擾動(dòng)觀察法的MPPT負(fù)載突變誤判現(xiàn)象研究

王春圣

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌， 330013）

擾動(dòng)觀察法的MPPT負(fù)載突變誤判現(xiàn)象研究

王春圣

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌， 330013）

在光伏系統(tǒng)中，Boost電路常常作為前級(jí)電路，使其工作在最大功率點(diǎn)處，以向后級(jí)電路傳輸最大的能量。然而在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于后級(jí)電路在調(diào)整過程中以及到達(dá)穩(wěn)態(tài)后負(fù)載的加載、掉載等原因，會(huì)造成后級(jí)電路等效輸入電阻（前級(jí)電路輸出電阻）發(fā)生變化。因此可能會(huì)造成前級(jí)Boost電路功率點(diǎn)比較發(fā)生錯(cuò)誤，從而發(fā)生誤判現(xiàn)象。針對(duì)前級(jí)電路在應(yīng)用擾動(dòng)觀察法做MPPT時(shí)，負(fù)載突變對(duì)電路誤判的影響，對(duì)電路從開始調(diào)整到電路穩(wěn)態(tài)后的全過程中的誤判現(xiàn)象做了理論分析和總結(jié)。最后搭建了Boost實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證了分析的正確性。

Boost電路；最大功率點(diǎn)跟蹤；擾動(dòng)觀察法；負(fù)載突變

常用的光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤（max power point tracking，MPPT）算法包括固定電壓或電流跟蹤法［1］、擾動(dòng)觀察法和導(dǎo)納增量法［2-3］等，其中擾動(dòng)觀察法由于算法簡潔、容易實(shí)現(xiàn)、與光伏陣列的電氣特性參數(shù)無關(guān)和跟蹤效率高的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的實(shí)現(xiàn)方法是給光伏電池的輸出電壓一個(gè)擾動(dòng)，通過判斷擾動(dòng)方向和功率方向使電路最終工作在最大功率點(diǎn)。

近年來，雖有不少學(xué)者對(duì)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了一些改進(jìn)，提出了一些新的方法，如變步長的擾動(dòng)觀察法［4］，根據(jù)斜率調(diào)整的擾動(dòng)觀察法［5］，定電壓啟動(dòng)與擾動(dòng)觀察法結(jié)合的方法［6-7］等。但它們本質(zhì)還是擾動(dòng)觀察法，因此也會(huì)存在上述問題。前級(jí)電路在做MPPT時(shí)，由于前級(jí)電路負(fù)載發(fā)生變化而引起的電路功率點(diǎn)比較誤判現(xiàn)象尚無人研究。本文即以Boost電路為例，對(duì)應(yīng)用擾動(dòng)觀察法做MPPT時(shí)，電路負(fù)載發(fā)生突變對(duì)MPPT的誤判現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，并把電路運(yùn)行過程中可能會(huì)發(fā)生的誤判做了全面總結(jié)。最后用DSP作為控制芯片，搭建了Boost實(shí)驗(yàn)電路，并驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 原理與推導(dǎo)

1.1 Boost電路最大功率點(diǎn)的求解

Boost電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中US相當(dāng)于光伏輸入電壓，Uin相當(dāng)于光伏輸出電壓，Rin為輸入電阻，R0為輸出電阻（相當(dāng)于后級(jí)電路等效輸入電阻），L為主電路電感，Q為開關(guān)管，DR為二極管，Co為輸出濾波電容。

假定電路中各個(gè)器件均為理想器件，依據(jù)輸入功率等于輸出功率的原理，由電路可得如下公式。

圖1 Boost電路MPPT結(jié)構(gòu)Fig.1 MPPT structure of Boost circuit

1.2 不同負(fù)載R下各曲線交點(diǎn)處D值的求解

不同負(fù)載下功率與占空比關(guān)系的仿真波形如圖2所示，其中D為占空比，P為輸入功率。R1，R0，R2分別為不同負(fù)載下的電阻值。其中R1＞R0＞R2，R0曲線為系統(tǒng)初始工作負(fù)載，系統(tǒng)由R0曲線到R2曲線為負(fù)載增大，系統(tǒng)由R0曲線到R1曲線為負(fù)載減小。根據(jù)圖2曲線中D1，D2，D3點(diǎn)，可將其劃分為3個(gè)區(qū)間。分別為 1，2，3區(qū)間。

