呼文韜，張丹紅，劉敏娟，李雅迪

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.北京科技大學(xué)，北京100083)

一種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)用MPPT控制器

呼文韜1，張丹紅1，劉敏娟1，李雅迪2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.北京科技大學(xué)，北京100083)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能源系統(tǒng)由太陽(yáng)電池陣、儲(chǔ)能電池組、控制器以及配電器組成，由于安裝太陽(yáng)電池的飛機(jī)機(jī)翼外形為多曲面形狀，安裝于其上的太陽(yáng)電池在同一時(shí)刻所受光照強(qiáng)度不同，這就造成不同子陣之間的電流不同，按照傳統(tǒng)的方法直接互連達(dá)到指定電壓，則太陽(yáng)電池各個(gè)子陣之間必然發(fā)生工作點(diǎn)相互鉗位問題造成系統(tǒng)發(fā)電能力降低，在太陽(yáng)高度角較低的早晚時(shí)刻甚至造成能源系統(tǒng)失效。提出了一種升降壓型MPPT控制器，該控制器由H橋式DC-DC電路組成，在輸入端控制器實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)電池的最大工作點(diǎn)，在輸出端控制器根據(jù)外部電路情況通過升降壓變換，使多模塊之間實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)匹配，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣功率的最大程度輸出，提升能源系統(tǒng)發(fā)電效率，給出了控制器的追蹤算法，控制邏輯，并對(duì)可行性進(jìn)行了分析。

MPPT；H橋；工作點(diǎn)協(xié)調(diào)；升壓；降壓

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)太陽(yáng)電池陣，是多個(gè)太陽(yáng)電池組件通過串并聯(lián)組合構(gòu)成的光伏陣列，許多因素會(huì)造成各個(gè)太陽(yáng)電池組件輸出特性不一致，這些因素包括：(1)組件老化程度不一致；(2)由于塵土、臟物的遮擋，造成組件所受陽(yáng)光輻射產(chǎn)生差異；(3)由于機(jī)翼不規(guī)則外形造成的安裝角度差異，使得不同組件所受的輻射量、熱梯度、反照率等存在差異。太陽(yáng)電池組件特性不一致將對(duì)陣列的整體性能產(chǎn)生不利的影響。例如，在多個(gè)組件構(gòu)成的串聯(lián)回路中，總的輸出電流由發(fā)電能力最差的組件限制，使得組串中其他組件的功率無(wú)法全部輸出。

為了解決組件輸出特性差異對(duì)整個(gè)光伏發(fā)系統(tǒng)造成的不利影響，提高系統(tǒng)的整體效率，最有效的手段就是采用分布式控制方式，通過對(duì)盡可能小的組件集合分別進(jìn)行MPPT控制。其中，分布式MPPT系統(tǒng)主要包括兩種拓?fù)湫问?，即組串式MPPT結(jié)構(gòu)以及組件式MPPT結(jié)構(gòu)。

組串式MPPT結(jié)構(gòu)即組件串聯(lián)后接逆變器，MPPT是由單臺(tái)逆變器對(duì)組串的統(tǒng)一控制實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用條件為光伏組串輸出電壓在150～450 V或者更高，功率等級(jí)可達(dá)幾個(gè)kW左右。與多個(gè)組件串聯(lián)支路直接并聯(lián)后共用一個(gè)大型變流器的集中式MPPT結(jié)構(gòu)相比，組串式結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即：(1)無(wú)需設(shè)置阻塞二極管，可降低陣列的損耗；(2)每個(gè)組串都有逆變器，可實(shí)現(xiàn)組串的MPPT，系統(tǒng)的擴(kuò)展能力及冗余能力都較強(qiáng)；(3)不需要直流母線。

盡管組串式結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)的性能也得到了提升，但只是將太陽(yáng)電池組件的集合范圍縮小到一個(gè)串聯(lián)支路，支路內(nèi)部各個(gè)組件的特性差異問題依然無(wú)法從根本上解決，由此造成的熱斑現(xiàn)象、陰影造成的功率損失、功率多峰特性等問題仍無(wú)法解決。

