謝周騰，劉 斌，劉永忠

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”的提出，我國(guó)開始建設(shè)以可再生能源為主導(dǎo)、其他能源為補(bǔ)充的能源體系，分布式能源的利用率逐漸增高，“綠色房屋”——房屋分布式光伏發(fā)電工程被積極推進(jìn)。

由于光伏發(fā)電具有不確定性和間歇性，光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)能量利用率過(guò)低、電壓波動(dòng)、電壓偏差過(guò)大等問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)對(duì)負(fù)載造成一定的影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常采用最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum power point tracking，MPPT）來(lái)解決利用率過(guò)低的問(wèn)題，并引入外部條件來(lái)調(diào)節(jié)電壓，防止電壓波動(dòng)過(guò)大。

在MPPT算法方面，擾動(dòng)觀察法、恒電壓法、電量增導(dǎo)法等傳統(tǒng)控制算法[1]以及天牛群優(yōu)化算法[2]、灰狼優(yōu)化算法[3]等智能控制算法都能夠有效地使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率附近。文獻(xiàn)[4]為抑制光伏發(fā)電的波動(dòng)性，采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，并提出了一種模式切換協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[5]提出一種基于不確定性推理的擾動(dòng)觀察法，并引入光照、溫度的變化率來(lái)修正步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了MPPT。文獻(xiàn)[6]將幾種傳統(tǒng)算法相結(jié)合并進(jìn)行了改進(jìn)；仿真結(jié)果表明所改方法在減少追蹤時(shí)間的同時(shí)，也減小了功率的振蕩。文獻(xiàn)[7]將傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合，結(jié)果表明該控制方法在一定程度上能加快動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度并減小穩(wěn)態(tài)誤差。

在減小負(fù)載端電壓波動(dòng)方面，文獻(xiàn)[8]利用蓄電池對(duì)負(fù)載端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[9]提出一種恒功率控制策略，并在光伏發(fā)電逆變之前采取MPPT及穩(wěn)壓控制。上述文獻(xiàn)都采用了基于改進(jìn)算法的MPPT，提高了光伏發(fā)電的利用率，減小了功率和電壓的波動(dòng)，但是仍然存在最大功率點(diǎn)附近功率振蕩以及步長(zhǎng)固定導(dǎo)致追蹤精度下降的問(wèn)題，或未考慮到光照變化對(duì)負(fù)載端電壓的影響。

鑒于此，本文首先構(gòu)建了獨(dú)立光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)協(xié)議；然后基于事件觸發(fā)改進(jìn)了P&O算法，并將改進(jìn)算法的MPPT與傳統(tǒng)算法的MPPT進(jìn)行對(duì)比；考慮到實(shí)際情況下光照環(huán)境的改變導(dǎo)致負(fù)載端電壓波動(dòng)的問(wèn)題，引入了基于事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)協(xié)議控制的儲(chǔ)能裝置，對(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。

1 事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)策略與協(xié)議設(shè)計(jì)

事件驅(qū)動(dòng)策略是指在持續(xù)運(yùn)行或者持續(xù)事務(wù)管理的過(guò)程中進(jìn)行決策的一種控制策略[10]，其思想是針對(duì)實(shí)時(shí)問(wèn)題，通過(guò)調(diào)動(dòng)可用資源，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，使問(wèn)題得到解決。

本文根據(jù)事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)策略構(gòu)建了如圖1所示的獨(dú)立光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了事件驅(qū)動(dòng)協(xié)議。

圖1 獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of stand-alone optical storage power generation system

圖1中：DC/DC變換單元采用的是Boost升壓電路，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行MPPT控制，使系統(tǒng)能夠工作在最大功率點(diǎn)；儲(chǔ)能裝置采用超級(jí)電容[11]或蓄電池等一些儲(chǔ)存能源的器件。

基于圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)策略，對(duì)傳統(tǒng)P&O算法進(jìn)行了改進(jìn)并設(shè)計(jì)出3層事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)裝置，去控制儲(chǔ)能裝置。事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)協(xié)議具體如表1所示。

表1 3層事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)協(xié)議Tab. 1 Three layer event trigger driver protocol

表1中：α為負(fù)載兩端t時(shí)刻的電壓Ut與參考值Uref的比值。θmax、θmin分別為觸發(fā)常數(shù)的上限與下限，且θmax＞θmin,θmax＞ 1 ,0 ＜θmin＜1。

