基于變步長擾動觀測法的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)控制策略研究

錢申晟 黃云峰 奚培鋒

摘 要：本文基于擾動觀測分析最大功率點(diǎn)追蹤算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于變步長的光伏MPPT控制方法，并進(jìn)行仿真研究。結(jié)論如下：改進(jìn)的擾動觀測法可以減少穩(wěn)定時間，增加穩(wěn)定精度，減弱穩(wěn)定擾動，具有更好的輸出特性，能對環(huán)境變化快速響應(yīng)，并且具有良好的跟蹤特性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;最大功率跟蹤;變步長;擾動觀測法

中圖分類號：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0126-03

Abstract： In this paper， based on the disturbance observation and analysis of the advantages and disadvantages of MPPT algorithm， a photovoltaic MPPT control method based on variable step size was proposed and simulated. The conclusion is as follows： the improved disturbance observation method can reduce the stability time， increase the stability accuracy， weaken the stability disturbance， have better output characteristics， can respond to the environmental change quickly， and have good tracking characteristics.

Keywords： photovoltaic power generation;maximum power tracking;variable step size;perturbation and observation method

隨著能源枯竭和環(huán)境污染狀況越來越嚴(yán)重，太陽能和風(fēng)能等新能源已逐漸引起世界關(guān)注，成為世界能源非常重要的部分。太陽能具有分布廣泛、清潔、無污染、安全的優(yōu)點(diǎn)，因此成為最有價值的新能源之一。隨著太陽能發(fā)電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，太陽能發(fā)電系統(tǒng)已成為國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-2]。為了提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的利用效率，始終以最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）運(yùn)行太陽能電池作為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，因此需要對最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)進(jìn)行更深入的研究。

目前，相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者對MPPT的研究更加廣泛，各種MPPT算法正在涌現(xiàn)。最大功率點(diǎn)跟蹤方法較多，如擾動觀測法、恒定電壓法、模糊控制方法和導(dǎo)納增量法。楊旭等人的研究[3]優(yōu)化了擾動觀測方法，并通過在相鄰矩的功率變化較大時使用較大的步長，在功率轉(zhuǎn)換較小時使用較小的步長來有效提高跟蹤效率。邱星星等人的研究[4]中提出的功率預(yù)測變步長擾動的觀測方法可以很好地解決跟蹤速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，并且在外部環(huán)境突然變化時，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。劉慧文等人的研究[5]將光伏陣列的輸出功率變化間隔分為三個部分，并通過確定區(qū)間和選擇步長來有效確定跟蹤效率。王杰、呂晨旭和孫志松[6-8]分別采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和克隆選擇算法來實現(xiàn)快速和高效控制。但是，由于算法的復(fù)雜性，實際上很難大規(guī)模推廣，并且目前僅限于實驗室模擬和理論研究。本文基于擾動觀測分析最大功率點(diǎn)追蹤算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于變步長的光伏MPPT控制方法，并進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明該方法具有更好的穩(wěn)定性。

1 光伏發(fā)電

1.1 光伏電池電路模型

光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖中，[Iph]為光生電流;[Id]為流入二極管的電流;[I]為光伏電池輸出的電流;[V]為負(fù)載端電壓;[R]為電池的負(fù)載電阻;[Rs]和[Rsh]分別為等效串并聯(lián)電阻。光伏電池的輸出I-V特性為：

式中，[I0]為光伏電池內(nèi)部等效二極管PN結(jié)反向飽和電流;[q]為電荷量，值為[1.6×10-19]C;[k]為玻爾茲曼常數(shù)，值為[1.38×10-23]J/K;[T]為絕對溫度，[K]。

光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤的實現(xiàn)本質(zhì)上是一個自動優(yōu)化過程，也就是說，通過控制端電壓或其他物理量，光伏電池可以在各種光照強(qiáng)度和溫度環(huán)境變化下智能地發(fā)出最大功率。

光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）為光伏陣列I-V特性曲線上的峰值，當(dāng)工作點(diǎn)位于該點(diǎn)時，光伏陣列達(dá)到最大的能量轉(zhuǎn)換效率，光伏電源產(chǎn)生的功率最大。

