太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略

王橋莉，張文浪

（1.陜西東方航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723000；2.陜西公眾智能科技有限公司，陜西 西安 710000）

隨著化石能源的逐漸枯竭，人類面臨著能源危機(jī)。為了解決這些問題，走可持續(xù)發(fā)展道路，發(fā)展新能源是大勢(shì)所趨，太陽(yáng)能有明顯的優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)的關(guān)注和重視。以太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并且進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制進(jìn)行仿真，具有非常重要的實(shí)踐意義[1]。

太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能發(fā)電的承載物和連接點(diǎn)，其運(yùn)行狀態(tài)受到光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載等因素的影響。當(dāng)光照強(qiáng)度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出功率增加。當(dāng)溫度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出功率輸出降低。當(dāng)光伏系統(tǒng)工作在一定條件時(shí)，太陽(yáng)電池存在的唯一功率輸出最大點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也被稱為光伏最大功率點(diǎn)。通過控制策略使太陽(yáng)能電池工作在這個(gè)點(diǎn)的技術(shù)被稱為MPPT控制策略（Maximum Power Point Tracking，MPPT）[2]。

基于光伏MPPT跟蹤快速和振蕩平穩(wěn)抑制的要求，本文首先介紹了光伏發(fā)電的基本原理，并講解了擾動(dòng)觀測(cè)法的工作原理，仿真建模分析結(jié)果表明擾動(dòng)觀察法具有響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，能很好滿足光伏發(fā)電的MPPT實(shí)際運(yùn)行要求。

1 太陽(yáng)能電池的工作特性

1.1 太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能是光的一種輻射能，必須應(yīng)用特定的輻射效應(yīng)轉(zhuǎn)換器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，這種轉(zhuǎn)換器裝置被稱為太陽(yáng)能電池。如圖1所示，常見的太陽(yáng)能電池等效電路是用電流源與二極管并聯(lián)，電流源的功率輸出受光照強(qiáng)度的直接影響。在理論推導(dǎo)時(shí)，常假設(shè)電池等效模型中電流未泄漏，串聯(lián)電阻為零，并聯(lián)電阻無(wú)窮大。

圖1 太陽(yáng)能電池單二極管模型

列寫基爾霍夫定律可得太陽(yáng)能電池輸出電流，具體如下：

式（1）中：Isc為特定溫度下的短路電流；Ipvo為二極管電流。

式（2）中：Irev為反向飽和電流；q為電子電荷量（1.602e-19J）；v為二極管電壓；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.381e-19J/K）；T為開爾文溫度。

利用式（3）可以近似求解：

式（3）中：Isc為光電效應(yīng)短路電流；G為輻射率；Gst為在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下輻射率；Ist為在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下電流值。

設(shè)置開路電壓值可求解反向飽和電流值，例如端口開路（Ipv為0，Voc為Vpv）。

考慮將串聯(lián)電阻、復(fù)合系數(shù)等因素[3]，得到光伏電流方程式：

從上式可以看出當(dāng)溫度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出功率略微減小；當(dāng)光照強(qiáng)度上升時(shí)，輸出功率提升較為明顯。因此，溫度、光照強(qiáng)度等外界環(huán)境參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出功率有較大影響[4]。

1.2 Boost變換器建模

一般太陽(yáng)能電池輸出電壓小于電網(wǎng)電壓的峰值，經(jīng)Boost變化升壓后可提高電壓，有利于逆變并網(wǎng)，因此本文選用Boost變換器作為MPPT控制的載體。Boost拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 boost功率控制電路

由圖可知，開關(guān)管VT導(dǎo)通，輸入電流流經(jīng)電感L和開關(guān)管VT，電感電流開始儲(chǔ)存能量，二極管VD關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)VT打開，L線圈兩端的極性將由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變，以保持電感電流不變，電感電壓再與電源E串聯(lián)，以高于E的電壓向后級(jí)供電，產(chǎn)生升壓作用[5]。

