基于自適應占空比擾動法的最大功率點跟蹤控制

李一丹，王篤亭，朱顯輝，康紅明，衛三民

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022;2.北京西電華清科技有限公司，北京 100085)

太陽能的開發利用是最終解決能源短缺、環境污染和溫室效應等問題的有效途徑［1－2］。太陽能光伏并網發電就是利用光伏電池進行光電轉換，并把太陽能電池方陣發出的直流電轉換成符合入網標準的交流電與電網聯結。

所有的光伏系統都希望光伏電池陣列在同樣日照和溫度的條件下輸出盡可能多的電能，以提高其發電效率，這就是太陽能電池陣列的最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)。如何采用更為可靠和高效的最大功率點跟蹤控制策略，使太陽能電池板更加有效地將太陽能轉換為電能，是光伏發電的關鍵技術之一［3］。截止目前，已經提出了很多最大功率點跟蹤方法，較為常用的有恒壓法、擾動觀測法和導納增量法［4－7］。擾動觀測法由于實現簡單，需要測量的參數少，是目前光伏系統中最為常見的MPPT方法。但該方法在系統達到最大功率點后會在其左右振蕩，造成較大的能量損耗。本文在此方法基礎上，分析了幾種擾動觀測法，并提出了一種能克服上述不足的自適應占空比擾動法，采用兩級變換結構的光伏發電系統實現對光伏電池陣列最大功率點跟蹤。

1 光伏并網發電系統的結構

目前中國光伏發電系統的設計主要采用兩級變換結構，如圖1所示。發電系統包括DC/DC和DC/AC兩個環節，第一級為一個BOOST電路，通過改變BOOST電路中功率開關器件的占空比，調整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點，從而實現最大功率點跟蹤［8－10］。BOOST電路的另一個作用是對太陽能電池輸出電壓進行升壓(因為太陽能電池陣列輸出的直流電壓比較低，通常低于電網電壓的峰值)。第二級為高頻或工頻逆變器，目的是將太陽能電池輸出的直流電變換成交流電，主要控制輸出電流使其與電網電壓同頻同相，功率因數近似為1，向電網輸送有功功率。

圖1 兩極式光伏并網發電系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of a double－state grid－connected photovoltaic system

這種光伏并網發電系統結構簡單、電路成熟，前后級具有獨立的控制手段和目標，無需同步，可以分開設計，控制環節比較容易設計和實現。

2 太陽能光伏電池的工作特性

光伏電池是一個非線性直流電源，具有特殊的伏安特性曲線，在一定的日照強度和環境溫度條件下的光伏電池伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 光伏陣列在不同光照下的特性曲線Fig.2 Characteristic curves of PV module under different light intensity

從圖2可以看出，光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的變化而變化，只有在某一輸出電壓值Um時(對應曲線上的工作點M)，輸出功率Pm=UmIm才能達到最大值(Pm和Um分別為太陽能電池陣列最大功率點時所對應的輸出功率與電壓)。一般稱M點為光伏電池的最大功率點MPP。提高光伏發電系統整體效率的一個重要途徑就是調整光伏陣列的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，即實現最大功率點跟蹤MPPT。另一方面，太陽能光伏電池特性受光照強度和環境溫度影響很大。光伏電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照的變化而變化。MPPT的實質是一個自尋優的過程。

3 基于擾動觀測法的MPPT方法對比

3.1 擾動觀測法

擾動觀測法的原理是先對光伏電池陣列施加一電壓擾動，然后測量光伏電池的輸出功率，將其與擾動前的功率比較，若功率變化ΔP為正，表明功率增加，則可繼續施加同一方向的電壓擾動，直至達到最大功率;若ΔP為負，表明功率減小，則需反方向施加電壓擾動。擾動觀測法跟蹤情況如圖3所示。

圖3 擾動觀察法跟蹤過程示意圖Fig.3 Tracking of perturb－and－observe method

這種方法簡單，易于硬件實現，但是響應速度慢，并且穩態情況下，會導致光伏電池陣列的實際工作點在最大功率點附近振蕩，造成功率損失。

3.2 占空比擾動法

由圖3可知，當ΔP/ΔU＞0時，系統運行在最大功率點左邊;當ΔP/ΔU＜0時，系統運行在最大功率點右邊;當ΔP/ΔU=0時，系統運行在最大功率點。占空比擾動法是直接用DC/DC變換器的占空比D作為控制參數，建立MPPT控制器使ΔP/ΔU=0，即輸出功率達到最大值。利用占空比法的光伏發電系統原理框圖如圖4所示［11］。MPPT控制器接收檢測的光伏電池輸出功率，根據MPPT算法得出相應的占空比D，以控制DC/DC變換器實現最大功率點跟蹤。

圖4 占空比擾動法原理框圖Fig.4 Block diagram of duty cycle perturb method

3.3 自適應占空比擾動法

在占空比擾動觀察法中，占空比的每次步長改變是固定的［12］。步長過大會使系統的動態響應變差，而步長過小會使系統的穩態性能變差。為了更有效地進行最大功率跟蹤，本文在占空比擾動的基礎上提出一種改進的自適應占空比擾動法，控制流程如圖5所示。

首先設定精度E，用來判斷是否達到最大功率Pm。采樣第k時刻電壓和電流，求出P(k)，第k時刻P－U曲線的斜率ΔP/ΔU可表示為

當ΔP/ΔU＞0時，則增大D，使輸出功率逐漸增加，即第k+1時刻的D(k+1)=D(k)+(αε);當 ΔP/ΔU ＜0時，減小 D，即 D(k+1)=D(k)－(α － ε)。

