基于升壓斬波電路的復合最大功率點跟蹤控制策略研究

占鑫，劉世良，王雄，張滈辰

(1. 青海綠能數據有限公司，青海 西寧 810000；2.國網青海省電力公司信息通信公司，青海 西寧 810008)

0 引 言

當前，人類社會快速發展，對能源的依賴程度日益加深，傳統能源儲備有限且不環保，因此，積極開發新型綠色能源來滿足人類發展需求越來越受到關注。眾多新能源中，太陽能由于其綠色環保、取之不盡用之不竭的特性受到人們重視，而光伏發電時需利用太陽能作為重要途徑。因此，提高太陽能利用率是目前研究的焦點，這就需要對光伏組件進行最大功率點追蹤(MPPT)技術。

目前，國內外一些光伏領域學者和專家對MPPT研究日益成熟，但不同MPPT控制策略各有利弊。文獻[1]中提出了一種牛頓插值法擬合曲線對最大功率點(MPP)進行精確定位，可以有效減小穩態震蕩，但是算法計算量相對較大。文獻[2-3]采用了一種改進型電導增量法可對穩態精度和跟蹤速度進行有效兼顧。文獻[4]提出了基于新型變步長爬山搜索法，有效解決了誤判和和穩態震蕩的問題。文獻[5]所研究的自適應電導增量法同樣具備良好的控制效果。文獻[6-8]分別研究了神經網絡控制、雞群算法和水滴算法等一系列智能控制策略，這些算法理論上控制效果很好，但是算法模型過于復雜，開發成本較高，難以大范圍應用到實際生活中去。在前人研究基礎之上，本文針對常規擾動觀察法的局限性，提出了恒定電壓法結合變步長擾動觀察法復合MPPT控制策略，此控制策略實現易于實現，且跟蹤速度和穩態精度可以同時兼顧。

1 光伏組件數學模型及其輸出特性

1.1 光伏組件數學模型

光伏(PV)組件數學模型的等效電路如圖1所示。

圖1 PV組件電路圖

PV組件的I-U數學關系式如式(1)所示。

(1)

式中：Iph為光生電流；Id為二極管電流；I為輸出電流；Rsh為旁漏電阻；Rs為串聯電阻；R為負載；U為輸出電壓；K為玻爾茲曼常數，K=1.38×10-23J/K;T為光伏電池溫度;A為二極管特性因子;電子電荷量q=1.6×10-19C。

標準情況下的(S=1 000 W/m2，T=25 ℃)的開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、最大功率點對應電流(Im)和最大功率點對應電壓(Um)具體值可以從光伏供應商那里得到。簡化式(1)可得：

(2)

(3)

(4)

1.2 光伏組件輸出特性

根據式(2)、式(3)和式(4)，仿真出P-U、I-U曲線如圖2所示。由圖2可以看出，當溫度(T)和光照強度(S)一定時，P-U曲線是一個單峰值近似拋物線，存在唯一一個MPP，且T一定時，S越大，輸出功率越大；S一定時，T越小，輸出功率越大。

2 常規擾動觀察法

擾動觀察法(perturbation observation)，簡稱P&O算法，是實際工程應用最廣泛的算法之一。P&O算法工作機制是周期性地給PV組件的輸出電壓施加一個擾動(ΔU)，判斷下一個時刻的功率變化。若下一時刻功率增大，說明擾動方向正確且繼續保持此方向不變，反之，則變向追蹤。P&O控制策略的工作過程如圖3所示。

圖3 P&O控制策略控制流程圖

常規擾動觀察法的局限性在于步長ΔU不易選擇的問題；若ΔU過大，穩態時功率會存在波動問題；若ΔU過小，則會降低動態特性，跟蹤反應變緩。因此，常規擾動觀察法難以實現又快又穩的控制效果。

