范海峰，劉國鵬

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

我國是一個(gè)產(chǎn)煤大國，煤炭分布區(qū)域主要集中在中西部地區(qū)，經(jīng)過多年的開采形成了大面積的采空區(qū)，采空區(qū)的治理一直是個(gè)世界性難題。國內(nèi)傳統(tǒng)的治理模式主要有填充法和采煤塌陷沉穩(wěn)后再治理等方式[1-3]，這些模式面臨開發(fā)技術(shù)難度大、投入成本高以及采空區(qū)完成塌陷需要較漫長的閑置狀態(tài)等不足，不利于土地的有效利用。光伏發(fā)電技術(shù)作為提高煤礦采空區(qū)閑置土地經(jīng)濟(jì)效益的一種有效的手段，逐漸受到治理者的認(rèn)可和推廣[4-5]。中西部煤礦采空區(qū)大部分布在高山和丘陵地區(qū)，一天之內(nèi)山區(qū)氣溫和光照強(qiáng)度變化幅度較大，基于光伏電池功率輸出特性在一定范圍內(nèi)與外界環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度存在線性變化規(guī)律[6]，最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制對(duì)于提高光伏發(fā)電的效率具有重要意義[7-10]。工程實(shí)踐中光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制常用的方法有擾動(dòng)觀察法、定壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法等[11-16]，其中擾動(dòng)觀察法因結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)硬件精度要求不高被廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中[17]。本文將進(jìn)行變步長擾動(dòng)觀察法最大功率點(diǎn)跟蹤在煤礦采空區(qū)光伏發(fā)電中的應(yīng)用研究。

1 定步長擾動(dòng)觀察法

定步長擾動(dòng)觀察MPPT控制流程如圖1所示[18]。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤過程步長ΔU為固定值，步長值的選取十分關(guān)鍵，若選取較大的步長值，外部環(huán)境發(fā)生較大變化光伏發(fā)電MPPT響應(yīng)速度快，但跟蹤精度較差；若選取較小步長值，外部環(huán)境發(fā)生較大變化光伏發(fā)電MPPT響應(yīng)速度慢，但跟蹤精度高。因此，存在最大功率點(diǎn)跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧的不足[19-21]?？紤]到山西、內(nèi)蒙、陜西等產(chǎn)煤大省采空區(qū)多分布在山丘地帶，其外界環(huán)境因素（如光照強(qiáng)度和溫度）變化較大，光伏發(fā)電的發(fā)電效率會(huì)受到較大影響，因此研究傳統(tǒng)定步長擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)對(duì)于提高采空區(qū)光伏發(fā)電效率具有重要意義。文獻(xiàn)[22]提出一種基于梯度尋優(yōu)思想的變步長擾動(dòng)觀察法，在擾動(dòng)過程中按照P-U特性曲線的斜率可自動(dòng)改變擾動(dòng)步長，進(jìn)而提高系統(tǒng)尋優(yōu)效率，但其控制器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本較高。文獻(xiàn)[17]提出了一種采用PI雙層控制的新型自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法，但控制器的比例系數(shù)Kp和控制器的積分系數(shù)Ki需人為來選擇。上述方法雖然對(duì)定步長問題提出了相應(yīng)解決方案，但均存在不同的缺陷。

圖1 定步長擾動(dòng)觀察法流程圖

2 變步長擾動(dòng)觀察法

本文提出了一種變步長擾動(dòng)觀察法，引入步長調(diào)節(jié)系數(shù)m，其中0.85≤m＜1，隨采樣周期次數(shù)累計(jì)步長值ΔUref呈遞減變化，即

其中，k為階段時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)；ΔU為初始步長值，V。

采樣次數(shù)k隨著時(shí)間呈正向線性變化，參數(shù)m、k、ΔU會(huì)越來越小，能夠較好滿足最大功率點(diǎn)跟蹤的精度，考慮到某一時(shí)刻外界環(huán)境（溫度和光照強(qiáng)度）發(fā)生較大變化，MPPT的動(dòng)態(tài)特性將會(huì)下降，為了兼顧最大功率點(diǎn)跟蹤的精度和動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)邏輯中增加了采樣次數(shù)k清零的條件，具體是：比較第k次的采樣功率P（k）與第k-1的采樣功率P（k-1），若則采樣次數(shù)k清零，即：k=0，ΔUref=ΔU，進(jìn)入下一個(gè)計(jì)算周期，P0為k清零門檻功率。改進(jìn)變步長擾動(dòng)觀察法流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程圖

