郭昆麗，閆 東，付建哲

(西安工程大學電子信息學院新能源研究所，陜西 西安 710600)

光伏發(fā)電因其資源豐富且對環(huán)境友好受到廣泛的關(guān)注，然而光伏電池屬于非線性裝置，受到光照強度、溫度等外界環(huán)境的影響，輸出功率時刻都在發(fā)生改變[1]。為了在一定的限定條件下提高光伏電池對能量的轉(zhuǎn)換效率，降低光伏發(fā)電產(chǎn)品的制造成本，使得光伏陣列輸出最大功率，就需要運用一些算法對其進行跟蹤[2]。當前的主要算法有擾動觀察法、模糊控制法、粒子群算法等，但是每種算法都有優(yōu)缺點，需要選擇合適的方法用于最大功率追蹤(MPPT)[3-7]。

文獻[8]提出一種自適應擾動觀察法用于最大功率追蹤，對于光伏電池輸出功率的變化，不斷調(diào)整電壓擾動值，追蹤花費時間少，到達穩(wěn)態(tài)時震蕩小，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)越，但是采樣過程增加了低通濾波器，系統(tǒng)工作較為復雜。文獻[9]將擾動觀察法和電導增量法結(jié)合追蹤最大功率，追蹤最大功率花費時間短，但其兩級步長的選取應相匹配，否則難以保證穩(wěn)態(tài)性能。文獻[10]將恒定電壓法和變步長電導增量法相結(jié)合的算法用于MPPT，追蹤速度快，但是穩(wěn)態(tài)震蕩大。

針對以上問題本文提出一種將恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法三種算法相結(jié)合的改進算法用于最大功率追蹤，避免了恒定電壓法容易受到外界環(huán)境的影響難以追蹤到最大功率的缺點，同時又兼具擾動觀察法易于實現(xiàn)，電導增量法穩(wěn)態(tài)震蕩較小的特點，有效解決擾動觀察法跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，降低了光伏發(fā)電產(chǎn)品的成本。

1 傳統(tǒng)擾動觀察法

如圖1所示，光照強度一定時，溫度越低光伏電池輸出功率越大，溫度一定時，光照強度越強，輸出功率越大，且每條P-U曲線都有一個最大功率點和與之相對應的電壓。

擾動觀察法具體流程如圖2。

如圖2所示，U(k)、I(k)、P(k)為當前時刻檢測的光伏電池電壓、電流、功率，U(k－1)、I(k－1)、P(k－1)為上一時刻檢測的光伏電池電壓、電流、功率。

圖1 光伏電池輸出特性曲線

這種控制方法結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)：步長過大，擾動次數(shù)減小，需要花費的時間少，但是穩(wěn)態(tài)震蕩較大，能量損耗過大；步長過小，需要擾動次數(shù)增大，花費時間多，但是到達穩(wěn)態(tài)震蕩較小，能量損耗小。此外，如果外界環(huán)境變化大，可能造成一定情況的誤動，難以追蹤到最大功率。

2 改進擾動觀察法

針對以上傳統(tǒng)方法表現(xiàn)出來追蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度所存在的矛盾，本文將恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法三種方法相結(jié)合，用于最大功率追蹤。

圖2 定步長擾動觀察法流程圖

由P-U曲線可知，最大功率點左側(cè)斜率為正，隨著光伏電池輸出電壓的增加，斜率逐漸減小，到達最大功率點時斜率為零；最大功率點右側(cè)斜率為負，且隨著光伏電池輸出電壓減小，斜率逐漸減小，到達最大功率點時斜率為零?；诖?，改進算法先用恒定電壓法使得光伏電池輸出功率靠近最大功率點，再對爬坡的斜率進行判斷，采用大步長ΔU1進一步靠近最大功率點，最后采用小步長ΔU2追蹤到最大功率，這樣既縮短了追蹤時間，又減小了到達最大功率點時的震蕩，具體流程如圖3所示。