觸發(fā)常數(shù)的上、下限，即為電池充放電的開關(guān)閾值。我國(guó)工業(yè)用電的標(biāo)準(zhǔn)電壓波動(dòng)范圍為–7%～+7%，因此本文將觸發(fā)常數(shù)下、上限設(shè)為–5%與+5%。當(dāng)α≥θmax時(shí)，負(fù)載兩端電壓大于所設(shè)定的電壓范圍，需對(duì)負(fù)載供電的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)α≤θmin時(shí)，表示負(fù)載端電壓供電不足，需電池對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電補(bǔ)償。

2 事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)在MPPT上的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)P&O算法工作原理

傳統(tǒng)P&O法MPPT的基本工作原理是：每隔一定的時(shí)間，增加或者減少光伏陣列的輸出電壓，擾動(dòng)其工作點(diǎn)，并通過(guò)觀測(cè)擾動(dòng)之后輸出功率變化來(lái)判斷下一步工作點(diǎn)的擾動(dòng)方向，直至光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處。本文采用基于占空比的MPPT控制，具體算法原理如圖2所示。

圖2 基于占空比的MPPT控制原理圖Fig. 2 Schematic diagram of MPPT control based on duty cycle

傳統(tǒng)P&O法MPPT的基本計(jì)算原理為：

式中：UT為T次步長(zhǎng)時(shí)刻系統(tǒng)的電壓；UT–1為T次步長(zhǎng)時(shí)刻前一個(gè)步長(zhǎng)時(shí)刻的電壓；UΔT為每一次的增加或減小的值，即擾動(dòng)量；PT為T次步長(zhǎng)時(shí)刻系統(tǒng)的功率。算法的計(jì)算流程圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)P&O法MPPT控制流程圖Fig. 3 MPPT control flow chart of traditional P&O method

在用傳統(tǒng)P&O法進(jìn)行MPPT控制過(guò)程中：在每個(gè)控制周期，采用固定的步長(zhǎng)來(lái)改變系統(tǒng)的輸出電壓；通過(guò)判斷前一個(gè)步長(zhǎng)T–1時(shí)刻的功率與T時(shí)刻功率的功率差ΔP來(lái)決定下一個(gè)周期的擾動(dòng)方向[12]。

ΔP>0表示上一步長(zhǎng)周期擾動(dòng)方向正確，下一步長(zhǎng)周期的擾動(dòng)方向?qū)⒈３植蛔儯沪<0表示上一周期的擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，下一周期的擾動(dòng)方向應(yīng)與上一周期的擾動(dòng)方向相反。經(jīng)多次擾動(dòng)之后，若ΔP=0，則說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)最大功率點(diǎn)。在用傳統(tǒng)P&O法進(jìn)行MPPT控制過(guò)程中，由于步長(zhǎng)固定的原因，算法會(huì)持續(xù)不斷地施加擾動(dòng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的功率曲線在最大功率點(diǎn)附近振蕩，造成一定的功率損失。

2.2 基于事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)P&O算法的MPPT控制

為確保MPPT的時(shí)效性以及準(zhǔn)確性，本文基于事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)P&O法進(jìn)行了改進(jìn)[13]，原理如下。

當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電壓超過(guò)0.7倍參考電壓時(shí)，第一層事件觸發(fā)，開始施加MPPT控制。這樣，可以在一定程度上減少追蹤時(shí)間。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行開始時(shí)，若系統(tǒng)功率差與電壓差之比ΔP/ΔV大于一個(gè)常數(shù)K，則第二層事件觸發(fā)。此時(shí)，選擇固定的大步長(zhǎng)，加快追蹤速度。

當(dāng)系統(tǒng)功率接近最大功率點(diǎn)時(shí)，即當(dāng) ΔP/ΔV小于K時(shí)，第三層事件觸發(fā)。此時(shí)選擇自適應(yīng)步長(zhǎng)，以提高追蹤精度，避免產(chǎn)生功率振蕩。

具體工作原理如圖4所示。

圖4 基于事件觸發(fā)改進(jìn)的P&O算法原理圖Fig. 4 Schematic diagram of improved P&O algorithm based on event triggering

