李永剛，于德水，周一辰，龐春江，霍明霞

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定071003；2.河南省濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源459000）

0 引 言

近年來(lái)，發(fā)電需求的迅速增加和常規(guī)能源（如煤和石油）的匱乏使得可再生能源的發(fā)電迅猛發(fā)展。光伏發(fā)電因其普遍適用、免費(fèi)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)以及較少的操作和維護(hù)成本低逐漸成為傳統(tǒng)能源的理想替代［1］。為使光伏系統(tǒng)離線或并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)更加高效，需要一種適用性強(qiáng)且高效的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）來(lái)捕捉時(shí)變條件下的最大功率點(diǎn)［2-3］。

目前文獻(xiàn)中MPPT有傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法，恒定電壓比法，模糊邏輯控制器（FLC），自尋優(yōu)占空比法。這些控制方法的區(qū)別在于實(shí)際最大功率點(diǎn)振蕩，收斂速度，復(fù)雜性，穩(wěn)定性以及電氣設(shè)備的成本［4］。電壓擾動(dòng)觀察法可能是目前的MPPT算法中最常用的，因其算法較簡(jiǎn)便且僅需測(cè)量光伏電池的輸出電壓和電流。但在最大功率點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生功率振蕩造成損耗。電流擾動(dòng)（CPA）相比電壓擾動(dòng)在MPPT附近時(shí)，僅需較小的步長(zhǎng)追蹤光伏最大功率點(diǎn)。所以有效減小最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。局部短路電流（FSCC）能在跟蹤初期將光伏陣列工作點(diǎn)電流調(diào)整到光伏最大功率點(diǎn)附近，以保證跟蹤的快速性。局部短路電流法能實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，且成本低、容易實(shí)施。但不能保證始終工作在最大功率點(diǎn)。

為解決傳統(tǒng)P＆O較大的功率損耗，并結(jié)合恒流啟動(dòng)提高M(jìn)PPT跟蹤速度，本文搭建了MPPT控制系統(tǒng)仿真模型，將電流擾動(dòng)（CPA）和局部短路電流（FSCC）結(jié)合，利用恒流啟動(dòng)，引入溫度調(diào)整系數(shù)，計(jì)算最大功率點(diǎn)電壓補(bǔ)償值，來(lái)提高啟動(dòng)速度和外界環(huán)境的敏感性［5］；利用自適應(yīng)擾動(dòng)法調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)，改善功率振蕩。

1 光伏系統(tǒng)模型

1.1 光伏電池模型

PV電池的電特性與二極管PN結(jié)相似。它通過(guò)使用光子產(chǎn)生電子。它具有吸收太陽(yáng)輻射，并將光子移動(dòng)到電子直到它收斂的能力。

當(dāng)負(fù)載接至PV電池時(shí)，電荷以直流電流形式流過(guò)它，直到光照結(jié)束。

太陽(yáng)能電池的電壓-電流關(guān)系為：

Vph和Iph分別表示光伏陣列輸出電壓和輸出電流，Is為PN節(jié)間的反向飽和電流；q是電子電荷量；A是PN節(jié)的理想因數(shù)；K是玻爾茲曼常量；T是環(huán)境溫度；Rs和 Rsh分別是電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻［6］。

1.2 DC-DC升壓電路

DC-DC升壓電路用來(lái)優(yōu)化光伏模塊輸出的功率，圖1展示了升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)。

圖1 DC-DC升壓電路Fig.1 DC-DC boost circuit

其中s是主開(kāi)關(guān)；L為濾波電感；C為濾波電容；R為電阻負(fù)荷。建立動(dòng)態(tài)模型如下：

Ipv，Vpv，Vo和D分別為升壓電路的輸入電流，輸入電壓，輸出電壓以及輸出占空比。假設(shè)Boost電路處于電流連續(xù)模式，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電感L中的電流會(huì)線性增大，此時(shí)二極管D關(guān)斷。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電能將會(huì)通過(guò)與二極管連接的RC電路消耗。

Boost電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電感L平均電壓在擾動(dòng)周期T中為零；故Boost電路輸出電壓：

Boost電路工作在連續(xù)電流模式時(shí)L＞Lmin，

濾波電容最小值為：

式中f是開(kāi)關(guān)頻率；R是電阻負(fù)載。由上可知輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系取決于占空比，假設(shè)傳遞效率η＝100%，則換流器的輸入功率等于輸出功率。從而電阻負(fù)載：

