徐海濤，高　波，賈浩文，張　利

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東青島266590)

?

MPPT中一種新型擾動(dòng)觀察法的算法研究

徐海濤，高波，賈浩文，張利

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東青島266590)

摘要：擾動(dòng)觀察法在現(xiàn)有眾多的MPPT控制方法中是比較簡(jiǎn)單而且有效率的控制方法。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型算法，首先運(yùn)用變步長(zhǎng)弱振蕩方法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，然后在功率和電壓變化基礎(chǔ)上引入了電流變化量。這種方法既可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定跟蹤最大功率點(diǎn)的目的，同時(shí)可以避免在光照增強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生的工作點(diǎn)漂移。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行建模仿真，使用Boost電路驗(yàn)證所提出方法的有效性。仿真結(jié)果表明，此種改進(jìn)方法消除了系統(tǒng)振蕩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果更好，更重要的是它可以在光照增強(qiáng)時(shí)有效準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)，避免工作點(diǎn)漂移。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)；Boost；擾動(dòng)觀察法；漂移；變步長(zhǎng)

0引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中影響光伏電池輸出特性的因素諸如光照、溫度等較多，而光伏電池又屬于比較復(fù)雜的非線性發(fā)電裝置，所以導(dǎo)致光伏電池的輸出時(shí)刻都在發(fā)生變化[1]。帶有最大功率(MPPT)跟蹤的控制方法可以實(shí)時(shí)有效地提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，成為光伏系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。到目前為止，包括擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法等[2-4]在內(nèi)的許多方法已經(jīng)提出來(lái)，并且成功的應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。這些方法都存在一定優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

文獻(xiàn)[5]提出了變步長(zhǎng)弱振蕩算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，可以使其跟蹤更穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果更好，不過(guò)這種方法忽視了光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)工作點(diǎn)漂移問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]為避免這種漂移問(wèn)題通過(guò)給擾動(dòng)步長(zhǎng)施加限制實(shí)現(xiàn)，不過(guò)為了光照強(qiáng)度變化迅速時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)需要大的擾動(dòng)步長(zhǎng)，從而會(huì)增加在穩(wěn)定狀態(tài)下的功率損耗。文獻(xiàn)[7]通過(guò)估算整個(gè)功率電壓曲線的方法實(shí)現(xiàn)，但是這種方法不可能在光照突變情況下估算完整的功率電壓曲線，也就不能完全避免工作點(diǎn)漂移。文獻(xiàn)[8]給出的解決方法是通過(guò)施加功率變化的上下限值來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣β首兓纳舷孪拗抵饕Q于光照強(qiáng)度變化量，所以這不是最理想的解決方法。另外電導(dǎo)增量法雖然可以在光照強(qiáng)度變化時(shí)可以準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)，但是硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高。文獻(xiàn)[9]方法通過(guò)在傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法基礎(chǔ)上引入電流變化量提出了一個(gè)準(zhǔn)確簡(jiǎn)單避免工作點(diǎn)漂移的方法，但是這種方法在最大功率點(diǎn)附近存在振蕩，穩(wěn)態(tài)輸出波形有一定波動(dòng)。此外Sepic電路電器元器件較多，而且電容值一般較大，使得電路重量增加，線路損耗增加，所以實(shí)際中此電路應(yīng)用不多。

本文首先基于Boost電路從理論上論述了改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法的原理，然后通過(guò)在Matlab/Simulink平臺(tái)上建立了基于Boost電路仿真模型，最后對(duì)改進(jìn)型算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，這種方法既可以快速穩(wěn)定地跟蹤最大功率點(diǎn)，又可以在光照增強(qiáng)時(shí)避免工作點(diǎn)漂移問(wèn)題。

1光伏陣列特性

光伏陣列的輸出電流與輸出電壓之間的關(guān)系[10]為

(1)

輸出功率與輸出電壓之間關(guān)系為

(2)

式中：Ipv為光伏陣列的輸出電流；IL為光伏電池的光生電流(由光照強(qiáng)度決定)；Upv為光伏陣列的輸出電壓；q為電荷常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；A為光伏電池中半導(dǎo)體電池的PN結(jié)系數(shù)；T為絕對(duì)溫度；IO為電池反向飽和電流；RS為內(nèi)部串聯(lián)等效電阻；Rsh為內(nèi)部旁路等效電阻。