下面以圖2中D2點(diǎn)為例對(duì)D進(jìn)行求解。根據(jù)（1）（2）式推導(dǎo)可知：

圖2 不同負(fù)載時(shí)的功率與占空比關(guān)系波形Fig.2 Relationship waveform of power and duty cycle in different load

2 負(fù)載突變誤判現(xiàn)象分析

2.1 穩(wěn)態(tài)前負(fù)載突變引起的誤判分析

以系統(tǒng)運(yùn)行在1區(qū)間為例，對(duì)在此區(qū)間上發(fā)生的負(fù)載突變（增大或減小）是否會(huì)發(fā)生誤判進(jìn)行分析。如圖2所示，1區(qū)間時(shí)：假設(shè)某時(shí)刻功率為P0，由于占空比D的擾動(dòng)方向是一直增大的，故在此功率P0后一時(shí)刻D繼續(xù)增大。若此時(shí)負(fù)載由R0突變到R1，則當(dāng)前拍功率P1小于P0，則下一時(shí)刻D將減小以使功率增大，但這正與R1的功率調(diào)整方向相反，故會(huì)有一拍的誤判進(jìn)行調(diào)整。

若此時(shí)負(fù)載由R0突變到R2，則當(dāng)前拍功率P1大于P0，則下一時(shí)刻D將續(xù)增大以使功率增大，這與R2的功率調(diào)整方向相同，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生誤判。系統(tǒng)運(yùn)行在各個(gè)區(qū)間時(shí)的誤判現(xiàn)象如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)前負(fù)載突變引起的誤判Tab.1 Misjudgment resulted from load mutation before the steady state

2.2 系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后負(fù)載突變引起的誤判分析

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后示意圖如圖3所示，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后D的變化將從Ⅰ時(shí)刻到Ⅱ時(shí)刻，再到Ⅲ時(shí)刻，再到Ⅳ時(shí)刻，再到Ⅴ時(shí)刻，并在這5個(gè)點(diǎn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，其中Ⅱ時(shí)刻和Ⅳ時(shí)刻為最大功率點(diǎn)，Ⅴ時(shí)刻和Ⅰ時(shí)刻是功率相同的時(shí)刻。此圖反應(yīng)了進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電路在最大功率點(diǎn)附近來回?cái)_動(dòng)，這正是傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的特點(diǎn)。

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，負(fù)載突變引起的誤判分析方法同穩(wěn)態(tài)前負(fù)載突變引起的誤判分析相同，在此不再贅述。表2總結(jié)了系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后運(yùn)行在各個(gè)時(shí)刻時(shí)的誤判現(xiàn)象。

圖3 穩(wěn)態(tài)后功率點(diǎn)變化示意圖Fig.3 Power point variation diagram after the steady state

表2 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后負(fù)載突變引起的誤判Tab.2 Misjudgment resulted from load mutation in the steady state

3 算法流程及波形

在做MPPT時(shí)，采用直接擾動(dòng)占空比的方法，即先給一個(gè)初始增加的占空比擾動(dòng)，通過檢測電路輸出功率的變化來判斷占空比擾動(dòng)方向是否正確，使電路最終工作在最大功率點(diǎn)附近。具體的程序流程如圖4所示。

Uin擾動(dòng)的實(shí)際波形如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為100 ms/格；縱坐標(biāo)為Uin幅值，單位為2 V/格。從圖中可清楚地看出Uin從開始擾動(dòng)到穩(wěn)定的整個(gè)調(diào)整過程，以及系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后Uin的擾動(dòng)情況。圖5還標(biāo)出了與圖2中3個(gè)區(qū)間以及圖3中5個(gè)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 MPPT算法流程Fig.4 MPPT algorithm flow

