基于改進(jìn)型變步長擾動(dòng)觀察法的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)研究

浙江大學(xué) 李君妍

21世紀(jì)安全、清潔和可持續(xù)的能源供應(yīng)是最重要的科學(xué)技術(shù)，也是人類面臨的最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中光伏發(fā)電是近年來發(fā)展最快的能量轉(zhuǎn)換方法之一。為了提高光伏發(fā)電的效率，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)已成為近年來的研究熱點(diǎn)之一。但光伏發(fā)電技術(shù)相對(duì)于火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電方式較不成熟，它發(fā)電效率低、受環(huán)境影響大，如何提高發(fā)電效率是近幾年研究的熱門內(nèi)容之一。

光強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載都是影響太陽能電池輸出特性的主要因素，在電壓一定的基礎(chǔ)上輸出功率才能達(dá)到最大值，因此太陽能電池可在最短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大的電能。而在此過程中，太陽能電池輸出功率特性曲線的最高點(diǎn)則為電壓功率點(diǎn)，其被稱之為最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）。通過分析太陽能電池的輸出特性，在溫度和光照同時(shí)變化時(shí)，這種情況下最大功率點(diǎn)的范圍跨度會(huì)變大。在光伏發(fā)電過程中，可對(duì)太陽能板的發(fā)電電壓通過運(yùn)用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并追蹤發(fā)電的最高電壓以及電流值，以此能實(shí)現(xiàn)最大化的系統(tǒng)輸出功率，進(jìn)而促使光伏發(fā)電的效率有效提高，使得光伏發(fā)電的成本在一定程度上減少。

1 傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

目前國內(nèi)外研究人員一般情況下都會(huì)運(yùn)用到的最大功率點(diǎn)跟蹤法包括恒壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

恒壓跟蹤法。是太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法中較早期的策略之一，是建立在恒定的電壓值基礎(chǔ)上保持以及控制光伏陣列的輸出電壓，在此過程中只需獲得最大功率點(diǎn)輸出對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)電壓數(shù)據(jù)控制電池的輸出電壓。這種方法從根本意義上并不屬于真正的MPPT控制方法，其主要原因是在于如果外界環(huán)境發(fā)生變化，那么在運(yùn)用這種方法時(shí)并不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤到新的最大功率點(diǎn)處。

電導(dǎo)增量法。具備較為復(fù)雜的跟蹤過程，且檢測(cè)精度會(huì)受在很大程度上影響到最大功率點(diǎn)跟蹤的速度以及準(zhǔn)確率。

擾動(dòng)觀察法。在實(shí)際運(yùn)用過程中需通過調(diào)整參考電壓、針對(duì)于最大功率點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，并要建立在P=UI計(jì)算擾動(dòng)前后光伏陣列的輸出功率的基礎(chǔ)上，比較擾動(dòng)前輸出功率以及擾動(dòng)后輸出功率，本質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)尋找最優(yōu)解的方法，故而又被稱之為爬山法。其缺點(diǎn)是在實(shí)際運(yùn)用過程中并不能做到同時(shí)兼?zhèn)湓谧畲蠊β庶c(diǎn)附近的擺動(dòng)及造成的功率損耗和穩(wěn)態(tài)精度與跟蹤速度。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了以下方案：對(duì)爬坡率進(jìn)行修改優(yōu)化，對(duì)擾動(dòng)觀察法在運(yùn)用過程中的復(fù)合控制策略進(jìn)行修改優(yōu)化，能使MPPT的整體性能獲得進(jìn)一步改善；針對(duì)于跟蹤速度以及穩(wěn)態(tài)精度同時(shí)存在的問題，可通過恒定電壓法與擾動(dòng)觀察法相互結(jié)合的復(fù)合控制策略加以解決。但無論是恒壓跟蹤法還是擾動(dòng)觀察法以及電導(dǎo)增量法，其在實(shí)際運(yùn)用過程中都存在著電壓增量步長不容易確定的問題，這種情況下也就意味著應(yīng)深入研究步長的設(shè)定。

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法原理。傳統(tǒng)的定步長擾動(dòng)觀察法在改變輸出功率的過程中，是通過對(duì)光伏電池工作的每個(gè)周期內(nèi)的電壓施加擾動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，以此對(duì)功率進(jìn)行尋優(yōu)[1]。它的特點(diǎn)為加入一個(gè)干擾，利用干擾的影響追蹤最大功率點(diǎn)。其步長為dk=dk-1±N×Δd，其中Δd是最小設(shè)定步長，N是大于0的整數(shù)，N的值越大則表示調(diào)整的步長越大，反之調(diào)整的步長越小。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 改進(jìn)的變步長擾動(dòng)觀察法MPPT的模型