圖1　不同光照強(qiáng)度時(shí)光伏陣列功率與電壓及電流與電壓特性曲線

采用VPV，T(溫度)、G(光照強(qiáng)度)作為光伏陣列的輸入，IPV，PPV為輸出。輸入變量VPV工作在0～40 V之間，溫度保持在25 ℃不變，光照強(qiáng)度分別為1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2，500 W/m2，得到光伏陣列的IPV-VPV，PPV-VPV特性關(guān)系曲線。如圖1所示，光伏陣列短路電流隨光照量增加而增加，開(kāi)路電壓變化不大。在一定的外界環(huán)境下，電池的輸出功率有唯一的最大功率點(diǎn)，并且輸出功率隨光照強(qiáng)度增加而增加。為了使光伏電池輸出最大功率，需要使用最大功率跟蹤(MPPT)控制方法。它可以在特定的環(huán)境溫度和光照下自動(dòng)跟蹤到太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)并穩(wěn)定在此處。

2改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法基本工作原理是：首先通過(guò)測(cè)量光伏陣列的電流電壓，計(jì)算出當(dāng)前的輸出功率，然后在原來(lái)的輸出電壓基礎(chǔ)上增添一個(gè)微小的擾動(dòng)量，對(duì)輸出功率進(jìn)行再次測(cè)量并觀察變化情況。如果功率變大，表示擾動(dòng)方向是向最大功率點(diǎn)靠近，然后保持原來(lái)擾動(dòng)方向進(jìn)行擾動(dòng)并觀察；如果發(fā)現(xiàn)功率變小，則表示遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，需要改變擾動(dòng)方向進(jìn)行擾動(dòng)。

通過(guò)圖2介紹光照強(qiáng)度突變時(shí)工作點(diǎn)漂移過(guò)程[11]。

圖2　光照變化時(shí)工作點(diǎn)漂移過(guò)程

如圖2所示，當(dāng)光照變化時(shí)工作點(diǎn)容易發(fā)生漂移問(wèn)題。假設(shè)工作點(diǎn)開(kāi)始時(shí)工作于點(diǎn)A，由于擾動(dòng)觀察法本身的特點(diǎn)它會(huì)在附近振蕩，來(lái)回工作于B，B’，A 3點(diǎn)，當(dāng)工作點(diǎn)由B’點(diǎn)朝A點(diǎn)移動(dòng)時(shí)光照開(kāi)始增加，工作點(diǎn)會(huì)到達(dá)C點(diǎn)而不是B點(diǎn)，在這種情況下，算法會(huì)認(rèn)為擾動(dòng)是在增加功率的方向上，因此，它在相同方向繼續(xù)提供擾動(dòng)，進(jìn)而工作點(diǎn)會(huì)偏離最大工作點(diǎn)，并且會(huì)沿著A-C-D-E方向繼續(xù)移動(dòng)。綜上所述，工作點(diǎn)會(huì)在光照強(qiáng)度持續(xù)增加的情況下不斷地偏離最大功率點(diǎn)。

Boost電路開(kāi)關(guān)管發(fā)射極接地，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，它可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，則電感上的紋波電流小，可以接近平滑的直流電流，因此，只要加入容量較小的電容甚至不加電容，避免了加電容帶來(lái)的體積增大等弊端。

本文首先采用變步長(zhǎng)弱振蕩方式實(shí)現(xiàn)MPPT:第一級(jí)步長(zhǎng)適當(dāng)加大，用以快速接近最大功率點(diǎn)附近區(qū)域，減少搜索時(shí)間；第二級(jí)步長(zhǎng)適當(dāng)減小，用以高精度逼近最大功率點(diǎn)。其次，通過(guò)在電壓功率變化量基礎(chǔ)上，引入電流變化量來(lái)避免光照強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生的工作點(diǎn)漂移問(wèn)題。

下面介紹光照增強(qiáng)時(shí)如何避免工作點(diǎn)漂移。

Boost電路輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系為

(3)

該斬波電路的效率可以表示為

(4)

式中：Vpv，Ipv分別代表光伏陣列的輸出電壓、輸出電流；Vo，Io為變換器的負(fù)載電壓和負(fù)載電流。

由公式(4)可得

(5)