改進(jìn)后MPPT計(jì)算方式為：

式中：β、γ、K、S均為大于0的常數(shù)。

ΔP/ΔV為特性曲線斜率；常數(shù)K為事件觸發(fā)閾值。分析不同光照強(qiáng)度下的光伏P-V特性曲線可知，曲線斜率與光照強(qiáng)度S成正比，且接近最大功率點(diǎn)的曲線斜率相較遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的曲線斜率要小。

改進(jìn)后，算法流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的P&O算法MPPT控制流程圖Fig. 5 MPPT control flow chart of improved P&O algorithm

2.3 均勻與突變的光照環(huán)境下仿真結(jié)果

本文使用MATLAB軟件中的Simulink搭建仿真平臺(tái)。光伏陣列采用了Simulink中的PV array模塊。系統(tǒng)及模塊具體參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)模塊參數(shù)數(shù)值Tab. 2 Numerical table of system module parameters

仿真過(guò)程：溫度設(shè)定為25 ℃。在0～0.5 s，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2；在0.5 s時(shí)，光照強(qiáng)度突變?yōu)?00 W/m2。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)算法與改進(jìn)算法的MPPT仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of MPPT simulation results between traditional algorithm and improved algorithm

從圖6中可看出，本文提出的算法比傳統(tǒng)P&O法MPPT控制算法能夠在光照突變時(shí)更快地追蹤到最大功率點(diǎn)，并保持在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，減少了功率的振蕩損耗。

3 基于事件觸發(fā)的電壓穩(wěn)定控制

針對(duì)光照突變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題，本節(jié)引入基于事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)策略控制的儲(chǔ)能裝置來(lái)對(duì)負(fù)載端電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制[14]。

仿真條件：將光照強(qiáng)度從1 000 W/m2改成隨時(shí)間變化；事件觸發(fā)常數(shù)K=0.31。具體的光照強(qiáng)度時(shí)變過(guò)程如圖7所示。

圖7 光照強(qiáng)度時(shí)變圖Fig. 7 Time-varying diagram of light intensity

隨著光照強(qiáng)度的改變，系統(tǒng)電壓也會(huì)隨著改變。為了保證對(duì)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定控制、事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)策略的靈活性，同時(shí)考慮負(fù)載端不能長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)壓或低壓狀態(tài)下，因此要求負(fù)載端的電壓要穩(wěn)定在0.93～1.07倍參考電壓Uref之間，稱該區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域[15]內(nèi)。

具體的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 有無(wú)儲(chǔ)能裝置的負(fù)載端電壓對(duì)比圖Fig. 8 Comparison of load terminal voltage with and without energy storage device

從圖8中可以看出：在0.02～0.8 s、1.3～1.8 s、3.4 s～4.2 s這3個(gè)時(shí)間段，未加儲(chǔ)能裝置的負(fù)載電壓明顯已經(jīng)超過(guò)了安全區(qū)域，加入儲(chǔ)能裝置后，負(fù)載電壓已回到安全區(qū)域內(nèi)。為了能夠看出發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置的能源互補(bǔ)情況，本文采用了Simulink中Scope模塊對(duì)儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電池荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 SOC曲線圖Fig. 9 SOC graph

圖9中SOC曲線的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)代表著電池不同的工作狀態(tài)。對(duì)比圖8發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池SOC曲線上升時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)給儲(chǔ)能裝置充電及負(fù)載供電。當(dāng)電池SOC曲線不變時(shí)，負(fù)載端電壓全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供。當(dāng)電池SOC曲線下降時(shí)，負(fù)載端電壓由光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能裝置共同提供。

4 結(jié)論

針對(duì)獨(dú)立光儲(chǔ)微電網(wǎng)在光照時(shí)變環(huán)境下出現(xiàn)的電壓波動(dòng)較大、功率不穩(wěn)定等問(wèn)題，本文提出一種基于改進(jìn)P&O算法的MPPT控制策略，然后通過(guò)事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)裝置控制儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的能源利用率與穩(wěn)定安全性。結(jié)果表明：

（1）提出的改進(jìn)P&O算法的MPPT控制策略在光照突變時(shí)也能夠快速準(zhǔn)確地追蹤到系統(tǒng)最大功率點(diǎn)；

（2）在提出的控制策略的基于事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)能裝置的共同作用下，發(fā)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性在光變環(huán)境下有所提高。