2 最大功率跟蹤策略

2.1 改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)法

傳統(tǒng)改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)法采用恒壓?jiǎn)?dòng)，光伏陣列啟動(dòng)時(shí)首先對(duì)光伏陣列的開(kāi)路電壓進(jìn)行采樣，未考慮溫度變化對(duì)輸出特性的影響。根據(jù)圖2知光伏陣列在特定溫度和光照下存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，且存在Um＝0.78·Uoc。將Um作為電壓設(shè)定值，控制光伏陣列的輸出電壓由開(kāi)路電壓下降至電壓設(shè)定值（隨著輸出電壓下降，輸出功率向MPP方向移動(dòng)），最后改換為定步長(zhǎng)P＆O。該算法的控制流程框圖如圖3所示。

圖2 不同光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線圖Fig.2 Output characteristics curveswith different intensities

圖3 傳統(tǒng)改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法Fig.3 Traditionalmodified step-perturbation observation method

2.2 基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法

為使光伏系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能快速跟蹤到MPP，本文在系統(tǒng)啟動(dòng)采用局部短路電流法（FSCC）。即采樣電流I（k）不滿足：Im≦ I（k）≦ IM條件時(shí)。其中 IM和Im分別定義如下［6］：

局部短路電流法能在跟蹤初期將光伏陣列工作點(diǎn)電流調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，以保證跟蹤的快速性。在不同的環(huán)境條件下最大功率點(diǎn)電流與短路電流之間的近似線性關(guān)系：

比例系數(shù)ksc一般在0.78～0.9之間。但在對(duì)控制方法的簡(jiǎn)化過(guò)程中，忽視了溫度變化會(huì)使PV輸出功率與最大功率點(diǎn)存在偏差，出現(xiàn)一定的功率損失。為解決此問(wèn)題，本文在局部短路電流法啟動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)將當(dāng)前采樣溫度T（k）與前一時(shí)刻采樣點(diǎn)T（k-1）比較。若偏差大于誤差范圍e（T），引入溫度校正系數(shù)K（T）來(lái)校正電流參考值，其中溫度校正系數(shù)約為 K（T）＝-0.405%／K；當(dāng)溫度差很小時(shí)，K（T）＝0。從而對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整［7］。

隨著光伏輸出電流增大，當(dāng)采樣電流I（k）滿足：Im≦I（k）≦IM條件時(shí)，即工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，采用電流擾動(dòng)法（CPA）。電流擾動(dòng)相比電壓擾動(dòng)在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，僅需較小的步長(zhǎng)追蹤光伏最大功率點(diǎn)。其中參考電流值如下。

若由于外界環(huán)境使光照強(qiáng)度迅速改變，

基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法能減少在穩(wěn)定狀態(tài)下的最大功率點(diǎn)振蕩的次數(shù)，并且將兩種算法（CPA和FSCC）的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)追蹤快速變化環(huán)境時(shí)的最大功率點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法流程圖Fig.4 Flow chart of adaptive perturbation observation based on CPA and FSCC

短路電流值可根據(jù)光照強(qiáng)度變化而改變：

因此，一旦光照強(qiáng)度確定了，根據(jù)式（12）短路電流值就確定了。對(duì)于ΔI（k）可由變步長(zhǎng)自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法［8］的 MPPT策略確定。減小 ΔI（k）可降低振蕩引起的穩(wěn)態(tài)損耗，因此電流擾動(dòng)幅值是很重要的參數(shù)，需要進(jìn)行優(yōu)化。可變電流擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔI（k）可根據(jù)光照強(qiáng)度變化值確定。當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，ΔI（k）可定義如下：

其中N為所需的最大迭代次數(shù)。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，根據(jù)變量 M＝0時(shí)，ΔI（k）＝ΔI（k-1）。

M＞0時(shí)：

其中m1為擾動(dòng)步長(zhǎng)的減小因子且m2＝1-m1，變量M引起在最大功率點(diǎn)附近的工作點(diǎn)的振蕩，定義如下：M＝signΔPpv1*signΔPpv2。

其中，Ppv1＝Ppv（k-1）-Ppv（k-1），Ppv2＝-Ppv（k-2）+Ppv（k-1）。為使工作點(diǎn)在MPP附近移動(dòng)，擾動(dòng)步長(zhǎng)會(huì)因m1減小而減小，如表1所示。

