謝 維，饒國勇2，蔡建羨，李立新，陳 遜

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 三河 065201； 2.景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

全球的電力需求和消費正在快速增長?？稍偕茉从捎谄淝鍧嵭?、低成本和獲取方便等優(yōu)點，近年來得到了迅猛的發(fā)展。在太陽能、風(fēng)能、海洋潮汐能等可再生能源中，太陽能是一種目前最成熟和有商業(yè)前景的發(fā)電能源?？梢允褂霉夥?PV)效應(yīng)從太陽光以產(chǎn)生電力[1]，這種技術(shù)廣泛用于為獨立負(fù)載或電力系統(tǒng)供電。然而，可以看到太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率非常低，僅為9%到17%，尤其是在低太陽照射條件下。另外，太陽能PV板產(chǎn)生的電力總是在各種天氣條件下變化。很顯然，太陽能光伏電池的V-I和V-P特性是非線性的，隨照射量和溫度而變化[2]。然而，V-I或V-P曲線上始終存在一個稱為最大功率點(MPP)的獨特點。這一點在這些特性上是未知的，但它可以通過MPPT算法定位，一般分類如下：擾動觀察(P&O)法[3-5]，增量電導(dǎo)(InC)法[6-8]，恒定恒流(CC)或恒定電壓(CV)法[9-10]等算法以及其他一些諸如模糊邏輯(FL)法[11-12]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)法[13]和粒子群優(yōu)化(PSO)法[14-15]等算法。這些現(xiàn)有算法在簡單性、收斂速度、額外的硬件和成本等方面各有優(yōu)缺點。本文提出了一種適用于太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT的自適應(yīng)擾動觀察算法。與采用擾動觀察算法的結(jié)果相比，所獲得的仿真結(jié)果證實了所提算法的有效性和優(yōu)越性。本文的各部分安排如下：太陽能光伏電池板的數(shù)學(xué)模型、太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)放在第1節(jié)、第2節(jié)中描述；第3節(jié)介紹了MPPT策略的自適應(yīng)擾動觀察算法；然后根據(jù)仿真結(jié)果在第4節(jié)中證實所提算法的有效性；最后通過與現(xiàn)有的擾動觀察相關(guān)算法的比較，總結(jié)了新方案的優(yōu)點。

1 太陽能光伏電池板的數(shù)學(xué)模型

太陽能光伏電池板可以用如下的方程組來描述：

(1)

(2)

(3)

式中，I為太陽能光伏電池的電流(A)；V為太陽能光伏電池的電壓(V)；P為太陽能光伏電池的功率(W)；Isc為太陽能光伏電池的短路電流(A)；Voc為太陽能光伏電池的開路電壓(V)；I0為二極管反向飽和電流(A)；q為元電荷電荷量，q=1.602×10-19(C)；k為波爾茲曼常量，k=1.381×10-23(J/K)；T為太陽能光伏電池板的溫度(K)。

太陽能光伏電池板板對陰影非常敏感。因此，我們提出了一種更準(zhǔn)確的太陽能光伏電池的等效電路，以考慮陰影的影響，以及由于模塊內(nèi)部的串聯(lián)電阻，觸點以及單元與模塊之間的互連所引起的損耗。那么，太陽能光伏電池板的V-I特性可以改寫如下：

(4)

式中，Rs和Rp分別為：考慮了陰影與損耗影響后的電阻值。

盡管，制造商們正試圖最小化這兩種電阻值的影響，以改善他們的產(chǎn)品性能，然而那種理想的情況是不可能實現(xiàn)的。

不得不指出的V-I特性的兩個重點是，開路電壓Voc，以及短路電流Isc。在這兩點時所發(fā)出的功率均為零點。當(dāng)電池的輸出電流I為零(I=0)時，Voc就被確定下來了；而當(dāng)電池的輸出電壓V為零(V=0)時，Isc就被確定下來了。在電池的V-I特性上的乘積(V×I)為最大的點處，太陽能光伏電池發(fā)出的功率最大。這一點被稱為最大功率點(MPP)，并且它是獨一無二的。

顯然，在太陽能光伏電池板的發(fā)電中必須考慮的兩個重要因素是照射量和溫度。這些因素強烈影響太陽能光伏電池板的特性。因此，MPP點在白天會發(fā)生變化。如果工作點不接近MPP，則會發(fā)生顯著的功率損耗。那么，必須在各種條件下跟蹤MPP點，以確保從太陽能光伏電池板處獲得最大的可用功率。通過在各種條件下搜索和確定MPP點，將這一問題交給了最大功率點跟蹤(MPPT)算法。本文提出了自適應(yīng)擾動觀察算法，來用于搜索MPP點，下面將詳細(xì)介紹。

