基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏系統(tǒng)MPPT研究

郭昆麗，閆 東，付建哲

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院新能源研究所，陜西 西安 710600)

光伏發(fā)電因其資源豐富且對(duì)環(huán)境友好受到廣泛的關(guān)注，然而光伏電池屬于非線性裝置，受到光照強(qiáng)度、溫度等外界環(huán)境的影響，輸出功率時(shí)刻都在發(fā)生改變[1]。為了在一定的限定條件下提高光伏電池對(duì)能量的轉(zhuǎn)換效率，降低光伏發(fā)電產(chǎn)品的制造成本，使得光伏陣列輸出最大功率，就需要運(yùn)用一些算法對(duì)其進(jìn)行跟蹤[2]。當(dāng)前的主要算法有擾動(dòng)觀察法、模糊控制法、粒子群算法等，但是每種算法都有優(yōu)缺點(diǎn)，需要選擇合適的方法用于最大功率追蹤(MPPT)[3-7]。

文獻(xiàn)[8]提出一種自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法用于最大功率追蹤，對(duì)于光伏電池輸出功率的變化，不斷調(diào)整電壓擾動(dòng)值，追蹤花費(fèi)時(shí)間少，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)震蕩小，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)越，但是采樣過(guò)程增加了低通濾波器，系統(tǒng)工作較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]將擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法結(jié)合追蹤最大功率，追蹤最大功率花費(fèi)時(shí)間短，但其兩級(jí)步長(zhǎng)的選取應(yīng)相匹配，否則難以保證穩(wěn)態(tài)性能。文獻(xiàn)[10]將恒定電壓法和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法相結(jié)合的算法用于MPPT，追蹤速度快，但是穩(wěn)態(tài)震蕩大。

針對(duì)以上問(wèn)題本文提出一種將恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法三種算法相結(jié)合的改進(jìn)算法用于最大功率追蹤，避免了恒定電壓法容易受到外界環(huán)境的影響難以追蹤到最大功率的缺點(diǎn)，同時(shí)又兼具擾動(dòng)觀察法易于實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)增量法穩(wěn)態(tài)震蕩較小的特點(diǎn)，有效解決擾動(dòng)觀察法跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，降低了光伏發(fā)電產(chǎn)品的成本。

1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法

如圖1所示，光照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度越低光伏電池輸出功率越大，溫度一定時(shí)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，輸出功率越大，且每條P-U曲線都有一個(gè)最大功率點(diǎn)和與之相對(duì)應(yīng)的電壓。

擾動(dòng)觀察法具體流程如圖2。

如圖2所示，U(k)、I(k)、P(k)為當(dāng)前時(shí)刻檢測(cè)的光伏電池電壓、電流、功率，U(k－1)、I(k－1)、P(k－1)為上一時(shí)刻檢測(cè)的光伏電池電壓、電流、功率。

圖1 光伏電池輸出特性曲線

這種控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)：步長(zhǎng)過(guò)大，擾動(dòng)次數(shù)減小，需要花費(fèi)的時(shí)間少，但是穩(wěn)態(tài)震蕩較大，能量損耗過(guò)大；步長(zhǎng)過(guò)小，需要擾動(dòng)次數(shù)增大，花費(fèi)時(shí)間多，但是到達(dá)穩(wěn)態(tài)震蕩較小，能量損耗小。此外，如果外界環(huán)境變化大，可能造成一定情況的誤動(dòng)，難以追蹤到最大功率。

2 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法

針對(duì)以上傳統(tǒng)方法表現(xiàn)出來(lái)追蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度所存在的矛盾，本文將恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法三種方法相結(jié)合，用于最大功率追蹤。