2 改進(jìn)算法

在現(xiàn)有的傳統(tǒng)擾動干擾法MPPT算法中，由于步長是固定的，因此不能同時考慮響應(yīng)因子和穩(wěn)定性精度。鑒于干擾觀測方法的不足，可以采用變步長光伏發(fā)電MPPT控制算法。該算法的流程圖如圖2所示。

通過實時檢測光伏輸出電壓[U（k）]和輸出電流[I（k）]，并計算電流輸出功率[P（K）]，然后，在下一個時刻檢測太陽能電池的輸出電壓[U（k+1）]和輸出電流[I（k+1）]，在下一個時刻計算相應(yīng)的輸出功率[P（K+1）]，最后得到[dP/dU]。根據(jù)[P-U]曲線的斜率可知，當(dāng)與MPP點(diǎn)的距離越近時，則[|dP/dU|]越小;當(dāng)離MPP越遠(yuǎn)時，則[|dP/dU|]增加。比較兩個相鄰時間的[|dP/dU|]，若[|dP/dU|]的當(dāng)前值大于前一時刻的值，表明實際工作點(diǎn)距離MPP較遠(yuǎn)。此時，[N]可以輸出更大的值。通過選擇適當(dāng)?shù)腫N1]，可以將實際工作點(diǎn)快速定位在MPP的當(dāng)前值附近。[|dP/dU|]選擇較小的[N2]值以確保穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。通過修改步長因子，光伏MPPT系統(tǒng)既具有較快的跟蹤速度，又具有較不穩(wěn)定的狀態(tài)振動。在這里，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)連續(xù)獲得[N1]和[N2]的某些值。

3 仿真結(jié)果比較分析

3.1 傳統(tǒng)擾動觀測法仿真分析

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即[T=25]℃，[S=1 000]W/m2，取步長0.000 5，采用基本擾動觀測法進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：系統(tǒng)實現(xiàn)MPPT所需時間約為0.44s，輸出功率、電流、電壓均有不錯的精度，但由于擾動觀測法的固有缺陷，輸出電壓和輸出電流在最大功率點(diǎn)附近仍存在一定的波動，其值在允許波動范圍之內(nèi)。

3.2 改進(jìn)的變步長弱振蕩方法仿真分析

采用改進(jìn)后的變步長弱振蕩擾動觀測法，一級步長采用0.002，以期望獲得較快跟蹤速度，二級步長采用0.000 5，以獲取更高精度，其仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：系統(tǒng)以較快的速度實現(xiàn)了MPPT，時間約為0.16s，由于二級步長采用了較小的值，因此至少與直接采用步長0.000 5具有相同的精度，保證使用此技術(shù)處理后的每個參數(shù)的誤差極小，幾乎與處理前的穩(wěn)定平均值相同。與現(xiàn)有算法相比，改進(jìn)后的算法減少了能量損失，并有效提高了光伏陣列的效率;改進(jìn)后的算法可以更好地平衡跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度，有效解決了傳統(tǒng)算法精度和速度之間的實際矛盾。可見，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，改進(jìn)的干擾觀測方法具有較高的性能。

4 結(jié)論

本文研究了擾動觀測MPPT擾動的基本方法，并提出了一種可變步長的擾動觀測方法，以解決兩個方面的固有缺陷，同時進(jìn)行了仿真研究。結(jié)論如下：改進(jìn)的擾動觀測法可以減少穩(wěn)定時間，增加穩(wěn)定精度，減弱穩(wěn)定擾動，具有更好的輸出特性，能對環(huán)境變化快速響應(yīng)，并且具有良好的跟蹤特性。

參考文獻(xiàn)：

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[4]邱星星，何怡剛.基于功率預(yù)測的最優(yōu)梯度變步長MPPT算法的研究[J].電源技術(shù)，2016（10）：1965-1968.

[5]劉慧文，王生鐵，溫素芳，等.光伏系統(tǒng)區(qū)段劃分變步長MPPT算法設(shè)計[J].可再生能源，2018（8）：1151-1157.

[6]王杰.基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2018.