公式(1)所示光伏陣列電壓電流關(guān)系通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式簡(jiǎn)化為

(6)

其中，

然后，將公式(5)代入式(6)可得

(7)

通過(guò)簡(jiǎn)化公式(7)可得：

(8)

將公式(8)代入公式(5)可得：

(9)

在給定光照條件下光生電流可以表示為

(10)

式中：IL,n代表標(biāo)準(zhǔn)條件下(T=25 ℃和G=1 000 W/m2)光生電流；KI代表短路電流溫度系數(shù)； ΔT=T-Tn(T和Tn分別代表實(shí)際和標(biāo)準(zhǔn)情況下溫度)；G為光伏陣列表面實(shí)時(shí)溫度；Gn代表標(biāo)準(zhǔn)溫度。

通過(guò)把公式(10)代入公式(8)和公式(9)可得電壓電流在考慮光照時(shí)的導(dǎo)數(shù)，如下面公式(11)和公式(12)所示。

(11)

(12)

因?yàn)闇囟茸兓颗c光照強(qiáng)度變化量成比例，即dT/dG>0，Isc,n，KI還有ΔT都是正的，分母是正值，dVpv/dG>0和dIpv>0得證。所以由式(11)和式(12)可知，當(dāng)光照量增加時(shí)輸出電壓和輸出電流都會(huì)增加。

圖3　改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法流程圖

由I-V曲線特性可知，當(dāng)光照強(qiáng)度突然增加或持續(xù)增加時(shí)電流相應(yīng)增加；由P-V曲線特性可知，此時(shí)電壓和功率也相應(yīng)增加，所以當(dāng)光照量增加時(shí)功率變化量、電壓變化量、電流變化量皆為正。由I-V曲線特性可知，電壓和電流變化量只有在光照增加時(shí)一致，因此，功率增加是由于步長(zhǎng)增加還是光照量增加可以通過(guò)電流參數(shù)判定。綜上所述，光照量增加時(shí)通過(guò)減少工作電壓從而消除工作點(diǎn)漂移，使得工作點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)。如圖3所示，改進(jìn)型算法通過(guò)判斷功率變化范圍決定采用大步長(zhǎng)(Sp1)還是小步長(zhǎng)(Sp2)，通過(guò)功率和電壓變化量一致為正時(shí)檢測(cè)電流來(lái)避免工作點(diǎn)漂移。

3仿真分析

仿真驗(yàn)證電路使用Boost升壓電路，設(shè)置光伏陣列標(biāo)準(zhǔn)短路電流5 A，開(kāi)路電壓為21.1 V，最大工作點(diǎn)電壓17.1 V，最大功率點(diǎn)電流4.6 A。圖4中方法一為文獻(xiàn)[5]110提出的方法，方法二為文獻(xiàn)[9]5549提出的方法。方法三為本文提出的改進(jìn)型方法。

(1)光照強(qiáng)度變化時(shí)仿真分析對(duì)比

首先設(shè)置圖4仿真時(shí)間為0.5 s，光照強(qiáng)度在0.2 s時(shí)從300 W/m2階躍上升到500 W/m2，然后在0.3 s時(shí)從500 W/m2下降到200 W/m2。

圖4　光照強(qiáng)度變化時(shí)3種方法輸出功率波形對(duì)比

由圖4(a)可知，本文提出的方法由于采用了避免工作點(diǎn)漂移措施，效果與方法一相比可以在光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)避免工作點(diǎn)漂移，但是光照降低時(shí)不適用。由圖4(b)可知，由于采取了變步長(zhǎng)弱振蕩措施，可以有效地提高響應(yīng)速度，并且可以提高穩(wěn)態(tài)時(shí)精度，消除穩(wěn)態(tài)時(shí)振蕩。

(2)光照強(qiáng)度短時(shí)間內(nèi)持續(xù)增強(qiáng)時(shí)分析對(duì)比

圖5　光照持續(xù)增強(qiáng)時(shí)輸出功率波形對(duì)比

設(shè)置仿真時(shí)間為0.4 s，光照在0.18 s開(kāi)始以每0.1 s上升50 W/m2的速度從500 W/m2上升到650 W/m2。由圖5(a)可知，光照持續(xù)增強(qiáng)時(shí)改進(jìn)型方法可以有效避免工作點(diǎn)漂移，提高工作點(diǎn)跟蹤精度，減少漂移帶來(lái)的功率損失。由圖5(b)可知，改進(jìn)方法可以提高在光照持續(xù)增強(qiáng)時(shí)響應(yīng)速度，消除穩(wěn)態(tài)時(shí)振蕩，達(dá)到最大功率跟蹤目的。

