吳雷，杜蘅，徐鵬

（江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，江蘇 無(wú)錫 214122）

基于一種復(fù)合算法的光伏陣列MPPT研究

吳雷，杜蘅，徐鵬

（江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，江蘇 無(wú)錫 214122）

在對(duì)光伏陣列輸出特性分析的基礎(chǔ)上，綜合了傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制算法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種將固定電流法、固定電壓法和增量電導(dǎo)法相結(jié)合的MPPT控制算法，使用Matlab/Simulink對(duì)該控制算法與增量電導(dǎo)法進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明該算法有效地提高了系統(tǒng)MPPT控制的響應(yīng)速度和精度，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠更好地適應(yīng)外界環(huán)境變化。

MPPT；固定電流法；固定電壓法；增量電導(dǎo)法

在可再生能源中，光伏能源具有豐富、清潔和無(wú)污染的特性，因此光伏發(fā)電越來(lái)越得到各個(gè)國(guó)家的重視，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制成為光伏發(fā)電最重要的研究方向之一。在傳統(tǒng)MPPT控制算法中有擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、固定電壓法和固定電流法。擾動(dòng)觀察算法比較簡(jiǎn)單，但是在跟蹤到最大功率點(diǎn)(MPP)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，影響系統(tǒng)工作效率。增量電導(dǎo)法在一定程度上克服了MPP附近的振蕩問(wèn)題，但是存在跟蹤精度和跟蹤速度矛盾的問(wèn)題[1]。固定電壓法和固定電流法都是基于光伏陣列輸出特性實(shí)現(xiàn)的。固定算法在跟蹤速度上具有一定優(yōu)勢(shì)，但是在跟蹤精度上有待提高，尤其是當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生巨大變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的跟蹤誤差。

文獻(xiàn)[2-5]提出了將兩種傳統(tǒng)控制算法相結(jié)合的雙?？刂品椒?，在一定程度上緩解了系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度的矛盾，但是也存在一些缺陷。在文獻(xiàn)[2-4]的實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP時(shí)，需要采樣開(kāi)路電壓，通常有兩種方式：并聯(lián)冗余電池板的開(kāi)路采樣和周期性開(kāi)路采樣[6]。第一種方式增加了系統(tǒng)的硬件成本和維護(hù)費(fèi)用，第二種方式由于周期性的開(kāi)路，降低了系統(tǒng)的工作效率。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出的方法，當(dāng)系統(tǒng)工作在電流源區(qū)時(shí)，可以迅速跟蹤到MPP附近。但是當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)在MPP右側(cè)的電壓源區(qū)時(shí)，系統(tǒng)首先要繞過(guò)MPP，盲目過(guò)渡到左側(cè)的電流源區(qū)，之后再返回跟蹤到MPP，這就降低了系統(tǒng)的跟蹤速度。

這些控制算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，本文針對(duì)光伏陣列的輸出特性，提出了一種新的復(fù)合控制算法，從而達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。大體思路為將增量電導(dǎo)法、固定電壓法和固定電流法相結(jié)合，通過(guò)判斷系統(tǒng)工作點(diǎn)所在區(qū)間（如圖1的A-B、B-C和C-D），從而自動(dòng)切換最適合的控制算法，同時(shí)根據(jù)光伏電池的特性，在線計(jì)算sc和oc，使得系統(tǒng)無(wú)論工作在MPP的左側(cè)還是右側(cè)，都可以直接跟蹤到MPP附近，這時(shí)再采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)法，精確跟蹤MPP。這些改進(jìn)提高了系統(tǒng)跟蹤MPP的精度和速度，保證了系統(tǒng)的工作效率。

1 光伏陣列輸出特性

光伏電池發(fā)電的原理是利用太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體表面上，半導(dǎo)體吸收光能后，兩級(jí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能[7]。光伏電池本身就是個(gè)PN結(jié)，其工作原理與二極管類(lèi)似[8]。光伏陣列的輸出特性如圖1所示。從圖1中可以看出，在曲線上的A-B段，光伏電池相當(dāng)于恒流源，在C-D段又具有恒壓源特性。本文提出的復(fù)合MPPT控制算法正是依據(jù)光伏電池這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 復(fù)合MPPT控制算法

復(fù)合算法思想的重點(diǎn)在于，系統(tǒng)可以適時(shí)自動(dòng)切換到當(dāng)前最適合系統(tǒng)工作的控制算法，外界環(huán)境變化時(shí)亦如此。基于此，在本文提出的復(fù)合算法中，首先設(shè)定參數(shù)：

圖2 曲線(=1,3,5)

該算法適應(yīng)于各種天氣變化，圖3分別展示了光伏電池在不同溫度和不同光照條件下曲線的變化情況。由圖3看出，在天氣變化的情況下，根據(jù)式(2)仍可以將三種算法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，因此，復(fù)合算法具有較強(qiáng)的抗干擾性，可以很好地保證系統(tǒng)MPPT控制的穩(wěn)定性。

