一種基于功率預(yù)測(cè)的光伏MPPT 算法研究

任 靜，劉 剛，孫 健，閆 銘

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

1 概述

太陽(yáng)能電池的輸出特性是指太陽(yáng)能電池在一定的溫度和日照強(qiáng)度下表現(xiàn)出來(lái)的伏安特性，太陽(yáng)能電池只有工作在最大功率點(diǎn)時(shí)其輸出功率最大。MPPT 效率是決定光伏逆變器發(fā)電量的核心因素。目前國(guó)內(nèi)外光伏逆變器在相同的條件下發(fā)電量相差可能高達(dá)20%，導(dǎo)致這個(gè)差異主要原因在于MPPT 效率。MPPT 效率主要分為兩大類，即靜態(tài)MPPT 效率和動(dòng)態(tài)MPPT 效率，靜態(tài)MPPT 效率描述了在穩(wěn)定環(huán)境因素情況下系統(tǒng)找到和保持最大功率點(diǎn)運(yùn)行的性能；而動(dòng)態(tài)MPPT 效率則描述了在輻照度和溫度等環(huán)境因素下系統(tǒng)跟蹤最大功率點(diǎn)的能力。

光伏逆變器各大廠商在靜態(tài)MPPT 追蹤算法的處理上都展現(xiàn)出了很高的水平，而逆變器實(shí)際的工作環(huán)境中，日照、溫度等外部條件是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，逆變器的動(dòng)態(tài)MPPT 跟蹤效率成為了衡量其實(shí)際性能的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，最大功率點(diǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤方法主要有：基于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的MPPT 控制方法、基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)MPPT 控制方法、基于人工智能控制的MPPT 控制方法等。基于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的MPPT 控制方法不存在振蕩，但控制效果不佳；基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)MPPT 控制方法主可以實(shí)現(xiàn)真正的最大功率跟蹤，但是穩(wěn)態(tài)存在振蕩。基于人工智能和非線性控制的MPPT 控制方法控制效果比較好，但算法的移植性差，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和訓(xùn)練。此外，上述算法程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)控制器處理能力要求較高。

三點(diǎn)法具有控制簡(jiǎn)單、算法易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，被光伏逆變器各大廠商廣泛使用，但三點(diǎn)法對(duì)光照持續(xù)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性能較差，發(fā)電效率低。本文在三點(diǎn)法的基礎(chǔ)上，提出一種基于功率預(yù)測(cè)的光伏MPPT 跟蹤算法，可以使光伏逆變器在溫度、光照等環(huán)境變化情況下快速跟蹤最大功率點(diǎn)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 最大功率跟蹤算法

圖1 為傳統(tǒng)三點(diǎn)MPPT 算法流程圖，該算法在光伏電池的P-V 特性曲線頂點(diǎn)附近從左到右依次取a、b、c三個(gè)點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)功率斷判斷電壓變化方向。傳統(tǒng)三點(diǎn)算法控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但算法設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)工作電壓按照不變進(jìn)行處理，只對(duì)ΔV 進(jìn)行微調(diào)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)算法的平穩(wěn)跟蹤，但針對(duì)光照持續(xù)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性能較差。

本文提出了一種基于功率預(yù)測(cè)策略的MPPT 算法，在三點(diǎn)法基礎(chǔ)上增加功率預(yù)測(cè)功能解決三點(diǎn)法效率低的問(wèn)題。算法采集a、b、c 三點(diǎn)的電壓和電流，計(jì)算出三點(diǎn)的功率，通過(guò)判斷三點(diǎn)功率的大小來(lái)計(jì)算M 值。當(dāng)M 等于2 時(shí)，向電壓增大的方向跟蹤；當(dāng)M 等于-2 時(shí)，向電壓減小的方向跟蹤；若M 既不等于2 也不等于-2，則計(jì)算m點(diǎn)的功率值，通過(guò)比較m 點(diǎn)和c 點(diǎn)的功率大小來(lái)判斷跟蹤方向。當(dāng)光照快速變化時(shí)，可以認(rèn)為m 點(diǎn)與c 點(diǎn)落在同一光照曲線上，因此用本文提出的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法可以消除光照變化的影響，并且可以取得較高的動(dòng)態(tài)跟蹤效率。算法流程圖如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)三點(diǎn)MPPT 算法流程圖

算法具體實(shí)現(xiàn)步驟：

步驟一：初始化電壓參考值（Ua、Ub、Uc）、ΔU 和 M；

步驟二：延時(shí)時(shí)間T，采樣電壓Ua，電流Ia，電壓參考值給定為（Ua+ΔU）；延時(shí)時(shí)間 T，采樣電壓 Ub，電流Ib，電壓參考值給定為（Ua-ΔU）；延時(shí)時(shí)間 T，采樣電壓Uc，電流 Ic；