圖3 改進擾動觀察法流程圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真分析

為驗證本文所提算法的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink中搭建仿真，參數(shù)設置為開路電壓Uoc=43.3 V，短路電流Isc=10.84 A，最大功率點電壓Um=39 V，最大功率點電流Im=10.35 A，溫度為25 ℃，光照強度S=1 000 W/m2，a=1×10－2W，b=3×10－3W。

采用算法一進行仿真，結(jié)果如圖4所示；采用算法二進行仿真，結(jié)果如圖5所示；采用算法三進行仿真，擾動觀察法步長ΔU1=2×10－3V，ΔU2=2×10－4V，結(jié)果如圖6所示。對仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表1所示。

圖4 算法一仿真結(jié)果圖

圖5 算法二仿真結(jié)果圖

圖6 算法三仿真結(jié)果圖

表1 3種算法下的仿真結(jié)果

從表1可以看出，算法二比算法一到達穩(wěn)態(tài)時間少，追蹤速度快，且穩(wěn)態(tài)震蕩減小了56.74%；算法三到達穩(wěn)態(tài)的時間接近算法一的一半，但穩(wěn)態(tài)震蕩率減小了90.72%；改進算法三到達穩(wěn)態(tài)時間比算法二減小了32.35%，但穩(wěn)態(tài)震蕩率減小了78.54%。由此可知，算法三不僅縮短了最大功率追蹤的時間，而且也降低了穩(wěn)態(tài)震蕩的幅度，解決了追蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，具有良好的追蹤效果。

3.2 驗證改進算法的跟蹤情況

為了驗證當環(huán)境改變時，改進算法能否快速適應環(huán)境的改變，追蹤到最大功率，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)是溫度為25℃不變，光照強度S從1 000 W/m2開始，在0.1 s時降低為700 W/m2，在0.2 s時升為900 W/m2，可以看出追蹤效果良好，到達穩(wěn)態(tài)時震蕩較?。粓D7(b)是光照強度S為1 000 W/m2不變，溫度從25℃在0.1 s時升為35℃，在0.2 s時降為30℃，可以看出由于溫度變化量有限，功率波動并不明顯。從圖7可以看出當光照強度改變或溫度改變時，改進算法仍然具有良好的追蹤效果。

圖7 仿真結(jié)果

4 實驗驗證

為進一步驗證改進算法的有效性，搭建實驗平臺，IGBT采用SKM300GB12T4，二極管使用DH2χ61-18A，光伏陣列模擬器使用E4350B，實驗平臺使用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，其中DSP芯片使用TMS320F28335型號，示波器為TEK-TPS2024型號，光伏陣列模擬器參數(shù)設置為Uoc=61.4 V，Isc=10.23 A，Um=49.1 V，Im=8.31 A,溫度為25℃，光照強度S為1 000 W/m2。

圖8 實驗結(jié)果

圖8中，通道1為光伏陣列輸出的電壓波形，通道2為光伏陣列輸出的電流波形，通道3為光伏陣列輸出的功率波形。從圖8(a)可以看到改進算法的啟動時間為0.48 s，速度較快，從圖8(b)可以看出光照從1 000 W/m2降低為600 W/m2，改進算法追蹤到最大功率點用時0.24 s，具有良好的動態(tài)性能，且穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.47%，穩(wěn)態(tài)性能較好。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)擾動觀察法步長大，花費時間短，穩(wěn)態(tài)震蕩大和步長小，花費時間長，穩(wěn)態(tài)震蕩小的問題，本文在傳統(tǒng)擾動觀察法的基礎上進行改進，進行了仿真和實驗驗證，得出以下結(jié)論：

(1)改進后的擾動觀察法一方面能夠縮短最大功率追蹤的時間，另一方面降低了到達穩(wěn)態(tài)時震蕩的幅度，減小了能量的損失，具有良好的追蹤效果。

(2)溫度不變，光照強度的改變對于最大功率具有明顯影響：光照增加，光伏陣列輸出功率明顯增加；光照減小，輸出功率明顯減??；光照強度不變，溫度改變，功率變化不大。