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 Uin擾動(dòng)實(shí)際波形圖Fig.5 Uinperturbation actual waveform graph

根據(jù)上述分析，以DSP為控制芯片設(shè)計(jì)了Boost最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)電路。電路中主要參數(shù)為輸入電壓20 V，開關(guān)管頻率為40 kHz，輸入電阻為1 Ω，主電路電感值為1 000 uH，濾波電容2 200 uF，輸出穩(wěn)壓電容470 uF，二極管用NF835。控制芯片采用TI公司的DSP（TMS320F2812）芯片。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯以便于觀察，實(shí)驗(yàn)時(shí)所取D的擾動(dòng)量大小為0.05。輸出電阻R0為4 Ω，R2為2 Ω，R1為8 Ω。其中縱坐標(biāo)單位為2 V/格，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為100 ms/格。受篇幅所限，只給出穩(wěn)態(tài)前負(fù)載突變引起的誤判實(shí)驗(yàn)波形，如圖6～圖8。

圖6 1區(qū)間負(fù)載突變波形Fig.6 Interval 1 load mutation waveform

圖7 2區(qū)間負(fù)載突變波形Fig.7 Interval 2 load mutation waveform

5 結(jié)論

圖8 3區(qū)間負(fù)載突變波形Fig.8 Interval 3 load mutation waveform

應(yīng)用擾動(dòng)觀察法做MPPT時(shí)，對(duì)由于前級(jí)電路負(fù)載突變引起的系統(tǒng)可能發(fā)生的誤判現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，并對(duì)所有可能發(fā)生的誤判進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。最后用Boost電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面的理論分析完全一致，從而證明了理論分析的正確性。

［1］ XIAO WEIDONG，DUNFORD W G.A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems［C］//Power Electronics Specialists Conference，2004 PESC IEEE 35thAnnual，Canada：UBC CIRCLE，2004：1957-1963.

［2］FEMIA N，PETRONE G，SPAGNUOLO G，et al.Optimizing sampling rate of P&O MPPT technique［C］//Power Electronics Specialists Conference，PESC IEEE 35thAnnual，Canada：UBC CIRCLE，2004：1945-1949.

［3］王飛，余世杰，蘇建徽，等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：72-74，91.

［4］朱銘煉，李臣松，陳新，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)MPPT的變步長擾動(dòng)觀察法［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（1）20-22.

［5］徐鵬威，劉飛，劉邦銀，等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)［J］.電力電子技術(shù)，2007，41（5）3-5.

［6］ JUNG YOUNGSEOK，SO JUNGHUN，YU GWONJONH，et al.Improved perturbation and observation method（P&O）of MPPT control for photovoltaic power systems［C］//Photovoltaic Specialists Conference，2005 Conference Record of the Thirty-first IEEE，Southkorea：Computing Literature，2005：1788-1791.

［7］郭會(huì)娜，黃洪全.擾動(dòng)觀察法與滯環(huán)比較法實(shí)現(xiàn)MPPT的比較分析［J］.電力電子技術(shù)，2008，44（1）20-22.

［8］趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

On Misjudgment Phenomenon of MPPT Load Mutation Based on Perturbation and Observation Method

Wang Chungsheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In the photovoltaic system，Boost circuit acts as a preceding circuit to transmit maximum energy to backward circuit，achieving maximum power point.However，in the system operation，loading and off load in backward circuit adjustment may cause changes in equivalent input resistance.As a result，there will be something wrong with preceding Boost circuit power point，which may lead to misjudgment phenomenon.The paper focuses on effect of load mutation on circuit misjudgment when perturbation and observation method is applied to make MPPT.Misjudgment of the whole circuit process from adjusting to circuit steady state is analyzed and summarized.Finally，Boost circuit is established to verify its correctness。

Boost circuit；maximum power point tracking；perturbation and observation method；mutational load

TM464

A

1005-0523（2012）03-0083-05

2012-04-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51067004）；江西省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2010BGA02000）

王春圣（1986－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。