基于RMPPT/PID雙模控制的光伏發電MPPT研究

閆根弟，趙晉斌，張廣勇，戴麗莉

(1.太原工業學院，太原 030008； 2. 上海電力大學，上海 200090； 3. 國網山西省電力公司檢修分公司，太原 030000)

0 引 言

近幾年，能源行業逐漸發生變化，發展勢頭良好。國際可再生能源署發布《全球能源轉型：2050年路線圖》(2019版)指出，按照基于可再生能源技術的低碳技術路徑，到2050年，可再生發電總量將增加7倍，從目前的7 000 TW·h增加到47 000 TW·h。在一次能源供應中的占比將上升到66%，而在終端能源消費中，電力占比將增長至50%，其中約有86%來源于可再生能源發電，60%來自可變可再生能源(太陽能和風能)，到2050年，太陽能發電裝機容量約為8 500 GW[1]。太陽能光伏并網發電系統主要組成部分是太陽能電池組，而太陽能電池輸出功率隨著光照強度以及環境溫度的不同而產生非線性變化。為了使太陽能發電系統工作于電池輸出功率最大點，系統應實時調節電池的工作點，使其一直工作在最大功率點附近。因此太陽能的最大功率跟蹤算法( MPPT) 的研究成為當下的研究熱點[2-3]。

為了保障光伏并網發電系統能夠工作于太陽能電池組的最大輸出功率點處(MPP)，常采用MPPT技術，如圖1所示。

圖1 太陽能電池MPPT控制原理圖

其工作原理主要是通過對太陽能電池輸出的功率進行實時檢測，假設初始電壓在U3處，而得到當前的功率P3，再采集Um處功率，得到當前的功率Pmax，檢測比較，再采集U4處的功率P4，再比較，可以知道系統最大功率點在Um附近，然后逐漸逼近最終使系統工作于MPP處。

目前為止，太陽能光伏發電系統中最大功率追蹤的相關研究較為深入，但是存在的問題依舊不少，如文獻[4]將電導增量法MPPT控制方法與其他MPPT控制方法進行比較，提出了改進的變步長電導增量法，然而單一的電導增量法無法同時兼顧系統的動態性和穩定性；文獻[5]研究設計了模糊控制法與電導增量法結合的MPPT算法，有效地提高了太陽能光伏電池陣列的跟蹤速率，雖然在理論研究上值得肯定，但在實際應用中(外界環境不穩定時)對整個光伏發電系統的精度有待提高。本文在前人研究的基礎上，針對傳統的最大功率跟蹤對外界環境變化存在較大不穩定性這一不足，在擾動觀察法基礎上采用RMPPT/PID雙模控制策略對光伏發電系統進行控制設計，使系統在外界環境發生變化，特別是光強變化時能夠實時、準確、快速地工作在最大功率點處。

1 光伏電池陣列特性

太陽能電池的工作原理是利用光生伏特效應，根據電子學相關理論，可得到光伏電池的等效電路如圖2所示[6-7]。

圖2 太陽能電池等效電路

設定圖中電流、電壓正方向，當流進負載R0的電流為I0，其端電壓為V0時，可以得出光伏電池的V-I方程如式(1)所示：

(1)

其表達式中參數及表示意義如表1所示。根據式(1)建立其工程用數學模型，可以知道光照強度和外在溫度是影響太陽能電池功率輸出的最重要參數，當太陽光照強度和環境溫度變化時其光伏特性曲線如圖3所示[8-9]。

表1 方程式中參數含義

圖3 光伏電池特性曲線

為驗證太陽能電池輸出特性曲線性質，假設環境溫度不變時，在實驗室搭建了一組700 W的多晶硅光伏陣列，并測量了其I-V和P-V特性，測試參數如表2所示，在此測試數據基礎上得出光伏陣列伏安特性曲線和光伏陣列輸出電壓與功率曲線分別如圖4和圖5所示。

表2 不同光照強度下700 W光伏陣列伏安特性測量數據

從圖4中可以發現，隨著光照增強，其短路電流隨著增大；從圖5中可以發現，隨著光照增強，其最大輸出功率隨著增大。

圖4 光伏陣列伏安特性測量曲線圖

圖5 光伏陣列輸出電壓與功率測量曲線圖

2 基于RMPPT/PID雙模控制原理及實現

2.1 RMPPT控制原理及實現

目前用的較多的MPPT控制算法主要有固定電壓法(CVT)、擾動觀察法(P&O)[10]、電導增量法(IC)[11-12]，或是其改進算法[13]等。對于那些時變的系統,用傳統方法不能準確跟蹤到MPP，這里采用RMPPT(Real-time Maximal Power Point Tracking)控制,即光伏系統在光照強度及環境溫度時刻變化情況下,能夠實時檢測其變化，使光伏電池輸出在最大功率點處。其傳統的電導增量法雖然控制較方便[14]，但是牽涉有微分運算，如果要實現起來較復雜且易受采樣精度的影響，在其基礎上提出一種新的RMPPT實現方法。就是把dP/dV用功率變化量dP來取代，其控制原理如圖6所示。

圖6 dP控制原理圖

2.2 控制算法仿真

圖7 TMPPT/PID雙模控制仿真模型

3 仿真結果分析

系統仿真參數設置為：仿真時間設置為3 s，變步長的ode23tb，零階保持器采樣周期為10e-4 s，環境溫度T=25 ℃，XZSTIl80-24/B型號光伏電池組件參數：Pm=180 W；Vm=36 V，Im=5.0 A，Isc=5.30 A；Voc=44.8 V，系統邏輯判斷函數根據|P-Pmax|≤2.5實現TMPPT算法和PID之間切換。經多次仿真實驗可設置PID參數為Kp=104、Ki=2.5×10-3、Kd=2.5×10-4，系統在以上參數條件下可以達到較好的控制效果。圖8為三種不同MPPT控制方法的輸出功率仿真結果圖。

從圖8(a)所示的傳統P&O控制的系統仿真結果可知，系統在0.2 s左右跟蹤到最大功率點，功率點處附近有很明顯的波動，當在t=1 s時，光強由800 W/m2變為1 000 W/m2時，系統穩定于180 W。圖8(b)和8(c)所示的仿真結果分別表示采用RMPPT控制和RMPPT/PID雙模控制的功率輸出曲線，通過對比發現，系統能在小于0.1 s時間內工作于最大功率點，當在t=1 s時，光強由800 W/m2變為1 000 W/m2時，系統穩定于180 W，基于RMPPT控制的曲線到達最大功率點后,發生小幅零點振蕩,而基于RMPPT/PID雙模控制的曲線平穩。由此可知，本文提出的一種RMPPT/PID雙模控制方法能夠在外界環境發生變化時有效縮短追蹤時間，同時減少輸出功率附近的功率振蕩，最終使系統穩定運行于最大功率點處。

圖8 MPPT控制仿真結果

4 結束語

針對太陽能電池的非線性特性，以及傳統MPPT控制方法的不足，提出了一種RMPPT/PID雙模控制方法。該方法能夠實時響應外界環境變化，同傳統的方法相比，可以有效地縮短追蹤時間，系統加入的PID自適應控制大大減少了輸出功率附近的功率振蕩。系統仿真表明，當外界環境發生變化時，該控制方法能夠快速、準確地跟蹤MPP和基本消除MPP的功率振蕩現象，并使整個系統保持穩定運行。