邢珊珊，田素立，王振華，周俊華

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光伏MPPT系統(tǒng)電壓控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢珊珊，田素立，王振華，周俊華

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

分析了光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。使用基于變步長(zhǎng)電壓擾動(dòng)法作為功率/電壓尋優(yōu)控制器。為實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT響應(yīng)，重點(diǎn)對(duì)光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種光伏MPPT電壓復(fù)合控制器，采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)光伏輸出電壓控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)。確定了最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)以得到快速穩(wěn)定的MPPT控制。仿真分析結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果表明，此電壓復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。

光伏MPPT；電壓控制器；數(shù)學(xué)模型；電壓順饋；PI調(diào)節(jié)器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

光伏電池輸出功率隨光照、溫度等外部條件而時(shí)刻變化。為了提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率最大，需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。目前最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法較多，主要有恒定電壓法、恒定電流法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法。

常見(jiàn)光伏MPPT系統(tǒng)按照能量傳遞方向大致可以分為三部分。第一部分是最大功率點(diǎn)尋優(yōu)控制，通過(guò)尋優(yōu)算法找到最大功率點(diǎn)輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏輸出電壓或者電流值。第二部分是能量輔助傳遞控制，通過(guò)DC/DC變換電路進(jìn)行能量傳遞。第三部分是能量轉(zhuǎn)化控制，通過(guò)離網(wǎng)或者并網(wǎng)型設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)壓控制，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)或并入電網(wǎng)。

針對(duì)最大功率點(diǎn)尋優(yōu)控制，文獻(xiàn)[1]提出了一種基于變步長(zhǎng)的改進(jìn)型電壓擾動(dòng)觀察法。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于恒電壓(CVT)啟動(dòng)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。文獻(xiàn)[3]提出了一種梯度式變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。文獻(xiàn)[4]提出使用粒子群優(yōu)化算法。

針對(duì)能量輔助傳遞控制，文獻(xiàn)[5-6]論證了利用BOOST電路實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的合理性，提出了一種以BOOST電路為核心的MPPT能量輔助傳遞控制器。文獻(xiàn)[7]將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引入兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 DC/DC 變換器中，采用改進(jìn)型恒定電壓跟蹤控制算法提高了系統(tǒng)效率。

針對(duì)能量轉(zhuǎn)化控制，文獻(xiàn)[8]提出了一種單極式光伏逆變器柔性并網(wǎng)方法，通過(guò)直流電壓中環(huán)和電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)能量并網(wǎng)。文獻(xiàn)[9]引入了閾值電流和微變步長(zhǎng)擾動(dòng)法的開(kāi)路電壓和短路電流相結(jié)合的MPPT算法，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

文獻(xiàn)[10]通過(guò)建立環(huán)路傳遞函數(shù)，考慮了直流母線電壓對(duì)控制效果的影響，提出了一種環(huán)路動(dòng)態(tài)PI參數(shù)計(jì)算方法。為實(shí)現(xiàn)控制器PI參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

為了實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT控制，本文參考了以上文章對(duì)光伏MPPT的尋優(yōu)控制方法，使用基于變步長(zhǎng)電壓擾動(dòng)法作為功率/電壓尋優(yōu)控制器。分析了光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理。重點(diǎn)對(duì)光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種光伏MPPT電壓環(huán)復(fù)合控制器，采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)光伏輸出電壓控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)。確定了最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)以得到快速穩(wěn)定的MPPT控制。仿真分析結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果表明，此電壓環(huán)復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。

1 光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

基于電壓擾動(dòng)法的光伏MPPT控制器一般由功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器、光伏輸出電壓控制器兩部分構(gòu)成。光伏輸出電壓控制器由電壓誤差比較器、電壓環(huán)控制器、DC/DC變換器、負(fù)載、電壓采樣電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器用于根據(jù)電壓擾動(dòng)條件下的功率變化來(lái)確定電壓擾動(dòng)的方向至尋求到最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏輸出電壓。

光伏輸出電壓控制器用于實(shí)現(xiàn)光伏輸出電壓控制，并保證實(shí)際電壓量快速、穩(wěn)定地跟蹤電壓給定量。

DC/DC變換器輸入為光伏電池電壓，輸出連接穩(wěn)壓負(fù)載。起到電壓轉(zhuǎn)換的作用，使得光伏輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)整，并包含光伏最大功率輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值。最常用的為BUCK電路和BOOST電路?；诠夥姵剌敵鲭娏鬟B續(xù)性的考慮，本文選取BOOST電路作為DC/DC變換器。

穩(wěn)壓負(fù)載有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，一般都有相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行輸出電壓穩(wěn)定控制。在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，DC/DC變換器與穩(wěn)壓負(fù)載一起構(gòu)成了光伏輸出電壓穩(wěn)定裝置，假設(shè)變換器輸出電壓為out，輸入電壓為in，BOOST電路調(diào)制度為，有