改進(jìn)擾動(dòng)觀察法MPPT控制策略實(shí)現(xiàn)的效果：光伏電池板發(fā)電功率未達(dá)到最大功率之前，步長ΔUref較大能夠滿足MPPT響應(yīng)速度的要求；光伏電池板發(fā)電功率達(dá)到最大功率后，步長ΔUref較小能夠滿足MPPT精度的要求。為了驗(yàn)證變步長擾動(dòng)觀察法可行性，可通過仿真對(duì)比來驗(yàn)證改進(jìn)擾動(dòng)觀察法在實(shí)現(xiàn)MPPT過程中跟蹤精度和響應(yīng)速度的優(yōu)越性。

3 兩種擾動(dòng)觀察法仿真分析

3.1 定步長擾動(dòng)觀察法仿真

為了借助仿真來驗(yàn)證變步長擾動(dòng)觀察法MPPT的優(yōu)越性，需要模擬煤礦采空區(qū)環(huán)境因素的變化，搭建的定步長擾動(dòng)觀察法仿真模型如圖3所示，仿真模型中MPPT控制模塊如圖4所示。仿真具體參數(shù)設(shè)置：阻感負(fù)載中，

圖3 定步長擾動(dòng)觀察法仿真模型

圖4 定步長擾動(dòng)觀察法MPPT控制模塊

3.2 變步長擾動(dòng)觀察法仿真分析

在圖3基礎(chǔ)上搭建變步長擾動(dòng)觀察法仿真模型，在圖4模塊的基礎(chǔ)上搭建的變步長擾動(dòng)觀察法的MPPT控制模塊如圖5所示。

圖5 變步長擾動(dòng)觀察法MPPT控制模塊

為了借助仿真來驗(yàn)證變步長擾動(dòng)觀察法MPPT的可行性，需要模擬實(shí)際環(huán)境因素的變化，通過控制單一變量分別驗(yàn)證在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化條件下變步長擾動(dòng)觀察法與定步長擾動(dòng)觀察法相比的跟蹤效果，仿真參數(shù)設(shè)定：步長ΔU為0.06 V，擾動(dòng)調(diào)節(jié)系數(shù)m為0.95，采樣周期為0.002 s。設(shè)置環(huán)境溫度t為常量，取值為25 ℃，光照強(qiáng)度為單一變量，0.08 s時(shí)刻光照強(qiáng)度從1 000 W/m2降為800 W/m2，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同光照強(qiáng)度條件下MPPT仿真波形對(duì)比

改變環(huán)境溫度t對(duì)比分析定步長擾動(dòng)觀察法和變步長擾動(dòng)觀察法在實(shí)現(xiàn)MPPT時(shí)的優(yōu)劣，設(shè)置光照強(qiáng)度為常量，取值為1 000 W/m2，0.08 s時(shí)刻環(huán)境溫度由25 ℃調(diào)整為35 ℃，仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7（a）、圖7（b）分別為傳統(tǒng)定步長擾動(dòng)觀察法和變步長擾動(dòng)觀察法MPPT跟蹤效果。

圖7 不同溫度下MPPT仿真波形對(duì)比

通過單一變量仿真對(duì)比分析可知，變步長擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)跟蹤精度明顯優(yōu)于定步長擾動(dòng)觀察法，最大功率點(diǎn)跟蹤的速動(dòng)性與定步長擾動(dòng)觀察法相當(dāng)，因此，變步長擾動(dòng)觀察法MPPT在兼顧速動(dòng)性的同時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤精度優(yōu)于傳統(tǒng)定步長擾動(dòng)觀察法。

4 結(jié)論

引入步長調(diào)節(jié)系數(shù)m動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光伏電池板MPPT的步長值，通過仿真對(duì)比分析得出：變步長擾動(dòng)觀察法在兼顧速動(dòng)性的同時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤精度優(yōu)于傳統(tǒng)定步長擾動(dòng)觀察法，能夠較好滿足煤礦采空區(qū)光伏發(fā)電效率的要求。