傳統(tǒng)定步長擾動(dòng)觀察法也有缺點(diǎn)：擾動(dòng)步長變小能實(shí)現(xiàn)功率振蕩減小，但卻會(huì)加長跟蹤時(shí)間；反之，擾動(dòng)步長變大雖能實(shí)現(xiàn)縮短蹤時(shí)間，但卻會(huì)導(dǎo)致功率振蕩變大。存在跟蹤速度和跟蹤精度二者不可兼得的缺點(diǎn)[2]。本文對(duì)步長進(jìn)行了較為合理的取值，比較之前和之后測(cè)得的兩個(gè)功率值后，如果兩個(gè)值變化很小則意味著輸出功率接近最大功率點(diǎn)，此時(shí)的步長變化很小。反之，如果兩個(gè)值變化很大，由于輸出功率不在最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)的階躍變化也變化較大，階躍變化較大可減小功率波動(dòng)并提高跟蹤速度。

該模型令前后兩次的步長dk、dk-1滿足 dk=f|ΔP|/dk-1，其中dk的取值在0與1之間變化；|ΔP|=P(k)-P(k-1)，表示功率的變化；f反應(yīng)了步長調(diào)節(jié)的靈敏性，是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)ΔP很小時(shí)|ΔP|/dk-1也很小，那么dk很小即步長變??；同理當(dāng)|ΔP|很大時(shí)|ΔP|/dk-1也很大，dk很大即步長變大，因此可以提高跟蹤最大功率的速度。

調(diào)節(jié)Boost電路中PWM信號(hào)的占空比可以進(jìn)行與光伏列陣的輸出阻抗匹配，可減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因此可將光伏發(fā)電接入Boost電路中，實(shí)現(xiàn)MPPT。

2.2 仿真

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏陣列、MPPT跟蹤控制器、直流變換器及負(fù)載。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1。MPPT跟蹤控制器通過電流、電壓傳感器檢測(cè)得到光伏陣列的輸出電流Ip與輸出電壓Up，兩者相乘得到其輸出功率。比較輸出功率與最大功率間的差值通過MPPT跟蹤控制器調(diào)整光伏陣列的輸出電壓期望值UREF，將UREF與Up進(jìn)行比較，控制得到期望的PWM波，使得Up能夠跟隨UREF，從而光伏電池即能工作在最大功率點(diǎn)上。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

2.3 仿真結(jié)果與分析

光強(qiáng)和溫度變化時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓的變化被稱之為仿真結(jié)果。通過變換器輸出的提供給負(fù)載的功率被稱之為輸出功率；太陽能電池發(fā)出的輸入給變換器的功率被稱之為輸入功率。設(shè)置溫度一開始為25℃，0.1s時(shí)溫度變?yōu)?5℃，0.2s時(shí)溫度變?yōu)?5℃。光照強(qiáng)度一開始為1000W/m2，0.1s時(shí)為600W/m2，0.2s時(shí)為800W/m2。

圖2顯示了溫度和光強(qiáng)變化時(shí)，采用傳統(tǒng)定步長P&O法光伏電源的輸出功率，由圖可知，光伏列陣達(dá)到最大功率的時(shí)間相對(duì)較長且存在著功率的波動(dòng)。圖3顯示了采用改進(jìn)的變步長擾動(dòng)法后光伏系統(tǒng)輸出的功率波形圖，圖中輸出功率能很快到達(dá)最大功率點(diǎn)，而且在0.2s與0.4s外界條件變化時(shí)，輸出的功率很穩(wěn)定。因此，本文提出的改進(jìn)的P&O方法精度更高，到達(dá)最大功率點(diǎn)的速度更快，功率波動(dòng)較小，在實(shí)際情況中應(yīng)用度更高。本文模型和傳統(tǒng)定步長P&O模型間的指標(biāo)分別為：到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)間0.01s/0.06s，功率波動(dòng)較小/較大，誤差百分比13.66%/20.86%。

圖2 傳統(tǒng)P&O法下輸出功率

圖3 改進(jìn)變步長P&O法下輸出功率

綜上，未來MPPT的研究中可考慮如下改進(jìn)：更多研究比較不同算法的仿真結(jié)果，得出在不同規(guī)模、地區(qū)、用途下的環(huán)境中應(yīng)使用哪一種算法；挑選跟蹤效果、硬件設(shè)備、算法復(fù)雜程度都較優(yōu)的算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，比較與仿真結(jié)果的差別。