由式(1)可知，通過(guò)調(diào)整調(diào)制度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池輸出電壓的控制。

2 光伏MPPT系統(tǒng)電壓環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器能夠保證快速鎖定最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏輸出電壓。光伏輸出電壓控制器能夠保證快速響應(yīng)功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器的輸出電壓命令。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了光伏輸出電壓控制器。

2.1 光伏MPPT控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

DC/DC變換器為光伏輸出電壓控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制量輸入(1-)為電壓環(huán)控制器的輸出。傳統(tǒng)的電壓環(huán)控制器一般使用比例積分器(PI)、比例積分微分器(PID)兩種。合理地設(shè)計(jì)比例、積分、微分參數(shù)能夠優(yōu)化電壓控制效果，鑒于光伏MPPT控制對(duì)象以及電路拓?fù)浞浅Ｃ鞔_，本文使用PI調(diào)節(jié)器作為電壓環(huán)控制器。

由式(1)可知，在變換器接穩(wěn)壓負(fù)載情況下，BOOST電路控制量輸入(1-)與光伏輸出電壓in的關(guān)系為

因此設(shè)計(jì)了一款具有光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能的控制器。順饋調(diào)節(jié)量為ref/out(0<<1)，為順饋調(diào)節(jié)系數(shù)。在相同的PI調(diào)節(jié)器控制下，順饋調(diào)節(jié)能夠通過(guò)對(duì)調(diào)制度的直接調(diào)節(jié)加快電壓環(huán)響應(yīng)，調(diào)節(jié)系數(shù)據(jù)實(shí)際情況選取。原則上越接近1，電壓順饋調(diào)節(jié)效果越明顯，順饋造成的短時(shí)不可控性也越明顯。光伏輸出電壓控制器框圖見(jiàn)圖2。

2.2光伏輸出電壓控制器的數(shù)學(xué)建模及參數(shù)設(shè)計(jì)

PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為p，積分系數(shù)為i，其傳遞函數(shù)為

DC/DC變換器相當(dāng)于一個(gè)電壓放大環(huán)節(jié)，其輸入為PI調(diào)節(jié)器的輸出及電壓順饋調(diào)節(jié)輸出之和。數(shù)值上為1-，在光伏輸出電壓為定值情況下，可以將電壓順饋調(diào)節(jié)器輸出當(dāng)作是擾動(dòng)單元來(lái)分析控制器電壓環(huán)。

可以將DC/DC變換器簡(jiǎn)化成光伏輸出電壓放大倍數(shù)為out的放大器。考慮到電壓采樣和DC/DC變換器輸出之間相差一個(gè)采樣周期，因此可以將DC/DC變換器以及光伏輸出電壓等效成具有時(shí)間常數(shù)f(f為電壓環(huán)控制周期)的一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)2為

電壓采樣電路一般由電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，且一般采用低通濾波處理來(lái)濾除信號(hào)中的高頻干擾成分。因此可以將電壓采樣電路看成具有時(shí)間常數(shù)if(電壓采樣回路時(shí)間常數(shù)，具體值視實(shí)際電路來(lái)定)的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)3為

通過(guò)對(duì)光伏輸出電壓控制器各組成部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以得到其基于傳遞函數(shù)的控制框圖如圖3所示。

由圖3，考慮到擾動(dòng)項(xiàng)對(duì)電壓環(huán)輸出的影響在穩(wěn)態(tài)時(shí)為0，其作用能加快系統(tǒng)穩(wěn)定。首先考慮光伏輸出電壓控制器電壓閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，其傳遞函數(shù)為

代入各部分傳遞函數(shù)的具體表達(dá)式得到整體傳遞函數(shù)表達(dá)式為

對(duì)于式(7)分母多項(xiàng)式中第二項(xiàng)，一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)f、if比較小，可以使用它們的和作為一個(gè)時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)等效替換，有

將式(7)代入式(6)，得到簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為

由于零點(diǎn)不影響單位階躍響應(yīng)的形式，只影響各瞬態(tài)分量系數(shù)的大小。這里僅考慮式(9)中極點(diǎn)對(duì)傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)的影響。為了獲得良好的控制效果及確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，將此傳遞函數(shù)與典型二階系統(tǒng)表達(dá)式比較有

式中：為二階系統(tǒng)阻尼系數(shù)；n為系統(tǒng)無(wú)阻尼振蕩圓頻率。

由式(10)得到PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為

3 光伏MPPT控制器的仿真分析

3.1 仿真電路設(shè)計(jì)及控制參數(shù)確定

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器使用“基于電壓擾動(dòng)尋優(yōu)控制策略”來(lái)確定最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏輸出電壓參考值。

光伏電池組件使用輸出功率最大為1?000?W的戴維南等效電路替代。DC/DC變換器輸出接電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定輸出電壓為out=400?V。依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計(jì)電抗器電感量，使用電感值為5?mH。