2 太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

太陽能光伏系統(tǒng)可分為兩種類型：需要電池來存儲能量的獨立太陽能光伏系統(tǒng)，以及用于大功率應(yīng)用場合的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要由以下部件組成，包括太陽能光伏電池陣列，DC / DC變流器，DC / AC逆變器，濾波器，變壓器和儲能系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DC / DC變流器主要用于將來自電壓波動的電源，調(diào)節(jié)輸出電壓為恒定值，以減小輸出電壓中的紋波；也可以從同一的輸入電壓等級，獲得多個電壓等級。DC / DC變流器有包括buck(降壓)，boost(升壓)和buck-boost(升降壓)的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，DC / AC逆變器主要用于將恒定的直流電壓，轉(zhuǎn)換成具有可變的幅值和頻率的三相交流電壓，其是通過利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)。鎖相環(huán)(PLL)則通過求解電網(wǎng)電壓的abc分量，在公共耦合點提供旋轉(zhuǎn)頻率，直接和正交電壓分量。

3 采用先進(jìn)的擾動觀察算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT

擾動觀察算法的基本原理是每隔一定的時間，增加或者減少太陽能光伏電池陣列的輸出電壓，這一過程稱為“擾動”，并觀測之后其輸出功率變化方向，若ΔP>0，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向“擾動”；若ΔP<0，說明參考電壓調(diào)整的方向錯誤，則需改變“擾動”的方向。我們知道，擾動觀察算法通常采用固定的步長，導(dǎo)致在快速變化的天氣條件下，跟蹤MPP點發(fā)生失敗?？梢酝ㄟ^在不同的天氣條件下，采用可變步長來克服這個缺陷。因而本文提出了自適應(yīng)的擾動觀察算法。

假設(shè)在這種傳統(tǒng)擾動觀察算法中的擾動變量，是太陽能光伏電池板端電壓的參考值。因此，如果輸出太陽能光伏電池板的電壓被擾動，且dP/dV>0，那么就可以知道工作點位于最大功率點MPP的左側(cè)。擾動觀察算法因而會增加太陽能光伏電池板的參考電壓，以便將工作點移向MPP點。又或者，如果太陽能光伏電池板的輸出電壓受到擾動，且dP/dV<0，那么就可以知道，工作點位于MPP點的右側(cè)。擾動觀察算法即會降低太陽能光伏電池板的參考電壓，便將工作點移向MPP點。該過程在圖2和表1中更清楚地描述出來。

表1 傳統(tǒng)的擾動觀察算法總結(jié)

圖2 傳統(tǒng)的擾動觀察算法的工作原理圖

圖3 傳統(tǒng)的擾動觀察算法引起最大功率點誤判的原理圖

我們可以周期性地重復(fù)該過程，直到達(dá)到MPP點。不過，我們知道傳統(tǒng)的擾動觀察算法在不同天氣之間快速變化的情況下，容易發(fā)生失敗，導(dǎo)致如圖3所示的誤判發(fā)生。假設(shè)它是從一個工作點A開始的。如果天氣條件近似恒定，那么一個太陽能光伏電池板電壓V的擾動ΔV，將把工作點移動到B點，并且擾動將被反轉(zhuǎn)，由于功率下降了。但是，如果太陽光照射量增加了，并且在一個采樣周期內(nèi)，功率曲線從P1曲線轉(zhuǎn)移到了P2曲線，工作點則將從A點移動到C點，這代表功率增加，因而擾動的方向?qū)⒈３植蛔儭?/p>

結(jié)果是，工作點將偏離最大功率點MPP，并且如果太陽照射穩(wěn)定增加，將一直持續(xù)偏離下去[16]。為了確保在太陽照射量的突然變化的情況下，能跟蹤到MPP點，提出了一種自適應(yīng)擾動觀察算法，即取決于功率變化的可變的擾動步長。這意味著擾動步長變化，并且連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)變化的天氣條件。這種自適應(yīng)擾動觀察算法，是傳統(tǒng)的擾動觀察算法的一種變體，可以減少通常與擾動觀察相關(guān)的主要缺陷，諸如收斂速度和跟蹤效率等。該擾動步長變量取決于功率的改變，如下式所示：

(5)

4 仿真結(jié)果與分析

采用Matlab / Simulink軟件，可以獲得將太陽能光伏系統(tǒng)連接到電力系統(tǒng)時，其MPPT控制策略的仿真結(jié)果。太陽能光伏系統(tǒng)配置為由10塊串聯(lián)再2串并聯(lián)的共20塊電池板排列構(gòu)成。太陽能光伏系統(tǒng)的規(guī)格和參數(shù)如表2所示，電網(wǎng)電壓和頻率分別為220 V和50 Hz。