3 復合MPPT控制策略

傳統擾動觀察法，如步長選擇不當，難以兼顧動靜態響應問題[9]。為了突破傳統算法的局限性，提出了一種基于把恒壓法結合變步長擾動觀察法的MPPT復合控制策略。

恒壓法(CVT)結合變步長P&O的復合MPPT控制策略工作機制為：開始工作時，CVT算法以Um=0.78Uoc[10]作為追蹤的起始電壓，此電壓可以讓實際工作點快速位于MPP附近區域，這個特點可以大大節省追蹤時間提高動態響應速度。傳統P&O算法存在缺陷，當實際工作點位于MPP附近后可以采用變步長P&O算法，根據光伏組件P-U輸出特性，可以看出:當離MPP較遠時，斜率abs[(Pk-Pk-1)/(Uk-Uk-1)]越大;當離MPP較近時，斜率abs[(Pk-Pk-1)/(Uk-Uk-1)]越小;當位于MPP處時，斜率abs[(Pk-Pk-1)/(Uk-Uk-1)]=0。因此變步長P&O算法具體實現過程是:當離MPP較遠時，可以采用大步長；離MPP較近時，減小步長可以降低穩態震蕩，對MPP進行精確定位。恒壓法(CVT)結合變步長P&O的復合MPPT控制策略實質就是在開始追蹤階段運用CVT粗略算出MPP位置，大大提高了響應速度，在MPP附近區域依靠變步長P&O算法精確定位MPP。控制流程如圖4所示，圖4中λ為步長系數，λ=0.000 2。

圖4 復合算法控制流程圖

4 基于新型算法的光伏MPPT控制策略Simu-link仿真驗證

在Simulink平臺上搭建基于復合MPPT控制策略的仿真模型，參數設置具體如下：Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃；S=1 000 W/m2，T=25 ℃時，PV電池最大功率Pmax=111.19 W，Uoc=22.15 V，Isc=6.91 A，Im=6.35 A，Um=17.49 V；仿真時間這里設為1 s。

在MATLAB/Simulink平臺上，當T=25 ℃時，通過單一控制變量法改變光照強度S。S變化設置為：0～0.5 s，S=1 000 W/m2；0.5～1 s，S=400 W/m2。圖5和圖6分別為了傳統P&O算法和復合MPPT控制策略條件下的輸出功率。

從圖5可以看出，在開始啟動時，P&O算法到達穩態用時約為0.069 s，動態追蹤速度略慢。當t=0.5 s，光照強度S=1 000 W/m2突變S=400 W/m2，跟蹤到新的穩態用時為0.077 s，且到達穩態后功率會存在較大震蕩。由0.8 s～0.9 s局部放大圖可以看到，輸出功率P波形在53.10 W～57.31 W之間波動，波動幅度相對較大，此現象表明了功率損失較大。由圖6可知，采用復合MPPT控制策略，啟動到穩態用時僅僅為0.046 s，跟蹤速度比傳統P&O算法迅速。在t=0.5 s時，S=1 000 W/m2變為S=400 W/m2，到新的穩態用時僅僅為0.037 s，遠遠快于定步長P&O算法。由0.8 s～0.9 s之間局部放大圖可知，輸出功率此時范圍在56.85 W～57.95 W之間，震幅很小，可認為功率基本穩定。兩種算法的Simulink仿真波形對比可知，復合MPPT控制策略無論在啟動階段、外界光照突變情況，還是穩態精度方面都遠遠優于傳統P&O算法。

圖5 傳統P&O算法條件下的輸出功率波形

圖6 復合MPPT控制策略條件下的輸出功率波形

5 結束語

本文所提出的一種CVT結合變步長P&O復合MPPT控制策略，不但可以快速跟蹤和應對外界環境變化，而且穩態精度高，有效減小了輸出功率的穩態震蕩。仿真驗證了復合算法的優越性，對恒壓法和擾動法取長補短，對新型算法的利用具有重要的啟迪和推廣意義。