確定電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。電壓環(huán)控制周期f=0.000 125?s，電壓采樣處理電路時(shí)間常數(shù)if=0.000 075?s；電壓環(huán)無(wú)阻尼振蕩圓頻率取n=2 000?rad/s；為了使輸出電壓響應(yīng)快速、穩(wěn)定，系統(tǒng)阻尼系數(shù)取=1。代入式(11)得到電壓環(huán)控制器PI調(diào)節(jié)器參數(shù)p=0.002，i=2。

3.2 最大功率跟蹤效果仿真分析

使用Matlab軟件進(jìn)行仿真模型搭建以及仿真分析。模型搭建好后進(jìn)行光伏MPPT控制仿真，選擇最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，在沒(méi)有使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能時(shí)光伏電池輸出功率曲線如圖4所示。

由圖4可知，使用最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)使得光伏輸出功率經(jīng)過(guò)0.14 s達(dá)到最大值。整個(gè)過(guò)程穩(wěn)定基本無(wú)超調(diào)。

使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能，并取調(diào)節(jié)參數(shù)=0.5時(shí)，光伏電池輸出功率曲線如圖5所示。

由圖5可知，使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能，并取調(diào)節(jié)參數(shù)=0.5時(shí)，光伏電池輸出功率經(jīng)過(guò)0.025 s達(dá)到最大值。相比于沒(méi)有添加電壓順饋調(diào)節(jié)時(shí)，大大縮短了MPPT跟蹤時(shí)間。整個(gè)過(guò)程快速、穩(wěn)定、無(wú)超調(diào)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用的光伏電池組件由10只單體串聯(lián)構(gòu)成(單體最大功率輸出為100 W，開(kāi)路電壓為20?V)。DC/DC變換器采用BOOST變換器，輸出通過(guò)BUCK-BOOST電路接電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行母線電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定輸出電壓out=400 V。依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計(jì)電抗器電感量，使用電感值5 mH。選擇電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方案實(shí)現(xiàn)光伏MPPT電壓環(huán)控制，順饋調(diào)節(jié)參數(shù)=0.5，據(jù)式(11)取得最佳PI參數(shù)p=0.002，i=2。

通過(guò)遮擋組件其中一塊光伏電池單體進(jìn)行組件輸出功率跟蹤實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。使用上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)錄波去遮擋前后功率輸出響應(yīng)波形如圖6所示。

由圖可見(jiàn)在去遮擋前，光伏輸出功率為735?W。去遮擋時(shí)刻為0.092?s，去遮擋后，光伏輸出功率經(jīng)過(guò)約0.028?s后輸出功率達(dá)到此時(shí)的最大值860?W。功率響應(yīng)快速、穩(wěn)定、基本無(wú)超調(diào)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

多云天氣條件下，云層遮擋太陽(yáng)前后使用上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)錄波光伏組件輸出功率波形如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，在云層遮擋住太陽(yáng)之前，光伏組件輸出功率為960 W。云層遮擋發(fā)生時(shí)刻為0.049 s，云層遮擋后，光伏輸出功率經(jīng)過(guò)約0.026 s后輸出功率達(dá)到穩(wěn)定值590 W。功率響應(yīng)快速、穩(wěn)定、基本無(wú)超調(diào)，與仿真結(jié)果基本一致，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

光伏MPPT系統(tǒng)電壓環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)：

1) 通過(guò)對(duì)基于電壓擾動(dòng)法的光伏MPPT系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)了一種光伏MPPT電壓環(huán)復(fù)合控制器。

2) 電壓環(huán)復(fù)合控制器采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實(shí)現(xiàn)。

3) 基于優(yōu)化控制器響應(yīng)目的，確定了最佳電壓順饋系數(shù)和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

仿真分析結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果表明，此電壓環(huán)復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。

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(編輯 魏小麗)

Optimized design of the voltage controller of PV MPPT system

XING Shanshan, TIAN Suli, WANG Zhenhua, ZHOU Junhua

(XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

The photovoltaic MPPT system structure and working principleare analyzed. Variable step voltage perturbation method is used as the power/voltage optimization controller. In order to achieve fast and stable PV MPPT response, this paper focuses on the optimized design of the voltage-loop of PV output voltage controller. The voltage feed-forward compensation plus PI regulator method is used to design a composite voltage controller of PV MPPT. Voltage closed-loop transfer function is obtained through the establishment of the PV output voltage controller mathematical model. To get fast and stable MPPT control, the best PI controller parameters are calculated. The simulation results and experimental results indicate that this compound controller of voltage can quickly achieve a stable photovoltaic MPPT response.

photovoltaic MPPT; voltage controller; mathematical model; voltage feed-forward; PI regulator; optimized design

10.7667/PSPC151310

2015-07-29；

2015-12-25

邢珊珊(1986-)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電技術(shù)；E-mail：accordance2008@163.com

田素立(1986-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)，光伏系統(tǒng)控制；

王振華(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)及研發(fā)。