管PN結(jié)反向飽和電流;[q]為電荷量，值為[1.6×10-19]C;[k]為玻爾茲曼常數(shù)，值為[1.38×10-23]J/K;[T]為絕對(duì)溫度，[K]。

光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤的實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程，也就是說(shuō)，通過(guò)控制端電壓或其他物理量，光伏電池可以在各種光照強(qiáng)度和溫度環(huán)境變化下智能地發(fā)出最大功率。

光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）為光伏陣列I-V特性曲線上的峰值，當(dāng)工作點(diǎn)位于該點(diǎn)時(shí)，光伏陣列達(dá)到最大的能量轉(zhuǎn)換效率，光伏電源產(chǎn)生的功率最大。

2 改進(jìn)算法

在現(xiàn)有的傳統(tǒng)擾動(dòng)干擾法MPPT算法中，由于步長(zhǎng)是固定的，因此不能同時(shí)考慮響應(yīng)因子和穩(wěn)定性精度。鑒于干擾觀測(cè)方法的不足，可以采用變步長(zhǎng)光伏發(fā)電MPPT控制算法。該算法的流程圖如圖2所示。

通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏輸出電壓[U（k）]和輸出電流[I（k）]，并計(jì)算電流輸出功率[P（K）]，然后，在下一個(gè)時(shí)刻檢測(cè)太陽(yáng)能電池的輸出電壓[U（k+1）]和輸出電流[I（k+1）]，在下一個(gè)時(shí)刻計(jì)算相應(yīng)的輸出功率[P（K+1）]，最后得到[dP/dU]。根據(jù)[P-U]曲線的斜率可知，當(dāng)與MPP點(diǎn)的距離越近時(shí)，則[|dP/dU|]越小;當(dāng)離MPP越遠(yuǎn)時(shí)，則[|dP/dU|]增加。比較兩個(gè)相鄰時(shí)間的[|dP/dU|]，若[|dP/dU|]的當(dāng)前值大于前一時(shí)刻的值，表明實(shí)際工作點(diǎn)距離MPP較遠(yuǎn)。此時(shí)，[N]可以輸出更大的值。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腫N1]，可以將實(shí)際工作點(diǎn)快速定位在MPP的當(dāng)前值附近。[|dP/dU|]選擇較小的[N2]值以確保穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。通過(guò)修改步長(zhǎng)因子，光伏MPPT系統(tǒng)既具有較快的跟蹤速度，又具有較不穩(wěn)定的狀態(tài)振動(dòng)。在這里，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)連續(xù)獲得[N1]和[N2]的某些值。

3 仿真結(jié)果比較分析

3.1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法仿真分析

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即[T=25]℃，[S=1 000]W/m2，取步長(zhǎng)0.000 5，采用基本擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPPT所需時(shí)間約為0.44s，輸出功率、電流、電壓均有不錯(cuò)的精度，但由于擾動(dòng)觀測(cè)法的固有缺陷，輸出電壓和輸出電流在最大功率點(diǎn)附近仍存在一定的波動(dòng)，其值在允許波動(dòng)范圍之內(nèi)。

3.2 改進(jìn)的變步長(zhǎng)弱振蕩方法仿真分析

采用改進(jìn)后的變步長(zhǎng)弱振蕩擾動(dòng)觀測(cè)法，一級(jí)步長(zhǎng)采用0.002，以期望獲得較快跟蹤速度，二級(jí)步長(zhǎng)采用0.000 5，以獲取更高精度，其仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：系統(tǒng)以較快的速度實(shí)現(xiàn)了MPPT，時(shí)間約為0.16s，由于二級(jí)步長(zhǎng)采用了較小的值，因此至少與直接采用步長(zhǎng)0.000 5具有相同的精度，保證使用此技術(shù)處理后的每個(gè)參數(shù)的誤差極小，幾乎與處理前的穩(wěn)定平均值相同。與現(xiàn)有算法相比，改進(jìn)后的算法減少了能量損失，并有效提高了光伏陣列的效率;改進(jìn)后的算法可以更好地平衡跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度，有效解決了傳統(tǒng)算法精度和速度之間的實(shí)際矛盾。可見(jiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，改進(jìn)的干擾觀測(cè)方法具有較高的性能。

4 結(jié)論

本文研究了擾動(dòng)觀測(cè)MPPT擾動(dòng)的基本方法，并提出了一種可變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)方法，以解決兩個(gè)方面的固有缺陷，同時(shí)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)論如下：改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法可以減少穩(wěn)定時(shí)間，增加穩(wěn)定精度，減弱穩(wěn)定擾動(dòng)，具有更好的輸出特性，能對(duì)環(huán)境變化快速響應(yīng)，并且具有良好的跟蹤特性。

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