表1 擾動(dòng)步長(zhǎng)動(dòng)態(tài)值Tab.1 Perturbation step dynamic value

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比

3.1 仿真模型和仿真參數(shù)

MPPT控制系統(tǒng)仿真模型采樣時(shí)間為10μs，采用了定步長(zhǎng)Discrete算法。該光伏陣列開(kāi)路電壓21.9 V，短路電流 4.96 A，最大功率點(diǎn)電流 4.58 A，最大功率點(diǎn)電壓17.5 V，溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000 W／m2時(shí)最大功率輸出為80 W。光照強(qiáng)度為600 W／m2最大功率輸出 48 W［9］。

為驗(yàn)證本文所提算法在提高光伏系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn)定性，溫度為25℃，將光照強(qiáng)度在0.5 s時(shí)由1 000 W／m2突變到600 W／m2，觀察 PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率。 圖6（a）為光照強(qiáng)度，圖6（b）為是本文提出的基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法，圖6（c）為改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法。表2表示光照突變時(shí)光伏陣列輸出功率最大波動(dòng)量和恢復(fù)穩(wěn)定輸出所需時(shí)間［10］。

圖5 MPPT控制系統(tǒng)仿真模型Fig.5 MPPT control system simulation model

圖6 PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率Fig.6 Output power of PV system under the control of two MPPT algorithms

表2 輸出功率穩(wěn)定時(shí)的最大波動(dòng)量Tab.2 Themaximum fluctuation when the output power is stable

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)光照強(qiáng)度在0.05 s時(shí)由1 000 W／m2突變到600W／m2時(shí)，本文算法對(duì)光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間僅為0.003 s，快于傳統(tǒng)改進(jìn)法，能較快的跟蹤到光照強(qiáng)度瞬時(shí)變化。由表3知改進(jìn)算法穩(wěn)態(tài)輸出功率為480W時(shí)最大波動(dòng)量達(dá)37.5%，而本文所提算法下僅為8.3%。本文所提算法最大率輸出時(shí)波動(dòng)量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)改進(jìn)算法，能很好解決功率穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的振蕩問(wèn)題。

表3 系統(tǒng)參數(shù)值Tab.3 System parameter value

為驗(yàn)證本文算法引入溫度調(diào)整系數(shù)對(duì)改善系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和對(duì)外界溫度變化的敏感性，將溫度從24.25℃遞增至25.5℃，光照強(qiáng)度恒為1 000W／m2，觀察PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，如圖7。當(dāng)外界溫度從24.25℃遞增至25℃，圖7（a）中啟動(dòng)時(shí)間約為0.06 s，而圖7（b）僅為 0.04 s。圖 7（a）輸出功率低于正常最大輸出功率80 W，在0.05 s到0.15 s期間，出現(xiàn)坡底后恢復(fù)正常。而圖7（b）中輸出功率比較穩(wěn)定。可知引入溫度調(diào)整系數(shù)可改善系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和對(duì)外界溫度變化的敏感性，當(dāng)外界溫度不斷變化時(shí)，本文算法與傳統(tǒng)改進(jìn)型擾動(dòng)法相比，輸出穩(wěn)定性高，波動(dòng)較小，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。

圖7 光照強(qiáng)度為1 000W／m2，溫度變化時(shí)PV系統(tǒng)的輸出功率和輸出電壓Fig.7 Illumination of 1 000 W／m2，the temperature changes PV system output power and output voltage

4 結(jié)束語(yǔ)

相比傳統(tǒng)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，所提出的方法可以通過(guò)FSCC進(jìn)行快速啟動(dòng)，同時(shí)引入溫度校正系數(shù)來(lái)算出最大功率點(diǎn)電壓校正值，應(yīng)對(duì)外界溫度迅速變化。工作點(diǎn)能快速接近最大功率點(diǎn)，輸出穩(wěn)定性高，波動(dòng)較小，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。啟動(dòng)完成后，結(jié)合CPA和FSCC的優(yōu)點(diǎn)，利用自適應(yīng)擾動(dòng)法調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)，可以減輕系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率振蕩。仿真結(jié)果表明，該算法能有效削弱功率振蕩現(xiàn)象。同時(shí)可快速跟蹤外界溫度和光照強(qiáng)度的變化。