圖4 自適應(yīng)擾動觀察算法流程圖

規(guī)格參數(shù)光伏電池板光伏并網(wǎng)系統(tǒng)(10×2)最大功率Pmax (W)501000Pmax時的電壓VMPP (V)17.4174Pmax時的電流IMPP (A)2.8755.75開路電壓Voc (V)21.42214.2短路電流Isc (A)3.116.22

圖5 不同太陽照射量時太陽能光伏系統(tǒng)的V-I特性，溫度t=25℃

圖5和圖6分別是太陽能光伏系統(tǒng)，在不同的太陽照射量時的V-I和V-P特性，G=1，0.8和0.6 kW/m2，在該溫度T= 25℃下。圖5表明太陽能光伏電池板的電流，在太陽照射量增加時增加。圖6表明了在不同的太陽照射量時的MPP點也不同。MPP點是PMPP1= 1000 W，G1= 1 kW/m2；PMPP2=789 W，G2=0.8 kW/m2和PMPP3=581 W，G3=0.6 kW/m2。因此提出了自適應(yīng)擾動觀察算法，來確定這些在不同的太陽照射量時的MPP點。

圖6 不同太陽照射量時太陽能光伏系統(tǒng)的V-P特性，溫度t=25℃

圖7 采用傳統(tǒng)的擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電流

圖8 采用傳統(tǒng)的擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電壓

圖7和圖8分別是太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在太陽照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，采用傳統(tǒng)的擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流和電壓波形。太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流在t=0.365 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7所示。然而，我們也發(fā)現(xiàn)太陽能光伏系統(tǒng)無法跟蹤到MPP點，即PMPP=1 000 W，如圖9所示，這意味著傳統(tǒng)的擾動觀察算法不收斂。

圖9 采用傳統(tǒng)的擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的功率

圖10和11分別是太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在太陽照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，采用自適應(yīng)擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流和電壓波形。太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流在t=0.273 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10所示。然而，我們也發(fā)現(xiàn)太陽能光伏系統(tǒng)跟蹤到了MPP點，即PMPP=1000 W，如圖12所示，這意味著采用自適應(yīng)擾動觀察算法，收斂值和速度都得到了改善。

通過自適應(yīng)擾動觀察算法與傳統(tǒng)的擾動觀察算法獲得的功率對比，在太陽照射量G=1 kW/m2，溫度T=25℃下，如圖13所示，該對比確認(rèn)了所提出的擾動觀察算法的有效性。

圖10 采用自適應(yīng)擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電流

圖11 采用自適應(yīng)擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的電壓

圖12 采用自適應(yīng)擾動觀察算法，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃的功率

圖13 自適應(yīng)與傳統(tǒng)擾動觀察算法獲得的功率對比，太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的在照射量g=1 kw/m2溫度t=25℃

從以上的一組波形對比中可以分析出，傳統(tǒng)擾動觀察算法當(dāng)溫度不變，僅太陽照射量從0 kW/m2升為1 kW/m2時，不能夠快速地移動至最大功率點附近，而且輸出的電壓、功率波形振蕩現(xiàn)象較嚴(yán)重。而新型的自適應(yīng)擾動觀察算法相比于傳統(tǒng)的算法，能夠更快速地移動到最大功率點，接近穩(wěn)態(tài)時工作點會在最大功率點附近微小幅振蕩，因而動態(tài)響應(yīng)效果良好，穩(wěn)態(tài)輸出時電壓、功率波形也比較平穩(wěn)。

我們知道，相比于太陽照射量的影響，溫度對太陽能光伏陣列各參數(shù)的影響并不大。因此，如果當(dāng)光伏組件工作環(huán)境的溫度突然變化時，所提出的該自適應(yīng)的新方法在提高功率追蹤速度、降低功率擾動的基礎(chǔ)上能夠保證跟蹤的準(zhǔn)確性。

兩種MPPT算法的仿真結(jié)果對比顯示，傳統(tǒng)的擾動觀察算法無法收斂，而收斂值和速度都通過采用自適應(yīng)擾動觀察算法得到了改善，穩(wěn)定時間縮短25%，穩(wěn)態(tài)值提高20%以上。

5 結(jié)論

本文利用自適應(yīng)擾動觀察(P&O)算法，提出了太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)控制策略。該方案使用了可變的擾動步長，該步長取決于各種大氣條件。將得到的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的P&O算法進(jìn)行了比較，結(jié)果證明了所提出的MPPT控制策略對太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的有效性。