吳雷，高興琳

(江南大學(xué)電氣自動化研究所，江蘇無錫214122)

基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法MPPT研究

吳雷，高興琳

(江南大學(xué)電氣自動化研究所，江蘇無錫214122)

針對光伏陣列輸出特性，分析了傳統(tǒng)擾動觀測法的原理和不足，結(jié)合固定電壓法和基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法，提出了一種新的控制算法。使用Matlab/Simulink對該控制算法與傳統(tǒng)擾動觀測法進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明該算法有效地提高了系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，此外，該算法對光照強(qiáng)度突變具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境變化。

MPPT；固定電壓法；功率預(yù)測；變步長；擾動觀測法

面對日益加劇的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，發(fā)展清潔的可再生能源成為世界各國的共識。太陽能因其儲量豐富、清潔無污染而得到廣泛關(guān)注，光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的一種重要形式，具有良好的發(fā)展前景。

光伏電池的輸出電壓和輸出電流會隨著日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化而呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，而在特定的工作環(huán)境下又存在一個唯一的最大功率輸出點(diǎn)(MPP)。為了提高光伏電池的利用率，需要實(shí)時調(diào)節(jié)光伏電池的工作點(diǎn)使其始終工作于MPP(或附近)，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。常用的MPPT控制方法有固定參數(shù)法(固定電壓法、固定電流法)、擾動觀測法及電導(dǎo)增量法[1]等。

固定參數(shù)法利用光伏器件在最大功率點(diǎn)工作時其工作電壓、電流與器件開路電壓、短路電流的近似比例關(guān)系進(jìn)行控制，該方法只需檢測一個參數(shù)，控制簡單易行，但獲取開路電壓或短路電流要中斷系統(tǒng)正常工作，對系統(tǒng)運(yùn)行存在干擾，且該方法所采用的控制關(guān)系是近似關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，因此該方法控制精度低，僅適用于小功率場合。擾動觀測法(P&O)[2]是根據(jù)光伏器件在最大功率點(diǎn)處/=0的特性進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制，每隔一定時間增加或減少光伏電池輸出電壓，觀測其輸出功率變化方向，從而決定下一步的控制策略。該方法由于結(jié)構(gòu)簡單、被測參數(shù)少、容易實(shí)現(xiàn)，得到廣泛研究和應(yīng)用；其缺點(diǎn)是系統(tǒng)總是在光伏電池最大功率點(diǎn)附近震蕩運(yùn)行，產(chǎn)生一定的功率損失，且跟蹤步長的設(shè)定難以兼顧跟蹤精度和跟蹤速度，在光照等外界條件變化劇烈時容易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。增量電導(dǎo)法(IC)[3]是對擾動觀測法的改進(jìn)，根據(jù)△P/△U=0可以得到dI/dU=－I/U，當(dāng)系統(tǒng)滿足該關(guān)系式時，表明系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)，由于它不需要比較電壓變化前后的功率、電壓變化情況，因此可以消除擾動觀測法在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象，但該方法需高精度的檢測器件，雖然理論上可以消除穩(wěn)態(tài)時的功率振蕩，但由于計(jì)算誤差和檢測元件精度限制，實(shí)際工作中還是存在一定的功率波動，且算法較復(fù)雜，需要較多的計(jì)算時間，因而對外部環(huán)境變化的響應(yīng)速度變慢。

本文針對光伏陣列的輸出特性，提出了一種新的MPPT控制策略，該策略結(jié)合了固定電壓法和基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法，固定電壓法用于系統(tǒng)啟動，使系統(tǒng)快速運(yùn)行于近似的MPP，基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT，具有跟蹤速度快、功率振蕩小、日照劇烈變化不會發(fā)生誤判等優(yōu)點(diǎn)。

1 光伏電池建模

光伏電池是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的。單體光伏電池的輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)照度(1 000 W/m2)下只有0.5 V左右，常見的單體電池的輸出功率一般在1 W左右。單體電池除了容量小以外，其機(jī)械強(qiáng)度也較差。在實(shí)際應(yīng)用中一般將單體電池經(jīng)串、并聯(lián)嚴(yán)密封裝成組件，或進(jìn)一步將光伏電池組件串、并聯(lián)連接成光伏陣列。光伏電池的實(shí)際工作等效電路如圖1所示[4]。

