變步長擾動觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

何智成

（廣州市電力工程設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

光伏發(fā)電是可再生能源發(fā)電的重要組成部分，具有無污染、無噪音和資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，其開發(fā)利用既有良好的社會價值和環(huán)境價值，又能帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。為了盡可能提高光電轉(zhuǎn)換效率，控制光伏陣列工作在最大功率輸出點(diǎn)，需要對其進(jìn)行有效的最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking—MPPT）控制[1-6]。

本文提出一種變步長的擾動觀察法，根據(jù)光伏電池當(dāng)前工作點(diǎn)在P-U輸出特性曲線相應(yīng)位置的斜率的絕對值大小，選擇不同的步長。仿真結(jié)果表明：本文所提方法具有更高的控制精度和更快的響應(yīng)速度，能夠減緩最大功率點(diǎn)附近功率振蕩現(xiàn)象。

1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型

光伏陣列通常由許多光伏電池串并聯(lián)組成，光伏電池的等效電路如圖1所示，其中Rsh和Rs為光伏電池的并聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效電阻。考慮太陽輻射和溫度變化的光伏陣列數(shù)學(xué)模型可簡化表示為[7-10]：

其中：

上述公式中：Rref為參考光照強(qiáng)度，Tref為參考環(huán)境溫度，R為實(shí)際光照強(qiáng)度，TT為實(shí)際環(huán)境溫度；Ioc和Voc分別為參考條件下短路電流和開路電壓；RS為光伏陣列的串聯(lián)電阻（單位為Ω）；為光照參照強(qiáng)度條件下電流變化的溫度系數(shù)（單位為A/℃）；為參考條件下電壓變化的溫度系數(shù)（單位為V/℃）。

其中C1、C2和TT可表示為：

上述式中：Im為最大功率點(diǎn)的對應(yīng)電流；Vm為最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓；tt為光伏陣列的溫度系數(shù)（單位為℃·m2/W）；S為光照強(qiáng)度（單位為W/m2）；T為環(huán)境溫度（單位為℃）。

圖1 光伏電池的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of PV cell

其中ILG為光伏電池的光生電流，Id為二極管電流，Rs和Rsh分別為光伏電池的串聯(lián)等效電阻和并聯(lián)等效電阻。

光伏陣列在不同環(huán)境下的輸出特性曲線如圖2所示。通過圖2可知，光伏陣列的輸出具有明顯的非線性特性，且在當(dāng)前環(huán)境條件下僅有一個工作點(diǎn)的輸出功率為最大值。因此，需要實(shí)時調(diào)整光伏電池的工作狀態(tài)，使其工作在最大功率點(diǎn)附近。

在光伏電池和負(fù)載之間加入一個可以控制的DC/DC 變換器，通過改變DC/DC 變換器中開關(guān)管的占空比大小，可以等效改變外接負(fù)載電阻的阻值大小，達(dá)到了調(diào)整光伏電池輸出參數(shù)的目的，從而跟蹤光伏電池在當(dāng)前環(huán)境條件的最大功率點(diǎn)，并且控制其在最大功率點(diǎn)處工作。

2 最大功率跟蹤方法

目前，常用的MPPT方法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法以及模糊控制法等。模糊規(guī)則需要以專家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立，其正確與否直接影響到模糊控制法的控制效果，所以該控制方法存在一定局限性[11]。

圖2 不同溫度、光強(qiáng)下的光伏輸出特性曲線Fig.2 PV output curves under different temperature and light intensity

電導(dǎo)增量法對硬件的響應(yīng)速度和控制精度要求較高，擾動觀察法具有控制簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢[12-13]。

2.1 傳統(tǒng)的擾動觀察法

擾動觀察法具體的工作過程如下：

① 當(dāng)ΔU＞0且Pm＞Pm-1，下一個擾動的方向與當(dāng)前擾動的方向相同；

② 當(dāng)ΔU＞0且Pm＜Pm-1，下一個擾動的方向應(yīng)與當(dāng)前擾動的方向相反；

③ 當(dāng)ΔU＜0且Pm＞Pm-1，下一個擾動的方向應(yīng)與當(dāng)前擾動的方向相同；

④ 當(dāng)ΔU＜0且Pm＜Pm-1，下一個擾動的方向應(yīng)與當(dāng)前擾動的方向相反。

擾動觀察法的控制流程如圖4所示。通過反復(fù)外加擾動控制，光伏電池的實(shí)際工作點(diǎn)會逐漸逼近最大功率點(diǎn)，但是在當(dāng)前工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)時，會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，存在一定的功率損失[14]。