圖3 不同條件下和曲線

B-C區(qū)間處在最大功率點(diǎn)附近，當(dāng)系統(tǒng)工作在這一區(qū)間時(shí)采用變步長(zhǎng)的增量電導(dǎo)法，其中設(shè)定單位步長(zhǎng)為Δref。曲線的斜率絕對(duì)值可以轉(zhuǎn)換為關(guān)于θ的函數(shù)：

根據(jù)公式(6)：

可以得到：

最終根據(jù)公式(7)，得到變步長(zhǎng)計(jì)算公式：

采用變步長(zhǎng)增量電導(dǎo)法，可以更好地保證系統(tǒng)的跟蹤精度，提高了系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的穩(wěn)定性，避免了盲目追蹤和步長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致的振動(dòng)。

在C-D區(qū)間，光伏電池類(lèi)似于電壓源，在這一區(qū)間，輸出電壓變化不大。根據(jù)固定電壓法，最大功率點(diǎn)電壓m和開(kāi)路電壓oc存在一定的線性關(guān)系。所以通過(guò)公式(9)、(10)可以在線計(jì)算ref的近似值，避免了因?yàn)殚_(kāi)路采樣降低系統(tǒng)的工作效率。相比文獻(xiàn)[5]，當(dāng)系統(tǒng)工作在電壓源區(qū)時(shí)，不必再過(guò)渡到電流源區(qū)，而是能夠迅速穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點(diǎn)附近。

復(fù)合算法流程如圖4所示。首先進(jìn)行數(shù)值采樣計(jì)算，再根據(jù)式(2)判定系統(tǒng)所在的工作區(qū)間，從而切換為最適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄟM(jìn)行MPPT控制。

圖4 復(fù)合MPPT算法流程

3 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出的MPPT控制算法的有效性，在Matlab/Simulink軟件下對(duì)增量電導(dǎo)法和提出的復(fù)合算法進(jìn)行了仿真分析。主電路選擇BoostDC/DC變換電路，光伏電池的模型按照電池組件Solarex MSX60 60W所提供的參數(shù)進(jìn)行搭建，其中最大功率max=60W，最大功率點(diǎn)電壓和電流分別為m=17.1 V，m=3.5 A，開(kāi)路電壓oc=21.1 V，短路電流sc=3.8 A。

圖5和圖6展示了MPPT控制在追蹤初始階段功率和占空比的變化。由圖5可見(jiàn)，增量電導(dǎo)法在0.02 s跟蹤到最大功率點(diǎn)，復(fù)合算法在0.01 s前就已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由此看出，復(fù)合算法響應(yīng)更快，跟蹤更迅速；圖6表明，初始階段，系統(tǒng)采用固定算法，占空比經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)逐漸接近ref。在接近MPP時(shí)，系統(tǒng)切換為增量電導(dǎo)法，仿真波形在=0.6附近呈微小振蕩狀態(tài)，充分反映了復(fù)合算法的工作模式。

圖5 初始階段功率變化比較波形

圖6 初始階段占空比變化波形

圖7 增量電導(dǎo)法功率波形

圖8 復(fù)合算法功率波形

圖9 占空比變化波形

由圖7、圖8比較可得，復(fù)合算法有效減輕了系統(tǒng)在MPP的振蕩問(wèn)題，在不影響跟蹤速度的情況下，有效提高了系統(tǒng)的跟蹤精度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在跟蹤速度和跟蹤精度上同時(shí)兼顧。圖9則展示了系統(tǒng)在不同光照情況下占空比的變化情況。

4 結(jié)論

本文在光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上，將幾種傳統(tǒng)算法相結(jié)合，提出了一種新的控制算法，該算法繼承了固定參數(shù)法快速跟蹤和增量電導(dǎo)法精確跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以在線計(jì)算短路電流和開(kāi)路電壓，避免了傳統(tǒng)固定參數(shù)法采樣時(shí)造成的功率損失。通過(guò)仿真驗(yàn)證可知，該控制算法在外界光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，能夠迅速、精確地跟蹤到MPP，減少了振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)的工作效率。

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[8]熊遠(yuǎn)生.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制問(wèn)題研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

Photovoltaic arraymaximum power point tracking based on a compound algorithm

WU Lei,DU Heng,XU Peng

On the basis of the analysis of the output characteristic of photovoltaic array,an improved maximum power point tracking(MPPT)controlalgorithm combining incremental conductance algorithm w ith constant voltage algorithm and constant current algorithm was proposed by integrating the advantages of traditional MPPT control algorithm s. The proposed algorithm and incremental conductance algorithms were simulated w ith Matlab/Simulink program.The simulation results showed that the proposed scheme could greatly im prove the MPPT response speed and accuracy. Moreover,itwasmore suitable for operating condition change due to the strong capability ofanti-interference.

MPPT;constant currentalgorithm;constantvoltage algorithm;incremental conductance algorithm

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0855-03

2013-10-30

吳雷(1962—)，男，江蘇省人，副教授，主要研究方向?yàn)楦袘?yīng)加熱電源、新能源發(fā)電與控制技術(shù)。