圖1光伏電池等效電路

圖1 中，sc代表光子在光伏電池中激發(fā)的電流，這個量取決于光照強(qiáng)度、電池的面積和本體的溫度，sc與光照強(qiáng)度成正比；VD為通過pn結(jié)的總擴(kuò)散電流，方向與sc相反；sh為光伏電池旁漏電阻；s為光伏電池串聯(lián)電阻；L為光伏電池負(fù)載電阻；L為負(fù)載電流。

一般光伏電池，串聯(lián)電阻很小，并聯(lián)電阻很大，所以在進(jìn)行理想計(jì)算時可以忽略不計(jì)，可得負(fù)載電流的理想表達(dá)式：

2 光伏電池的輸出特性曲線

光伏電池輸出電流如式(1)，輸出功率的函數(shù)為：

qUL

P=IscUL?ID0UL(eAKT?1)(2)

圖2為外部環(huán)境穩(wěn)定情況下光伏陣列輸出電流、輸出功率與輸出電壓的關(guān)系曲線。由圖2可知在一定的光照和溫度條件下，光伏陣列輸出功率特性曲線是以最大功率點(diǎn)為極值的一個單峰值曲線，在最大功率點(diǎn)電壓處輸出最大功率，在最大功率點(diǎn)左側(cè)輸出功率隨電壓升高而增大，在最大功率點(diǎn)右側(cè)輸出功率隨電壓升高而減小。

圖2 光伏陣列輸出電流、輸出功率特性曲線

3 光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池的輸出特性會受外界光照、工作結(jié)溫、負(fù)載狀態(tài)的變化而變化，具有強(qiáng)烈的非線性特征，但在特定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池存在一個最大功率輸出點(diǎn)。要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，一個重要途徑就是實(shí)時變換系統(tǒng)負(fù)載特性，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

傳統(tǒng)的擾動觀測法采用定步長擾動，在跟蹤最大功率點(diǎn)時存在動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度相矛盾的問題。根據(jù)光伏電池輸出功率-電壓特性曲線可知，在整個電壓范圍內(nèi)，輸出功率曲線為一單峰曲線，且在遠(yuǎn)離MPP時，功率變化較快，跟蹤步長應(yīng)適當(dāng)增大，以提高跟蹤速度；在MPP附近時，功率變化較慢，跟蹤步長應(yīng)適當(dāng)減小，以提高跟蹤精度。同時當(dāng)光照發(fā)生突變時，光伏電池的工作點(diǎn)會從一條特性曲線轉(zhuǎn)移到另一條特性曲線上，若根據(jù)單一的特性曲線進(jìn)行控制就有可能發(fā)生誤判，導(dǎo)致跟蹤方向錯誤，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致電壓、功率崩潰。

針對以上提到的兩點(diǎn)，本文對傳統(tǒng)的擾動觀測法進(jìn)行兩點(diǎn)改進(jìn)，采用變化的步長取代定步長擾動；同時，為避免光照突變時發(fā)生誤判，可以針對多條特性曲線的情形進(jìn)行功率預(yù)測。

同一輻照度下P-U特性曲線上電壓擾動前的工作點(diǎn)功率可以通過預(yù)測算法而獲得，利用這個預(yù)測的功率以及同一輻照度下P-U特性曲線上電壓擾動后檢測到的實(shí)際工作點(diǎn)功率，就可以實(shí)現(xiàn)基于擾動觀測法的MPPT，有效克服誤判，這是基于功率預(yù)測的擾動觀測法的基本思路。下面分析其基本算法。當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以假定一個采樣周期中輻照度的變化速率恒定。令時刻電壓Uk處工作點(diǎn)測得的功率為P(k)，此時不對參考電壓加擾動，而是在KT時刻后半個采樣周期的(+1/2)時刻增加一次功率采樣，令測得的功率為P(k+1/2)，則可以得到基于一個采樣周期的預(yù)測功率p'(k)為：