為每一個(gè)太陽(yáng)電池組件都配備一個(gè)微型DC/DC功率變流器，以改變其輸出特性，使其始終工作在最大功率點(diǎn)上，再將這種復(fù)合的單元進(jìn)行串、并聯(lián)連接，就可以組成一個(gè)高效率的光伏發(fā)電陣列，徹底解決集中式和組串式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題。

1　MPPT算法研究

傳統(tǒng)的MPPT方法按照判斷方法和準(zhǔn)則的不同，可分為開環(huán)、閉環(huán)MPPT方法以及智能MPPT控制方法。其中開環(huán)MPPT方法主要包括恒定電壓法、短路電流比例系數(shù)法、差值計(jì)算法；閉環(huán)MPPT方法包括擾動(dòng)觀測(cè)法、變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法、變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法；智能控制方法主要包括基于模糊理論的MPPT控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制、基于智能方法的MPPT復(fù)合控制。工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的是定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法、定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法。擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等自尋優(yōu)搜索控制算法，一般存在最大功率點(diǎn)附近的震蕩和誤判問題，傳統(tǒng)的滯環(huán)比較法可以較大程度地避免震蕩和誤判現(xiàn)象，但是仍然存在追蹤速度與精度的問題。

本文提出了一種改進(jìn)型MPPT控制算法，其基本思想是通過不斷地對(duì)雙向擾動(dòng)的輸出功率進(jìn)行比較，同時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整滯環(huán)寬度，快速逼近最大功率點(diǎn)。MPPT追蹤初期步長(zhǎng)選擇較大，可快速定位最大功率點(diǎn)的區(qū)域；到達(dá)最大功率點(diǎn)附近區(qū)域后不斷減少環(huán)寬直至小于閾值，可有效提高追蹤的精度。

MPPT控制算法的流程如圖1所示。其中開始部分主要是實(shí)現(xiàn)初始電壓以及初始占空比的設(shè)定。一般情況下，從比開路電壓略低的初始電壓UA開始，對(duì)電壓進(jìn)行雙向擾動(dòng)，即分別加、減一個(gè)步長(zhǎng)，得到兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)UB=UA+ΔU以及UC=UAΔU，計(jì)算并存儲(chǔ)這三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率PA、PB、PC，令ΔP1=PB－PA、ΔP2=PA－PC。根據(jù)ΔP1和ΔP2的大小及符號(hào)，判斷下一步的觀測(cè)策略。如果ΔP1和ΔP2的符號(hào)相同且為正號(hào)，則以UB為新的觀測(cè)點(diǎn)UA'，重復(fù)以上觀測(cè)步驟；如果ΔP1和ΔP2的符號(hào)相反，說(shuō)明MPP點(diǎn)在UB與UC之間，此時(shí)繼續(xù)以UA點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，將觀測(cè)步長(zhǎng)ΔU減小一半，繼續(xù)觀測(cè)。在重復(fù)以上觀測(cè)的過程，當(dāng)步長(zhǎng)ΔU小于給定的電壓控制精度時(shí)，就認(rèn)為找到了MPP點(diǎn)。

圖1　MPPT控制算法流程圖

圖2(a)用P-V曲線表示了采用改進(jìn)的MPPT算法在光照條件為1 000、800和500 W/m2三種情況下的跟蹤效果。圖中，曲線上的小圓圈是追蹤到的最大功率點(diǎn)，由仿真模型自動(dòng)標(biāo)記。圖2(b)表示了采用該MPPT方法的追蹤過程。光照條件在0.04 s處由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，可以看出，系統(tǒng)追蹤到的功率值以及電壓值與按照太陽(yáng)電池組件的模型計(jì)算的結(jié)果完全吻合，進(jìn)一步說(shuō)明了該算法是快速、準(zhǔn)確的。

