陳令軍， 戴瑜興,2， 全惠敏

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035)

基于改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

陳令軍1， 戴瑜興1,2， 全惠敏1

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035)

光伏電池是一種非線性電源，隨外界環(huán)境的變化而變化，為了提高光伏陣列的利用率，光伏系統(tǒng)中需采用最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)。近年的研究中，提出了許多跟蹤算法，其中應(yīng)用最為廣泛的是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。在分析擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化提出了一種改進(jìn)的變步長(zhǎng)算法，它有效提高了最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中的跟蹤速率，克服了擾動(dòng)方向的誤判問(wèn)題，消除了在最大功率點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

光伏發(fā)電；最大功率功率跟蹤；擾動(dòng)觀察法；光伏陣列；變步長(zhǎng)；PID控制

隨著傳統(tǒng)能源的消耗，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)核能發(fā)電的禁止，太陽(yáng)能受到了越來(lái)越多的關(guān)注，它作為一種具有可持續(xù)發(fā)展的綠色能源已成為國(guó)、內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，特別是光伏上網(wǎng)電價(jià)法的出臺(tái)，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)光伏發(fā)電的研究。由于光伏電池的特殊性，它是一種非線性的直流源，它的輸出功率隨著日照強(qiáng)度、電池結(jié)溫和串聯(lián)電阻的變化而變化。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到光伏材料與制造工藝的限制，目前市場(chǎng)上一般單晶硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有約為14%～16%[1]，所以在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了在同樣的日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫下最大限度的獲得電能，在光伏器件和輸出負(fù)載之間引入了最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)電路。

MPPT電路常用的控制方法有固定參數(shù)法(如固定電壓法、固定電流法)、基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)控制法(擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法)、智能處理方法(模糊邏輯控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法)等[2-4]，其中擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法研究最為深入，應(yīng)用最為廣范[5-7]。本文在分析光伏電池特性的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，并在一臺(tái)BUCK型DC/DC光伏充電器上進(jìn)行了最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。

1 光伏電池特性

圖1是光伏陣列的I-V和P-V特性曲線。從圖中可以看出，光伏陣列是一種非線性直流電源。其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開(kāi)路電壓時(shí)，電流快速下降；其輸出功率在電壓上升過(guò)程中迅速增加，在接近開(kāi)路電壓時(shí)，達(dá)到最大功率。

圖1 光伏陣列的I-V與P-V特性曲線

2 MPPT控制算法

2.1 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法因其控制簡(jiǎn)單，成本低而成為了目前最常用的算法。擾動(dòng)觀察法主要原理是以一定的時(shí)間間隔對(duì)陣列輸出電壓、電流進(jìn)行采樣，然后計(jì)算得出光伏陣列功率，與上一次功率進(jìn)行比較，再根據(jù)輸出功率的變化決定下一步的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。圖2為基本擾動(dòng)觀察法的控制流程圖。

圖2 基本擾動(dòng)觀察法流程圖

擾動(dòng)觀察法主要的缺點(diǎn)也與其特點(diǎn)有關(guān)，因?yàn)槠湟粩嗟卦诠β庶c(diǎn)左右擾動(dòng)，所以當(dāng)系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)時(shí)就會(huì)存在一定程度的振蕩現(xiàn)象，振蕩的大小與算法所取的跟蹤步長(zhǎng)有關(guān)。取小步長(zhǎng)可以減小振蕩，但是在追蹤過(guò)程中速度過(guò)慢而損失功率；取大步長(zhǎng)雖然可以增加追蹤速度，但是在最大功率點(diǎn)又會(huì)引起較大振蕩。另外一大缺點(diǎn)就是當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生迅速變化時(shí)，跟蹤算法會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤判斷而遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，所以為了提高跟蹤速度同時(shí)減小在最大功率點(diǎn)的振蕩及誤斷，改進(jìn)常規(guī)的振動(dòng)觀察法成為必要。

