基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)的光伏電池陣列MPPT

雷 敏，孔令倩，鄧昭俊，李 丹

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)的光伏電池陣列MPPT

雷 敏，孔令倩，鄧昭俊，李 丹

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤速度和跟蹤精度難以同時(shí)兼顧的問題，提出了一種基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)MPPT控制算法，即雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，并與電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，該算法可以快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，精確度提高了15 ms，具有較好的時(shí)效性。

光伏電池陣列；MPPT；雙向變步長(zhǎng)；擾動(dòng)觀察法

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以及人類生活水平的提高，世界各國(guó)對(duì)能源的需求量逐漸增大，并且燃燒這些一次能源帶來的環(huán)境污染已相當(dāng)嚴(yán)重。目前光伏發(fā)電正在大力推廣，為了提高微型逆變器的發(fā)電量，需要對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）[1]。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在研究最大功率點(diǎn)跟蹤算法[2-9]。文獻(xiàn)[10] 提出一種基于 P-V 微分曲線控制的算法，該算法具有較好的動(dòng)態(tài)特性，但當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，該算法不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]提出了一種PI 調(diào)節(jié)器的方法，該方法能根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)占空比，使得逆變器有較好的輸出穩(wěn)定性，但比例積分因子的確定比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]提出了一種改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，該方法在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，通過改變電壓的參考值，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，從而提高跟蹤精度。但該算法把參考電壓附近的最大功率點(diǎn)看作全局的最優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的局限性。文獻(xiàn)[13]提出了基于固定陰影模式下的粒子群算法，在多峰值情況下，該算法能很好地跟蹤最大功率點(diǎn)，但只限于固定的陰影模式下，使用時(shí)有一定的局限性。另外，比較新的算法有模糊控制法[14-15]、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法[16]等，但這些智能控制算法更多的是憑借個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，缺乏自學(xué)能力，仍然有一定的局限性。

通過以上分析，為了使得MPPT的性能更加優(yōu)化，本文提出了基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)觀察MPPT算法，即雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。

1 光伏電池模型

光伏電池的等效電路如圖1所示。圖中，I為光伏電池的輸出電流；Isc為所測(cè)量光伏電池的短路電流；Id為流過二極管的反向暗電流；U為光伏電池的輸出電壓；Rsh為電池的等效并聯(lián)電阻；Rs為電池的等效串聯(lián)電阻。

圖1 光伏電池的等效電路圖Fig.1 The equivalent circuit of photovoltaic cells

1.1 光伏電池陣列的工程模型

根據(jù)光伏電池陣列實(shí)際輸出特性擬合光伏電池模型。在實(shí)際中，根據(jù)電池廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的電池開路電壓Uoc0、短路電流Isc0、最大功率電壓Umax0和最大功率電流Imax0這4個(gè)參數(shù)[17]構(gòu)造數(shù)學(xué)表達(dá)式，就可以擬合出實(shí)際I-U曲線。

1.2 電池模型仿真

當(dāng)溫度為25℃，光照強(qiáng)度分別為800, 1 000, 1 200 W/m2時(shí)，光伏電池陣列隨光照強(qiáng)度變化的I-U曲線和P-U曲線如圖2所示。

圖2 光伏電池陣列隨光照強(qiáng)度的變化曲線Fig.2 The curve of photovoltaic cell array varying with the light intensity

由圖2a可知，當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，短路電流隨之增大，但開路電壓基本保持不變，說明光伏電池陣列的開路電壓基本不受光照強(qiáng)度的影響。由圖2b可以看出，光伏電池陣列輸出的最大功率隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，并且這3條P-U曲線的峰值幾乎在同一條垂直線上。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的Simulink仿真

2.1 基于Boost電路的MPPT控制

圖3為Boost等效電路圖。基于 Boost 電路的MPPT 控制原理是：將光伏電池的輸出側(cè)等效為一個(gè)負(fù)載阻抗，可以不停地調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗阻值，當(dāng)負(fù)載阻抗的阻值與太陽(yáng)能光伏電池的輸出阻抗值相等時(shí)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大值。所以只要用控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，就能使光伏電池工作于最大功率輸出點(diǎn)，這就是所說的MPPT控制。它的控制分為2種，一種是改變轉(zhuǎn)換器的占空比，另一種是改變擾動(dòng)電壓。