圖2　MPPT控制算法追蹤的追蹤效果

2　控制器工作邏輯分析

MPPT控制器采用的微型DC/DC變換器主電路如圖3所示。

圖3　DC/DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖

通過工作條件的分析，確定了DC/DC電路的工作模式及其切換過程，包括旁路(standby，STB)、直通(panel mode，PM)、升壓(Boost)、降壓(Buck)等四種工作模式，工作模式間的切換流程可結(jié)合圖4進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

在初始化階段，首先進(jìn)入STB(旁路)模式，太陽(yáng)電池組件相當(dāng)于開路狀態(tài)，在此模式下等待一段時(shí)間tSTB后嘗試進(jìn)入工作模式，開始追蹤MPP，追蹤穩(wěn)定后檢測(cè)輸出功率值，判斷是否超過所設(shè)定的功率門檻值Pstart_min，若不符合條件，則表示光照太弱或者組件工作失效，則重新進(jìn)入STB模式。

從初始狀態(tài)開始工作時(shí)，首先進(jìn)行STB模式向Buck(降壓)模式的切換，通過控制微型DC/DC變流器，使輸入側(cè)電壓從開路電壓值開始逐步減小，輸入側(cè)功率隨之增大，系統(tǒng)的工作點(diǎn)向MPP靠攏。隨著輸入側(cè)電壓降低、輸出側(cè)電壓逐步升高，如果輸入側(cè)電壓與輸出側(cè)電壓相等時(shí)，系統(tǒng)仍未達(dá)到MPP點(diǎn)，則進(jìn)行切Buck模式向Boost模式的切換，進(jìn)一步降低輸入電壓，同時(shí)增大輸入功率，直至達(dá)到MPP點(diǎn)。

當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)MPP點(diǎn)時(shí)，若輸入電壓與輸出電壓滿足|Vout－Vmpp|＜0.02Vmpp的關(guān)系，說(shuō)明此時(shí)DC/DC的控制效果微乎其微，系統(tǒng)可以直接將太陽(yáng)電池組件與輸出端相連，反而可以減小損耗、提高效率。此時(shí)，系統(tǒng)將主動(dòng)轉(zhuǎn)入PM(直通)模式。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，如果出現(xiàn)兩種情況之一，將重新啟動(dòng)MPPT過程：(1)系統(tǒng)已穩(wěn)定工作了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，或者處于PM模式工作超過了一定的時(shí)間。這些時(shí)間間隔均可設(shè)定，主要的目的是為了避免光照或者負(fù)荷緩慢變化而使系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)；(2)系統(tǒng)的輸出功率變化超過一定限值ΔP。該限值可以設(shè)定，主要的目的是為了適應(yīng)光照或負(fù)載的突然或快速變化而導(dǎo)致系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)的偏離。

圖4　MPPT控制器的控制流程

3　多MPPT控制器協(xié)同工作可行性分析

通過太陽(yáng)電池組件和MPPT控制器的等效建模，構(gòu)建了復(fù)合單元的模型。該模型可以看作是在一定的光照、溫度等外界條件下的恒功率源，因?yàn)楣ぷ鼽c(diǎn)自協(xié)調(diào)MPPT功能可以保證太陽(yáng)電池組件總以最大值輸出功率。微型DC/DC變流器相當(dāng)于一個(gè)電壓、電流變換器，變換前后的功率相等。因此，如果不考慮損耗，控制器向負(fù)載提供的功率就將與從太陽(yáng)電池組件獲取的功率完全相等，這實(shí)際上也是實(shí)際的MPPT控制器設(shè)計(jì)的初衷。以下是基于這個(gè)論點(diǎn)，對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)各單元模塊之間協(xié)調(diào)工作機(jī)理的分析。

圖5表示了N個(gè)MPPT模塊串聯(lián)的系統(tǒng)，每個(gè)模塊所受的光照條件分別為S1、S2…SN；溫度條件分別為T1、T2…TN；輸出恒功率Pm1、Pm2…PmN。

