王長(zhǎng)云+李春蘭+曹成帥+汪澤

摘 要： 最大功率點(diǎn)跟蹤在光伏陣列工作時(shí)發(fā)揮著重要作用，針對(duì)目前采用的最大功率點(diǎn)跟蹤算法均需要計(jì)算功率，提出了一種無(wú)電壓傳感器的改進(jìn)型控制策略。該方法基于DC?DC變換器輸入電流的控制，通過(guò)變步長(zhǎng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)占空比自尋優(yōu)，使光伏陣列輸出最大功率，算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程不需要功率計(jì)算。最后通過(guò)仿真對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性也較好。

關(guān)鍵詞： 光伏陣列； 最大功率點(diǎn)跟蹤； 控制策略； 自尋優(yōu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN820.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0135?04

Study on photovoltaic MPPT without voltage sensor

WANG Changyun， LI Chunlan， CAO Chengshuai， WANG Ze

（College of Mechanical Engineering and Traffic， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Maximum power point tracking （MPPT） plays an important role in PV array working. The power need be calculated in available MPPT algorithms， therefore an improved control strategy without any voltage sensor is presented. The method， on the basis of the control of input current of DC?DC converter， realizes the self?optimization of duty cycle by means of step size varying， and makes the PV array output maximum power， by which the power needn′t be calculated in algorithm realization process. The method was tested and verified with simulation. The simulation results show that the method can realize the maximum power tracking accurately， and has perfect dynamic response characteristic and stability.

Keywords： PV array； MPPT； control strategy； self?optimization

0 引 言

隨著分布式電源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電得到大規(guī)模的應(yīng)用。相應(yīng)的，光伏陣列控制技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，而最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)因其可以提高光伏陣列的工作效率，得到了廣泛關(guān)注。目前常用的MPPT技術(shù)主要有恒定電壓法[1]、擾動(dòng)觀察法[2]和電導(dǎo)增量法[3]。恒定電壓法控制策略簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但其在外界條件變化后功率曲線會(huì)發(fā)生偏移，而無(wú)法工作在最大功率點(diǎn)（MPP）。擾動(dòng)觀察法概念清晰，簡(jiǎn)單可靠，但控制精度與響應(yīng)速度存在矛盾。電導(dǎo)增量法需要高速的A/D采樣，對(duì)硬件要求較高，實(shí)現(xiàn)較為困難，外界條件突變時(shí)，還可能誤判。為此有研究提出包括模糊控制[4?5]、自尋優(yōu)控制[6]等的改進(jìn)方法。采用模糊控制對(duì)上述方法改進(jìn)可以一定程度上優(yōu)化策略，但跟蹤效果與模糊表的選擇有關(guān)，模糊表制定的優(yōu)劣很大程度上取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。以上MPPT技術(shù)雖各有優(yōu)點(diǎn)，但大都需要采樣光伏陣列的輸出電壓、電流并計(jì)算功率。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制策略，本文提出一種不需要功率計(jì)算的無(wú)電壓檢測(cè)自尋優(yōu)MPPT策略，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證其有效性。

2 無(wú)電壓檢測(cè)的MPPT策略實(shí)現(xiàn)

當(dāng)光伏電池工作條件確定后，式（6）中[1λRo]隨之確定并可視為常數(shù)，因此[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]的正負(fù)決定了[?Pi?IL]的正負(fù)。當(dāng)其結(jié)果為正時(shí)，當(dāng)前電感電流小于最大功率電流，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)，需要減小變換器占空比至式（7）成立；反之則需要增大變換器占空比。但是，這種方法的固有缺點(diǎn)也使得其應(yīng)用受到一定的限制：擾動(dòng)步長(zhǎng)[?α]的選擇使得跟蹤速度與精度間存在矛盾，[?α]較小可以提高M(jìn)PPT精度，但跟蹤時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。對(duì)于光伏電池這類(lèi)很依賴于外界環(huán)境的發(fā)電設(shè)備，時(shí)間越久，未知性越大；相反的[?α]較大可提高速度，卻相對(duì)的犧牲了精度，使得跟蹤的波動(dòng)性變大。

根據(jù)變步長(zhǎng)的思想[8?9]，結(jié)合第1節(jié)的原理，提出適用于無(wú)電壓檢測(cè)的變步長(zhǎng)MPPT控制策略。當(dāng)[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]值較大時(shí)說(shuō)明距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)，可以采用較大步長(zhǎng)縮短尋優(yōu)時(shí)間，隨著工作狀態(tài)的調(diào)整，[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]不斷降低，至一定區(qū)間后，可以改為小步長(zhǎng)，改善尋優(yōu)精度。傳統(tǒng)變步長(zhǎng)將第二段擾動(dòng)設(shè)為定值，使得步長(zhǎng)選擇對(duì)控制效果影響顯著，這無(wú)疑降低了控制策略的通用性。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，本文將第二段步長(zhǎng)改為變量，隨著系統(tǒng)工作點(diǎn)逐漸接近MPP，每次的擾動(dòng)步長(zhǎng)取上一時(shí)刻擾動(dòng)步長(zhǎng)的[12]。這樣不僅降低了對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)選擇的要求，提高了策略通用性，還實(shí)現(xiàn)了光伏陣列工作點(diǎn)越遠(yuǎn)離MPP，追蹤速度越大，越接近MPP，系統(tǒng)振蕩越小的目的。