圖2 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程圖

由P-U曲線可知，最大功率點(diǎn)左側(cè)斜率為正，隨著光伏電池輸出電壓的增加，斜率逐漸減小，到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)斜率為零；最大功率點(diǎn)右側(cè)斜率為負(fù)，且隨著光伏電池輸出電壓減小，斜率逐漸減小，到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)斜率為零。基于此，改進(jìn)算法先用恒定電壓法使得光伏電池輸出功率靠近最大功率點(diǎn)，再對(duì)爬坡的斜率進(jìn)行判斷，采用大步長(zhǎng)ΔU1進(jìn)一步靠近最大功率點(diǎn)，最后采用小步長(zhǎng)ΔU2追蹤到最大功率，這樣既縮短了追蹤時(shí)間，又減小了到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)的震蕩，具體流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提算法的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink中搭建仿真，參數(shù)設(shè)置為開(kāi)路電壓Uoc=43.3 V，短路電流Isc=10.84 A，最大功率點(diǎn)電壓Um=39 V，最大功率點(diǎn)電流Im=10.35 A，溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2，a=1×10－2W，b=3×10－3W。

采用算法一進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示；采用算法二進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示；采用算法三進(jìn)行仿真，擾動(dòng)觀察法步長(zhǎng)ΔU1=2×10－3V，ΔU2=2×10－4V，結(jié)果如圖6所示。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

圖4 算法一仿真結(jié)果圖

圖5 算法二仿真結(jié)果圖

圖6 算法三仿真結(jié)果圖

表1 3種算法下的仿真結(jié)果

從表1可以看出，算法二比算法一到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間少，追蹤速度快，且穩(wěn)態(tài)震蕩減小了56.74%；算法三到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間接近算法一的一半，但穩(wěn)態(tài)震蕩率減小了90.72%；改進(jìn)算法三到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間比算法二減小了32.35%，但穩(wěn)態(tài)震蕩率減小了78.54%。由此可知，算法三不僅縮短了最大功率追蹤的時(shí)間，而且也降低了穩(wěn)態(tài)震蕩的幅度，解決了追蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，具有良好的追蹤效果。

3.2 驗(yàn)證改進(jìn)算法的跟蹤情況

為了驗(yàn)證當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，改進(jìn)算法能否快速適應(yīng)環(huán)境的改變，追蹤到最大功率，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)是溫度為25℃不變，光照強(qiáng)度S從1 000 W/m2開(kāi)始，在0.1 s時(shí)降低為700 W/m2，在0.2 s時(shí)升為900 W/m2，可以看出追蹤效果良好，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)震蕩較?。粓D7(b)是光照強(qiáng)度S為1 000 W/m2不變，溫度從25℃在0.1 s時(shí)升為35℃，在0.2 s時(shí)降為30℃，可以看出由于溫度變化量有限，功率波動(dòng)并不明顯。從圖7可以看出當(dāng)光照強(qiáng)度改變或溫度改變時(shí)，改進(jìn)算法仍然具有良好的追蹤效果。

圖7 仿真結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，IGBT采用SKM300GB12T4，二極管使用DH2χ61-18A，光伏陣列模擬器使用E4350B，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，其中DSP芯片使用TMS320F28335型號(hào)，示波器為T(mén)EK-TPS2024型號(hào)，光伏陣列模擬器參數(shù)設(shè)置為Uoc=61.4 V，Isc=10.23 A，Um=49.1 V，Im=8.31 A,溫度為25℃，光照強(qiáng)度S為1 000 W/m2。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8中，通道1為光伏陣列輸出的電壓波形，通道2為光伏陣列輸出的電流波形，通道3為光伏陣列輸出的功率波形。從圖8(a)可以看到改進(jìn)算法的啟動(dòng)時(shí)間為0.48 s，速度較快，從圖8(b)可以看出光照從1 000 W/m2降低為600 W/m2，改進(jìn)算法追蹤到最大功率點(diǎn)用時(shí)0.24 s，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.47%，穩(wěn)態(tài)性能較好。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法步長(zhǎng)大，花費(fèi)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)震蕩大和步長(zhǎng)小，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)震蕩小的問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法一方面能夠縮短最大功率追蹤的時(shí)間，另一方面降低了到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)震蕩的幅度，減小了能量的損失，具有良好的追蹤效果。

(2)溫度不變，光照強(qiáng)度的改變對(duì)于最大功率具有明顯影響：光照增加，光伏陣列輸出功率明顯增加；光照減小，輸出功率明顯減小；光照強(qiáng)度不變，溫度改變，功率變化不大。