圖5 自適應占空比擾動算法控制流程圖Fig.5 Flowchart of self－adaptive duty cycle perturbation

自適應因子ε(k)用來調節下一時刻的D。當采樣點離Pm較遠時，ε較小，ΔD=α－ε(k)值較大，跟蹤速度較快;當采樣點逐漸接近Pm時，ε逐漸變大，ΔD=α－ε(k)值越來越小，跟蹤精度提高。D與P之間的關系如圖6所示。由圖6可以看到，P－D曲線與P－U曲線非常相似。

圖6 P－D關系曲線Fig.6 P－D curve

4 最大功率點跟蹤控制

第一級DC－DC變換器控制部分的控制框圖如圖7所示。

圖7 DC－DC電路的MPPT控制框圖Fig.7 Diagram of MPPT control of DC－DC converter

首先檢測光伏電池陣列的電壓和電流，輸入到MPPT控制器，相乘得到光伏電池陣列的輸出功率，根據提出的自適應占空比方法得到最大功率點的參考電壓Uref。然后將得到的參考值Uref與檢測的光伏電池電壓相比較，差值經過一個PI環節作為調制信號，該調制信號與固定頻率的三角波比較產生DC－DC電路的PWM開關控制信號。最后通過驅動電路對控制信號進行隔離放大控制DC－DC電路開關器件的狀態。通過不斷調節開關器件的占空比，實現光伏電池陣列最大功率的跟蹤

5 結語

在擾動觀察法的基礎上，提出了一種改進的自適應占空比擾動法。該方法跟蹤迅速，能夠減少系統在最大功率點附近的振蕩，提高系統的跟蹤速度和精度。

［1］ 喬月竹;韓學軍;王大偉.光伏發電系統最大功率點跟蹤方法研究［J］.黑龍江電力，2014，36(2):113 －117.QIAO Yuezhu，HAN Xuejun，WANG Dawei.Research on algorithm for maximum power point tracking of the photovoltaic system ［J］.Heilongjiang Electric Power，2014，36(2):113 －117.

［2］ 曾令全，王宏.基于灰色BP神經網絡的光伏發電系統最大功率點跟蹤［J］.黑龍江電力，2003，35(1):1 －5.ZENG Lingquan，WANG Hong.Maximum power point tracking of photovoltaic power system based on grey BP neural network ［J］.Heilongjiang Electric Power，2003，35(1):1 －5.

［3］ ESRAM T，CHAPMAN P L.Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(2):439 －449.

［4］ 崔巖，蔡丙煌，李大勇，等.太陽能光伏系統MPPT控制算法的對比研究［J］.太陽能學報，2006，27(6):535 －539.CUI Yan，CAI Binghuang，LI Dayong，et al.Comparative studies on the MPPT control algorithms of solar energy photovoltaic system ［J］.Journal of Solar Energy，2006，27(6):535 －539.

［5］ WEIDONG X.Real－time identification of optimal operating points in photovoltaic power systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(4):1017 －1026.

［6］ KOBAYASHI K，MATSUO H，SEKINE Y.An excellent operating point tracker of the solar－ cell power supply system［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2006，53(2):495 －499.

［7］ KOUTROULIS E，KALATZAKIS K，VOULGARIS N C.Development of a microcontroller－based photovoltaic maximum power point tracking control system［J］.IEEE Transactions on Power E-lectronics，2001，16(1):46 －52.

［8］ 栗秋華，周林，劉強，等.光伏并網發電系統最大功率跟蹤新算法及其仿真［J］.電力自動化設備，2010，30(21):48 －53.LI Qiuhua，ZHOU Lin，LIU Qiang，et al.Simulative Research of MPPT for photovoltaic power system［J］.Electric Power Automation Equipment，2010，30(21):48 － 53.

［9］ 李冬輝，王鶴雄，朱曉丹，等.光伏并網發電系統幾個關鍵問題的研究［J］.電力系統保護與控制，2010，38(21):208－214.LI Donghui，WANG Hexiong，ZHU Xiaodan，et al.Research on several critical problems of photovoltaic grid－connected generation system ［J］. Power System Protection and Control， 2010，38(21):208－214.

［10］ 吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級并網系統中的最大功率點跟蹤算法穩定性研究［J］.中國電機工程學報，2006，26(6):73－77.WU Libo，ZHAO Zhengming，LIU Jianzheng，et al.Research on the stability of MPPT strategy applied in single－stage grid－connected photovoltaic system［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(6):73－77.

［11］ 戴欣平，馬廣，楊曉紅.太陽能發電變頻器驅動系統的最大功率跟蹤控制法［J］.中國電機工程學報，2005，25(8):95－99.DAI Xinping，MA Guang，YANG Xiaohong.A control method for maximum power point tracking of photovoltaic generation system［J］.Proceedings of CSEE，2005，25(8):95－99.

［12］ 張森，吳捷，候聰玲，等.自適應算法在光伏發電系統最大功率跟蹤中的應用［J］.電力電子技術，2005，39(2):50 －52.ZHANG Sen，WU Jie，HOU Congling，et al.Application of adaptive algorithm in MPPT of the photovoltaic system［J］.Power E-lectronics，2005，39(2):50 －52.