當(dāng)后級(jí)系統(tǒng)需要大的電壓時(shí)，增大占空比升壓；當(dāng)后級(jí)系統(tǒng)需要小的電壓時(shí)，減小V空比減壓。利用占空比改變工作電壓，以改變功率的輸出狀態(tài)。

2 擾動(dòng)觀察法MPPT策略設(shè)計(jì)

接下來(lái)簡(jiǎn)述一下擾動(dòng)觀察法的基本原理。擾動(dòng)觀察法的原理圖如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能輸出功率特性曲線

先假設(shè)太陽(yáng)能電池的運(yùn)行在其特性曲線的A點(diǎn)，為保證太陽(yáng)能電池輸出更大的功率，需向右移動(dòng)，即增大工作電壓，以增加太陽(yáng)能電池的輸出功率，此時(shí)太陽(yáng)能電池將會(huì)達(dá)到太陽(yáng)能輸出特性曲線B點(diǎn)。相較于A點(diǎn)，明顯增加了輸出功率。

其次，繼續(xù)判斷是否達(dá)到最大功率輸出的狀態(tài)，繼續(xù)向正方向進(jìn)行擾動(dòng)，增加輸出電壓，從而使輸出功率也不斷的增加，此時(shí)太陽(yáng)能電池將會(huì)達(dá)到太陽(yáng)能輸出特性曲線C點(diǎn)。相較于B點(diǎn)，明顯增加了輸出功率。

最后，繼續(xù)判斷是否達(dá)到最大功率輸出的狀態(tài)，繼續(xù)向正方向進(jìn)行擾動(dòng)，增加輸出電壓，從而使輸出功率進(jìn)行減少隨之降低。因此，應(yīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)變電壓擾動(dòng)干擾方向，以此保證太陽(yáng)能電池輸出功率處于最大的狀態(tài)。

反之，若一開始太陽(yáng)能電池工作在E點(diǎn)，進(jìn)行上述搜索。會(huì)從E點(diǎn)，減小工作電壓，改變太陽(yáng)能電池的工作狀態(tài)，以獲得太陽(yáng)能電池盡可能大的功率輸出，則會(huì)繼續(xù)向左工作，轉(zhuǎn)至D點(diǎn)。此時(shí)繼續(xù)尋優(yōu)搜索，則降低工作電壓，從D轉(zhuǎn)至C點(diǎn)，以獲得太陽(yáng)能電池盡可能大的功率輸出。

如此循環(huán)往復(fù)，使太陽(yáng)能電池始終在C點(diǎn)附近上下運(yùn)行，從而保證了太陽(yáng)能電池持續(xù)輸出最大功率。由于整個(gè)過程如爬山一樣循環(huán)往復(fù)，從山底到山頂，反復(fù)尋求山頂太陽(yáng)能功率輸出最大的點(diǎn)。因此此種方法被稱之為爬山法。

擾動(dòng)觀測(cè)法的流程圖如圖4所示。

圖4 擾動(dòng)觀測(cè)法流程圖

U（K）、I（K）代表此時(shí)刻的工作電壓、工作電流，U（K-1）表示上一時(shí)刻的輸出電壓，P（K）代表此時(shí)刻的輸出功率，P（K-1）上一時(shí)刻的輸出功率，D（K）代表目前此時(shí)刻變換器的占空比，D（K-1）代表上一時(shí)刻占空比，D（K+1）代表下一時(shí)刻占空比，ΔD代表占空比的改變量。則此方案的工作步驟如下。

首先，采集U（K）、I（K）的實(shí)時(shí)數(shù)值，得到此時(shí)太陽(yáng)能電池的輸出功率。

接著，將這一時(shí)刻的輸出功率P（K）與上一個(gè)時(shí)刻的輸出功率P（K-1）比較。若是差值不為0，則代表此時(shí)就處于最大功率狀態(tài)，無(wú)需改變占空比，以影響工作電壓，進(jìn)而改變太陽(yáng)能電池輸出功率；若差值為0，繼續(xù)進(jìn)行下一步。