圖3 擾動觀察法控制原理圖Fig.3 Control schematic diagram of perturbation and observation

圖4 擾動觀察法控制流程圖Fig.4 Control flow chart of perturbation and observation

2.2 變步長擾動觀察法

傳統(tǒng)擾動觀察法的擾動步長的值在整個控制過程是恒定不變的，大步長雖然可提高系統(tǒng)的跟蹤速度，但是當(dāng)工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)時，輸出會出現(xiàn)較為明顯的振蕩。為了克服擾動觀察法存在的缺點(diǎn)，對其進(jìn)行改良和優(yōu)化，提出一種變步長擾動觀察法。

通過觀察光伏電池P-U輸出特性曲線可知，以曲線最大功率點(diǎn)的縱坐標(biāo)為軸，最大功率點(diǎn)左右兩側(cè)的輸出曲線存在非對稱關(guān)系[15]。在輸出電壓從0增大到Umpp的過程中，位于P-U輸出特性曲線最大功率點(diǎn)左側(cè)且遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的曲線斜率變化較少；位于最大功率點(diǎn)左側(cè)，而且相對靠近最大功率點(diǎn)的曲線的斜率快速減少。

根據(jù)這個特點(diǎn)，將工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)P-U輸出曲線斜率變化較少的平穩(wěn)部分的擾動步長設(shè)置為Δd1，提高跟蹤速度；將工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)P-U輸出曲線斜率變化較大的部分和最大功率點(diǎn)右側(cè)的擾動步長設(shè)置為Δd2，提高控制精度。其中，Δd1＞Δd2。變步長擾動觀察法的控制示意圖如圖5所示。

圖5 變步長擾動觀察法示意圖Fig.5 Observation method of variable step length disturbance

變步長擾動觀察法的控制過程如下：

假設(shè)是第n個采樣點(diǎn)的輸入變量為P(n)和U(n)，則第n個采樣點(diǎn)的ΔP(n)和ΔU(n)可由下式求得：

根據(jù)第n個工作點(diǎn)ΔP(n)和ΔU(n)點(diǎn)的關(guān)系，可確定第n個工作點(diǎn)的位置。當(dāng)前工作點(diǎn)的位置與輸出電壓以及功率之間的關(guān)系式[9]：

工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)。

工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)處。

工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)。

根據(jù)上述關(guān)系式判斷當(dāng)前工作點(diǎn)的位置，從而據(jù)此選擇擾動的方向和步長的大小。變步長擾動觀察法的控制流程如圖6所示。當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，若ΔP＞A，選擇大步長Δd1；若ΔP＜A，選擇小步長Δd2。工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)，選擇小步長Δd2。

圖6 變步長擾動觀察法控制流程圖Fig.6 Control flow chart with variable step size perturbation observation method

3 仿真與分析

通過MATLAB仿真軟件搭建變步長擾動觀察法的MPPT仿真模型，在環(huán)境因素迅速變化的條件下驗(yàn)證該方法跟蹤最大功率點(diǎn)的可行性，其仿真模型如圖7所示。

圖7 變步長擾動觀察法MPPT仿真模型圖Fig.7 MPPT simulation model diagram of variable step size perturbation observation method

初始的環(huán)境溫度為25 ℃，光強(qiáng)為1000 W/m2。在t=1 s時，環(huán)境溫度變?yōu)?0 ℃，光強(qiáng)變化至600 W/m2；在t=2 s時，環(huán)境溫度變?yōu)?5 ℃，光強(qiáng)變化至800 W/m2。兩種擾動觀察法的仿真結(jié)果如圖8所示，其中圖（a）為變步長擾動觀察法的仿真波形圖，圖（b）為擾動觀察法的仿真波形圖。

圖8 MPPT仿真結(jié)果圖Fig.8 MPPT simulation result diagram

由圖8可知，變步長擾動觀察法可快速跟蹤光伏電池在環(huán)境變化后的最大功率點(diǎn)，并且控制工作點(diǎn)穩(wěn)定于最大功率點(diǎn)處，其動態(tài)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的擾動觀察法。

4 結(jié)論

本文針對光伏電池的運(yùn)行特性，提出一種變步長擾動觀察法。仿真結(jié)果表明本文所提控制方法具有更優(yōu)越的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度，有效抑制最大功率點(diǎn)附近功率振蕩的現(xiàn)象，所以更適合應(yīng)用于光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。