圖3 Boost等效電路圖Fig.3 Boost equivalent circuit diagram

2.2 雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程

本文提出了雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，其流程見附圖1。首先在開始部分要設(shè)定電壓的初始值、占空比的初始值、功率閾值EP和電壓步長(zhǎng)閾值EU。從初始電壓UB開始，然后進(jìn)行雙向擾動(dòng)，即減小一個(gè)步長(zhǎng)ΔU，得到觀測(cè)點(diǎn)UA=UB-ΔU；增加一個(gè)步長(zhǎng)ΔU，得到觀測(cè)點(diǎn)UC=UB+ΔU；然后計(jì)算這3點(diǎn)的功率PA, PB, PC，令ΔP1=PC-PB, ΔP2=PB-PA。比較ΔP1, ΔP2與閾值EP的大小，比較一半步長(zhǎng)ΔU（即0.5ΔU）與步長(zhǎng)閾值EU的大小，根據(jù)這些對(duì)比結(jié)果來判斷最大功率點(diǎn)是否變動(dòng)，步長(zhǎng)是否變?yōu)樯弦粋€(gè)周期步長(zhǎng)的一半。

2.3 雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的仿真模型

采用雙向擾動(dòng)觀察法，利用Simulink搭建MPPT仿真模型，如圖4所示。在圖4中設(shè)定的條件為：光照強(qiáng)度S=1 200 W/m2，溫度T=25℃，初始電壓U0=40 V。

圖5是分別采用電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法和雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的功率隨時(shí)間的跟蹤曲線。

圖4 MPPT仿真模型Fig.4 MPPT simulation model

圖5 功率隨時(shí)間的跟蹤曲線Fig.5 The curve of power with time tracking

由圖5a可知，采用電導(dǎo)增量法，在t=16 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)，且之后基本上是穩(wěn)定的。而圖5b中采用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，在t=60 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)后才基本穩(wěn)定，但是穩(wěn)定后的紋波還是比較大。圖5c中采用雙向擾動(dòng)變步長(zhǎng)觀察法，可以清晰看出，在t=0.7 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，且?guī)缀鯖]有紋波。這3種不同MPPT控制算法的仿真結(jié)果表明，本文提出的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，跟蹤速度比電導(dǎo)增量法約提高了15 ms，時(shí)速性很好。

上面分析的是外界環(huán)境不變的情況，下面再分析當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變，以及外界環(huán)境發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)的情況。

圖6為光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)的功率跟蹤情況。從圖中可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度在t=0.03 s時(shí)發(fā)生突變，由800 W/m2變?yōu)? 200 W/m2，最大功率點(diǎn)跟蹤沒有出現(xiàn)“誤判”現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)太大震蕩，在1 ms的時(shí)間內(nèi)就從原來的最大功率點(diǎn)快速跟蹤到新環(huán)境下的最大功率點(diǎn)，穩(wěn)定性非常好。

圖6 光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)的功率跟蹤情況Fig.6 The power tracking situation when the light intensity mutated

圖7 為當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生連續(xù)變化時(shí)的電流和功率隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，電流和功率的變化曲線基本上和光照強(qiáng)度的變化曲線一致，此仿真的最大功率點(diǎn)跟蹤效果好，說明本文提出的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，實(shí)現(xiàn)了快速、實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)的功能。

圖7 光照強(qiáng)度發(fā)生率連續(xù)變化時(shí)的電流和功率的變化曲線Fig.7 The variation curves of current and power when light intensity changed continuously

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤速度和跟蹤精度難以同時(shí)兼顧的問題，本文提出了一種跟蹤速度快、時(shí)速性高的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。并將這種控制算法與電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明，采用雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能以更快的速度跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且?guī)缀鯖]有紋波。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，其跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也非常迅速、準(zhǔn)確。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

MPPT of PV Battery Array Based on Bilateral Disturbance Variable Step Size

Lei Min，Kong Lingqian，Deng Zhaojun，Li Dan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

For photovoltaic battery array, the maximum power point tracking speed and tracking accuracy is difficult to taking into account simultaneously, proposes a MPPT control algorithm based on bilateral disturbance variable step length, namely two-way variable step perturbation and observation method. Simulates and comparative analyzes the algorithm with the incremental conductance method and the traditional perturbation and observation method. The results show that the algorithm can quickly track the maximum power point and improve the accuracy of 15 ms, and it has better timeliness.

photovoltaic battery array；MPPT；bidirectional variable step size；perturbation and observation method

附圖1 雙向擾動(dòng)觀察法的流程圖Fig.1 The flow chart of bi-directional perturbation and observation method

TM615

A

1673-9833(2015)02-0044-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.008

2014-11-09

湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（13JJ9036），湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1303），湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（2012HZX08）

雷 敏（1973-），女，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其在電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究，E-mail：leimin0606@hotmail.com