步驟三：分別計(jì)算功率 Pa=Ua*Ia，Pb=Ub*Ib，Pc=Uc*Ic；

步驟四：判斷Pa 是否不小于Pb，若為真，則M 減一，反之M 加一；

步驟五：判斷Pa 是否不小于Pc，若為真，則M 加一，反之M 減一；

步驟六：判斷M 是否等于M+2，若為真，則ΔU=dU1，電壓參考值給定為Ub，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

圖2 改進(jìn)MPPT 算法流程圖

步驟七：判斷M 是否等于M-2，若為真，則ΔU=dU1，電壓參考值給定為Uc，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟八：計(jì)算 Pm=（Pa+Pb）/2；

步驟九：判斷Pm 與Pc 的差是否大于ε，若為真，則ΔU=dU2，電壓參考值給定為Ub，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟十：判斷Pm 與Pc 的差是否小于-ε，若為真，則ΔU=dU2，電壓參考值給定為Uc，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟十一：ΔU=dU2，電壓參考值給定為Ua，跳轉(zhuǎn)至步驟二。

圖3 測(cè)試平臺(tái)接線圖

圖4 光照曲線

表1 光照變化10%～50%動(dòng)態(tài)跟蹤效率

表2 光照變化30%～100%動(dòng)態(tài)跟蹤效率

3 算法試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本算法的正確性，搭建了動(dòng)態(tài)效率測(cè)試平臺(tái)，圖3 為測(cè)試平臺(tái)接線圖，測(cè)試平臺(tái)使用了光伏模擬源一臺(tái)，四通道示波器一臺(tái)，萬(wàn)用表一個(gè)，差分探頭兩個(gè)，直流電流環(huán)一個(gè)，交流電流環(huán)一個(gè)，50kW 逆變器一臺(tái)，變壓器及配電設(shè)備一套。本文對(duì)傳統(tǒng)三點(diǎn)法和本文算法進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試動(dòng)態(tài)跟蹤效率，其中圖4 為光照曲線。

本測(cè)試中，電壓參考值初始化為0.8 倍開(kāi)路電壓，ΔU初始化為 4V，M 等于 0，延時(shí)時(shí)間 T 為 0.4s，dU1的值為4V，ε 取值為 0.02，dU2取值為 1.5V。輻照度變化參考 NB/T 32004-2013 附錄 K 中的圖 K.1 和圖 K.2，從表 K.3 和K.4 中各選取幾條曲線，對(duì)三點(diǎn)法和本文算法進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1 和表2。

從表1 和表2 測(cè)試可以看出，三點(diǎn)法跟蹤效率較高，而本文算法通過(guò)增加功率預(yù)測(cè)功能使跟蹤效率進(jìn)一步提升，提高了逆變器的工作效率。

使用模擬源后臺(tái)軟件的數(shù)據(jù)記錄功能記錄了MPP電壓跟蹤情況，如圖5-圖7 所示。圖中曲線（A）代表最大功率點(diǎn)電壓理論值，曲線（B）代表實(shí)際電壓，圖5 為輻照度從100W/m2增加至500W/m2，步長(zhǎng)1W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，圖6 為輻照度從100W/m2增加至500W/m2，步長(zhǎng)5W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，圖7為輻照度從300W/m2增加至1000W/m2，步長(zhǎng)14W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，從三幅圖中可以看出，兩種曲線重合度較好，說(shuō)明新算法有很好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力，本文提出的新算法能夠及時(shí)的追蹤到光照變壓，使逆變器始終工作在最大功率點(diǎn)處，將光伏系統(tǒng)發(fā)電量最大化。

圖5 100W/m2-500W/m2 步長(zhǎng)1W/m2d 跟蹤曲線

圖6 100W/m2-500W/m2 步長(zhǎng)5W/m2d 跟蹤曲線

圖7 300W/m2-1000W/m2 步長(zhǎng)14W/m2d 跟蹤曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)逆變器實(shí)際的工作環(huán)境日照、溫度等外部條件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤效率低的問(wèn)題，提出一種基于功率預(yù)測(cè)的MPPT 跟蹤算法，該算法能夠解決光照變化的影響，快速、精確地達(dá)到最大功率點(diǎn)，使逆變器始終工作在最大功率點(diǎn)處，并搭建測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了所提算法的正確性。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且可靠性高，已在許繼供貨逆變器產(chǎn)品上大規(guī)模推廣使用。