圖5　MPPT模塊串聯(lián)模型

則負(fù)載獲得的功率為:

由于各個(gè)組件式串聯(lián)關(guān)系，因此必然有:

盡管各模塊的端口電壓Ui2是未知的，但由于存在電流、電壓的約束條件，由式(1)和(2)可得:

若某一時(shí)刻第i個(gè)模塊的外界條件發(fā)生突變，仍可由式(1)及式(2)得到:

通過對(duì)式(4)的分析，可知在所有模塊的輸出功率及負(fù)載確定的條件下，下列結(jié)論成立：

(1)串聯(lián)支路的總電流由所有模塊的總功率及負(fù)載情況決定；

(2)各模塊的輸出端電壓按照其輸出功率占所有模塊的總功率的比例自動(dòng)分配；

(3)當(dāng)某個(gè)模塊的輸出功率增大(或減小)時(shí)，串聯(lián)支路的總電流將增大(或減小)；相應(yīng)地，該模塊兩端的電壓將增大(或減小)，而其他模塊兩端的電壓均將減小(或增大)。

利用這些結(jié)論，可以很好地解釋分布式光伏系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)工作過程，包括一個(gè)模塊從接入到切除過程中系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。理解這一過程的關(guān)鍵，是工作點(diǎn)自協(xié)調(diào)MPPT控制器模塊表現(xiàn)出“功率源”的特性，即端口的電壓和電流存在約束關(guān)系，但模塊本身沒有限定解，只有當(dāng)模塊接入電路時(shí)，電壓或電流之一就受到外界約束，才可以確定唯一解；當(dāng)電路條件發(fā)生變化時(shí)，端口電壓和電流也發(fā)生變化，但輸出的功率保持不變。

4　結(jié)論

本文提出了一種具備升降壓功能的MPPT控制器，由于這種控制器具備功率源特性，其輸出端口可以根據(jù)外部電路表現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行工作點(diǎn)協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了不同工作點(diǎn)太陽(yáng)電池陣串聯(lián)工作，解決了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)曲面安裝太陽(yáng)電池陣造成的工作點(diǎn)鉗位問題。

[1]劉大海，閻鍵，張健勇,等.平流層飛艇的能源技術(shù)和平衡分析[J].航天返回與遙感，2006,22(2)：6-13.

[2]高廣林，李占科，宋筆鋒,等.太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛行力學(xué)，2010,28(1)：1-4.

[3]李國(guó)欣.航天器電源系統(tǒng)技術(shù)概論[M].北京:中國(guó)宇航出版社, 2008:269-412.

[4]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2001:236-240.

[5]劉治鋼，蔡曉東，陳琦.采用MPPT技術(shù)的國(guó)外深空探測(cè)器電源系統(tǒng)綜述[J].航天器工程,2011，20(5):105-110.

Research on a MPPT controller suitable for solar UAV

HU Wen-tao1，ZHANG Dan-hong1，LIU Min-juan1,LI Ya-di2
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.University of Science&Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The solar energy UAV energy system is composed of solar array,energy storage battry,controller and electrical equipment.Because the wing is a multi surface shape,the solar cell installed on it at the same time by the light intensity is different,which causes a series of solar cell circuit current limited,resulting in reduced system power generation capacity.In this paper,a MPPT controller with Boost and Buck function was proposed,composing of H bridge DC-DC circuit.At the input end of the controller,the solar cell maximum working point could be tracking in real time;at the output terminal of the controller and according to the external circuit,the work points could be matched between the multi controllers through the Boost or Buck transformer,so as to enhance the efficiency of the energy power system.The MPPT algorithm and the control logic of the controller were given and its feasibility was analyzed.

MPPT;H bridge;work point coordination;Boost;Buck

TM 921.5

A

1002-087 X(2016)10-1961-04

2016-08-15

呼文韜(1984—)，男，天津市人，工程師，主要研究方向?yàn)榕R近空間飛行器能源系統(tǒng)管理技術(shù)。