最后，進(jìn)行繼續(xù)比較。將這一時(shí)刻的輸出功率P（K）與上一個(gè)時(shí)刻的輸出功率P（K-1）比較。

若差值小于0，則表示這一時(shí)刻輸出功率大于上一時(shí)刻，可進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。若此時(shí)的工作電壓U（K）大于U（K-1），則增加占空比，增大工作電壓，以提高輸出效率；若此時(shí)的工作電壓U（K）小于U（K-1），則減小占空比，減小工作電壓，以提高輸出效率。

若輸出功率差值大于0，則表示這一時(shí)刻輸出功率小于上一時(shí)刻，可進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。若此時(shí)的工作電壓U（K）大于U（K-1），則減小占空比，減小工作電壓，以提高輸出效率；若此時(shí)的工作電壓U（K）小于U（K-1），則增大占空比，增大工作電壓，以提高輸出效率。

若P監(jiān)測(cè)前、后沒有發(fā)生改變，則D應(yīng)不改變。

綜上所述，只要能夠選擇合適開關(guān)VT的占空比D以及占空比的改變值ΔD，控制器就能夠迅速地找到太陽(yáng)能電池陣列的最大功率。

3 仿真驗(yàn)證

采用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真模型，其中光伏組件參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件S=1 000 W/m2、T=25℃下開路電壓Voc=22.4 V、最大功率點(diǎn)電壓Vm=18V、短路電流Isc=3.5A、最大功率點(diǎn)電流Im=2.9A，光伏的最大輸出功率約為52 W。Boost變換器中的參數(shù)為電感L=5 mH、電容C1=100μH、電容C=100μH，負(fù)載電阻R=30Ω。

3.1 啟動(dòng)時(shí)最大功率點(diǎn)的跟蹤特性

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下，啟動(dòng)時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤特性曲線如圖5所示。從圖可以看出，使用擾動(dòng)觀測(cè)法可以迅速達(dá)到太陽(yáng)能電池的最大功率值，其穩(wěn)態(tài)值為52W。

圖5 啟動(dòng)時(shí)MPPT特性曲線

3.2 環(huán)境變化時(shí)跟蹤性能

當(dāng)光照強(qiáng)度S不變，環(huán)境溫度T突變時(shí)的MPPT跟蹤特性曲線如圖6所示。從圖可以看出，在從60℃變換到25℃，再突變到60℃的情況的跟蹤時(shí)間分別為0.1 s與0.2 s。這表明太陽(yáng)能電池輸出功率受到溫度因素的影響，先上升后下降，也表明了擾動(dòng)觀測(cè)法可在溫度變化情況下跟蹤到最大功率點(diǎn)。

圖6 S不變、T突變的MPPT跟蹤特性曲線

當(dāng)環(huán)境溫度T不變，光照強(qiáng)度S突變時(shí)的MPPT跟蹤特性曲線如圖7所示。在實(shí)際環(huán)境條件下，光照強(qiáng)度變化頻繁，制約運(yùn)行效率，因此光強(qiáng)突變時(shí)最大功率點(diǎn)追蹤性能非常重要。從圖中可以看出，T為25℃，S分別在0.1 s、0.2 s，仿真波形從1000W/m2變換到800W/m2，再突變到1000 W/m2。使用擾動(dòng)觀測(cè)法后，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，可以迅速跟蹤到最大功率點(diǎn)。且最大功率在光照從高到低，再?gòu)牡偷礁叩倪^程中呈相反趨勢(shì)。

圖7 T不變、S突變的MPPT跟蹤特性曲線

4 結(jié)論

由于光伏發(fā)電受環(huán)境因素制約，若不加以控制，會(huì)影響工作效率。本文通過分析太陽(yáng)能電池工作原理，給出了擾動(dòng)觀測(cè)法的步驟，仿真結(jié)果表明，本文所介紹的擾動(dòng)觀測(cè)法可以跟蹤到最大功率點(diǎn)。