在(+1/2)時刻使參考電壓增加△U，并令在(+1)時刻測得電壓+1處的功率為P(k+1)，P(k+1)與P'(k)理論上是同一光照強(qiáng)度下P-U特性曲線上電壓擾動前后的兩個工作點(diǎn)功率，故利用(k+1)時刻的檢測功率P(k+1)以及時刻的預(yù)測功率P'(k)進(jìn)行基于擾動觀測法的MPPT是不存在誤判問題的。

變步長算法采用最優(yōu)梯度法[5]確定擾動步長，公式為：

本文將基于功率預(yù)測的擾動觀測法與變步長的擾動觀測法相結(jié)合，不僅能克服誤判，還能解決MPPT跟蹤速度和精度間的矛盾，最大限度抑制系統(tǒng)的振蕩。

經(jīng)分析，設(shè)計(jì)基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法的流程圖，如圖3所示。

圖3 基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法流程

系統(tǒng)采用固定電壓法啟動，使系統(tǒng)快速運(yùn)行于MPP附近，再利用基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法實(shí)現(xiàn)最大功率的快速、準(zhǔn)確跟蹤。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出的MPPT控制算法的有效性，利用Matlab/Simulink軟件對傳統(tǒng)擾動觀測法和本文提出的基于功率預(yù)測的變步長算法進(jìn)行了仿真分析。主電路選擇Boost DC/DC變換電路，光伏陣列的模型按照以下參數(shù)搭建：標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(光伏電池設(shè)定溫度25℃，初始光照1 000 W/m2)最大功率170 W，最大功率點(diǎn)電壓和電流分別為23 V和7.4 A，開路電壓29 V，短路電流8 A。

圖4和圖5分別為傳統(tǒng)擾動觀測法和基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法在進(jìn)行MPPT控制時的波形。由圖可見，擾動觀測法在系統(tǒng)啟動后0.09 s跟蹤到最大功率點(diǎn)，本文算法在0.02 s前就已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由此看出本文算法跟蹤速度更快；0.2 s時外界光照突變?yōu)? 500 W/m2，0.4 s時光照突變?yōu)? 200 W/m2，可見本文提出的方法消除了光照突變跟蹤初期的誤判，變步長的算法有效減輕了系統(tǒng)在MPP的功率振蕩，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度，可見基于功率預(yù)測的變步長算法在動態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度上都有較大優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文針對光伏電池輸出特性，分析了傳統(tǒng)擾動觀測法的原理和不足，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的控制算法，該算法結(jié)合了固定電壓法和基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法，前者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速啟動，后者將基于功率預(yù)測的擾動觀測法與變步長的擾動觀測法相結(jié)合，不僅能克服光照突變時的誤判，還能解決MPPT跟蹤速度和精度間的矛盾，最大限度抑制系統(tǒng)的振蕩。通過仿真驗(yàn)證可知，該控制算法在外界光照強(qiáng)度發(fā)生突變時，能夠避免誤判，迅速、精確地跟蹤到MPP，減少了振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)的工作效率。

圖4 傳統(tǒng)擾動觀測法功率波形

圖5 基于功率預(yù)測的變步長擾動觀測法功率波形

[1]周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù)，2008，34(6)：1145-1154.

[2]張超，何湘寧.短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(20)：98-102.

[3]焦陽，宋強(qiáng)，劉文華.基于改進(jìn)MPPT算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2010，30(12)：92-96.

[4]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：41-44.

[5]趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

Research of kind of variable step size perturbation and observation MPPT based on power prediction

WU Lei,GAO Xing-lin

Considering the output characteristic of photovoltaic array,the principle and shortcomings of the traditional P&O method was analyzed,and an improved maximum power point tracking(MPPT)algorithm was presented,which was the combination of Constant Voltage algorithm and variable step size P&O method based on power prediction. The results of proposed algorithm and traditional algorithms were made by simulating with MATLAB/Simulink program.The simulation results show that the MPPT response speed and accuracy could be greatly improved by the proposed scheme.Moreover,it was more suitable for practical operating conditions due to the strong capability of anti-interference.

MPPT;constant voltage algorithm;power prediction;variable step size;P&O

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0527-02

2014-08-14

2012年省產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新項(xiàng)目(BY2012069)

吳雷(1962—)，男，江蘇省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、電力傳動、感?yīng)加熱電源。