隨著擾動(dòng)步長(zhǎng)的每次減半，若不加以限制可能出現(xiàn)控制策略實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)際擾動(dòng)輸出值[Δk]接近于零，此時(shí)擾動(dòng)近乎于無(wú)，系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到最大功率輸出。因此需要設(shè)置極小值[ε]避免這一情況。本文取[ε=5×10-4]。endprint

變步長(zhǎng)判斷條件的設(shè)置將會(huì)影響控制效果。如果取值過(guò)小，系統(tǒng)極易進(jìn)入最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)最大功率判斷條件為負(fù)，功率變化對(duì)擾動(dòng)更加敏感，為控制帶來(lái)不利；如果取值過(guò)大，則較早進(jìn)入短步長(zhǎng)擾動(dòng)，追蹤時(shí)間加長(zhǎng)，無(wú)法發(fā)揮變步長(zhǎng)的優(yōu)越性。由圖2可知，無(wú)論當(dāng)前的功率點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)還是右側(cè)，隨著輸出功率越來(lái)越接近最大功率點(diǎn)，PI曲線的斜率絕對(duì)值[?Pi?IL]呈逐漸減小趨勢(shì)。因此，可在基本擾動(dòng)觀測(cè)法的基礎(chǔ)上，添加對(duì)爬坡斜率的再判斷，作為變步長(zhǎng)交界點(diǎn)的判斷依據(jù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本文變步長(zhǎng)的判斷條件設(shè)置為[?Pi?IL

本文采用改進(jìn)兩級(jí)變速方式實(shí)現(xiàn)MPPT控制，其基本控制思路為：

（1） 計(jì)算[?Pi?IL]，若[?Pi?IL>tan15°]，系統(tǒng)采用第一級(jí)擾動(dòng)步長(zhǎng)[Δk]=Spl；

（2） 若[?Pi?IL≤tan15°]，則使每次擾動(dòng)步長(zhǎng)為上次擾動(dòng)值的[12]，即[Δk+1=12Δk]；

（3） 判斷[Δk>ε]，若成立則輸出擾動(dòng)值為[Δk]，否則輸出擾動(dòng)值為[ε]。

（4） 計(jì)算[2IL（1-α）2?IL+2IL21-α?α]，若結(jié)果為正，則擾動(dòng)方向不變，若結(jié)果為負(fù)，則將擾動(dòng)反向。

（5） 檢測(cè)系統(tǒng)是否工作在MPP，是，則結(jié)束擾動(dòng)，否，則重復(fù)上述步驟。

無(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)型MPPT控制流程如圖3所示。

3 仿真及分析

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立圖4所示的結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)仿真模型。

相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)定：直流側(cè)電容均為500 μF，電感為5 mH，DC?DC電路為Boost型；光伏陣列短路為電流9.21 A，開(kāi)路電壓為21 V，最大功率電流為8.57 A，最大功率電壓為17.4 V。光伏陣列工作溫度設(shè)為45 ℃，輸入光照強(qiáng)度為400 W/m2；初始占空比[α0]設(shè)為0.5。

為了說(shuō)明本文提出的無(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)變步長(zhǎng)MPPT策略控制效果的優(yōu)良性，針對(duì)圖4仿真電路，分別采用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法、無(wú)電壓檢測(cè)的擾動(dòng)觀測(cè)法及無(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)型擾動(dòng)觀測(cè)法，通過(guò)相應(yīng)的振蕩值、追蹤時(shí)間比較分析。仿真結(jié)果分別如圖5～圖7所示。初始擾動(dòng)步長(zhǎng)均設(shè)置為0.02。

由圖5～圖7可知，在仿真條件相同時(shí)，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法輸出功率均值為83.7 W，振蕩值為8 W，追蹤時(shí)間為0.22 s；無(wú)電壓檢測(cè)MPPT輸出功率均值為84.1 W，振蕩值為3 W，追蹤時(shí)間為0.28 s；無(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)變步長(zhǎng)輸出功率均值為84.3 W，振蕩值為1.2 W，追蹤時(shí)間為0.17 s?？梢钥闯霾捎帽疚奶岢龅臒o(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法可以有效減小輸出振蕩，加快追蹤速度。

4 結(jié) 論

本文在分析Boost型DC?DC變換器工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于變換器輸入電流控制，應(yīng)用最大功率算法調(diào)節(jié)占空比，完成跟蹤的無(wú)電壓檢測(cè)的改進(jìn)型MPPT。該方法無(wú)需功率計(jì)算，當(dāng)光伏陣列工作環(huán)境變化時(shí)，先采用長(zhǎng)擾動(dòng)步長(zhǎng)加速逼近MPP，至一定范圍后，每次的擾動(dòng)步長(zhǎng)改為前次擾動(dòng)的[12]，以此實(shí)現(xiàn)越接近MPP振蕩越小。通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了這一方法的正確性。本算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、追蹤速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

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