綜上所述，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法在光照強(qiáng)度變化時(shí)可以迅速而又穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能，同時(shí)可以避免工作點(diǎn)漂移問(wèn)題。

4結(jié)論

本文首先對(duì)光伏陣列基本模型及其電流-電壓、功率-電壓特性進(jìn)行了介紹，然后針對(duì)光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)工作點(diǎn)存在的漂移問(wèn)題展開(kāi)論述及分析。在變步長(zhǎng)弱振蕩擾動(dòng)法基礎(chǔ)上提出了一種新型的擾動(dòng)觀察法，這種方法既可以提高響應(yīng)速度和最大功率點(diǎn)跟蹤精度，又可以在光照變化時(shí)避免功率點(diǎn)漂移。最后，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明改進(jìn)型方法是有效可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉萌, 王印松, 宋雨倩. 基于模型參考電導(dǎo)增量法的光伏電池MPPT控制[J].電力科學(xué)與工程,2013,29(1):16-20.

[2]周東寶, 陳淵睿. 基于改進(jìn)型變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的最大功率點(diǎn)跟蹤策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2015,39(6)：1491-1498.

[3]孫航，杜海紅，季迎旭，等. 光伏分布式MPPT機(jī)理分析與仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2015,43(2):48-54.

[4]潘東昱，張自強(qiáng)，董燕. 兩種光伏MPPT的算法及仿真實(shí)驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013,32(1):52-56.

[5]杭鳳海, 楊偉， 朱文艷. 光伏系統(tǒng)MPPT的擾動(dòng)觀測(cè)法分析與改進(jìn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014, 42(9):110-114.

[6]EGIZIANO L FEMIA N, GRANOZIO D, et al. Performances improvement of maximum power point tracking perturb and observe method[C]//Proceeding of Advanced Technology in the Environmental Field. 2006.

[7]PANDEY A, DASGUPTA N, MUKERJEE A K. High-performance algorithms for drift avoidance and fast tracking in solar MPPT system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(2)：681-689.

[8]SERA D, TEODORESCU D, HANTSCHEL J, et al. Optimized maximum power point tracker for fast-changing environmental conditions[J]. IEEE Trans. Ind. Electron,2008,55(7)：2629-2637.

[9]KILLI M, SAMANTA S. Modified perturb and observe MPPT algorithm for drift avoidance in photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on industrail electronics, 2015, 62(9):5549-5559.

[10]唐磊, 曾成碧, 苗虹,等. 基于蒙特卡洛的光伏多峰最大功率跟蹤控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015,30(1):170-176.

[11]AHMED J, SALAM Z. An improved perturb and observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) algorithm for higher efficiency[J]. Applied Energy,2015,150:97-108.

Algorithm Research of an Novel MPPT Algorithm Based on P&O Method

XU Haitao, GAO Bo, JIA Haowen, ZHANG Li

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract：Perturbation and Observation (P&O) method is simple and effective among the existing control methods. An improved algorithm is proposed based on P&O method. First, by applying the variable step and weak oscillation method, the maximum power point is tracked and controlled. Secondly the current variable is introduced based on the variation of power and voltage. The aim of fast and stable tracking of the maximum power point can be achieved by this method, and furthermore the drift in enhancing weather conditions can be avoided. The whole system is modeled and simulated in Matlab/Simulink, and the improved P&O method is verified by the Boost circuit. The simulation results show that the improved algorithm is more stable, and eliminates the oscillation. More importantly, it can track the maximum power point effectively and avoid the drift when conditions of insolation enhance.

Keywords：PV; MPPT; Boost; perturb and observation algorithm; drift; variable step size

收稿日期：2016-02-24。

作者簡(jiǎn)介：徐海濤(1989-)，男，碩士研究生，主要從事新能源技術(shù)方面研究，E-mail:xuhaitaosuccess@163.com。

中圖分類號(hào):TM731

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.008