2.2 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法

正是因?yàn)閿_動(dòng)觀察法在光照條件劇烈變化時(shí)存在振蕩，以及跟蹤步長(zhǎng)對(duì)跟蹤速度精度的影響，當(dāng)采用定步長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)步長(zhǎng)越大，跟蹤速度越快，但在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)幅度較大，功率損失也越大，反之步長(zhǎng)越小，系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的幅度越小，功率損失越小，但達(dá)到最大功率點(diǎn)所用的跟蹤時(shí)間也越長(zhǎng)。為了保障光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度，本文采用了自適應(yīng)變步長(zhǎng)振動(dòng)觀察法，將步長(zhǎng)設(shè)定在一定范圍內(nèi)變化，防止步長(zhǎng)過(guò)大而超出范圍，使得算法失效。圖3為改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法流程圖。

圖3 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法流程圖

電壓擾動(dòng)表達(dá)式可以表示為：

雖然變步長(zhǎng)的引入在一定程度上可以減少系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)的振蕩，但是在外界環(huán)境發(fā)生劇烈變化，系統(tǒng)誤斷現(xiàn)象沒(méi)有很好地有效解決。因此在擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上，在擾動(dòng)的相反方向增加一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行雙向擾動(dòng)比較，可以有效減少誤斷。具體算法如圖3所示，其中

本文將DC/DC變換器的占空比作為擾動(dòng)對(duì)象，通過(guò)公式(2)得出擾動(dòng)步長(zhǎng)和擾動(dòng)電壓，再通過(guò)PI算法得出相應(yīng)的控制占空比，直接控制變換器，這樣簡(jiǎn)化了算法的控制難度，減小了光伏充電器的變換器設(shè)計(jì)難度，也使得擾動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證改進(jìn)方法的有效性，分別在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和一臺(tái)BUCK型DC/DC光伏充電器上進(jìn)行了單峰系統(tǒng)最大功率跟蹤仿真與實(shí)驗(yàn)。光伏仿真參數(shù)設(shè)置為：開(kāi)路電壓=110 V，短路電流=6 A，工作時(shí)電壓=91 V，電流= 4.98 A。仿真結(jié)果如圖4所示(紅色為電流波形，綠色為電壓波形，藍(lán)色為功率波形)，從圖中可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)略微的擾蕩后到達(dá)最大功率點(diǎn)并穩(wěn)定工作。

圖4 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法仿真波形

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示的光伏充電器，它是基于STM32的BUCK型DC/DC充電器。圖6為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾次的擾動(dòng)即快速達(dá)到最大功率點(diǎn)，且輸出電壓功率很平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期的目的。

圖5 光伏充電器

4 結(jié)論

本文首先分析了光伏電池的輸出特性以及應(yīng)用最廣泛的擾動(dòng)觀察法，提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)的擾動(dòng)法；然后在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了仿真，在光伏充電器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在繼承了擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)最大功率跟蹤還具有速度快、效率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)一步的研究中，將對(duì)在陰影及惡劣條件下，光伏陣列出現(xiàn)多峰情況時(shí)，對(duì)算法采樣及步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高算法的通用性。

圖6 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法實(shí)驗(yàn)波形

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Application in MPPT of photovoltaic power generation based on improved perturbation and observation method

PV cells was nonlinear and it was time-varying under changing solar irradiance and ambient temperature.Therefore the MPPT techniques should be invented in PV systems in order to maximize the output power of PV systems.In recent years,there were a lot of MPPT methods reported in the literatures,among them,the perturb and observe method and incremental conductance method were very commonly used in PV systems.Amodified algorithm with variable step size based upon the Perturb and Observe(P&O)method was proposed.The utilization of PV panel with rapid and accurate MPPT track were improved.The oscillations around the MPP were eliminated.Both simulations and experimental results show its effectiveness.

photovoltaic power generation;maximum power point tracking(MPPT);perturb and observe(P&O); photovoltaic(PV)array;variable step size;PID control

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0614-03

2015-08-02

陳令軍(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣夥l(fā)電。

戴瑜興，E-mail:daiyx@hnu.edu.cn,daiyx@wzu.edu.cn