基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法在MPPT中的應(yīng)用*

李永剛，于德水，周一辰，龐春江，霍明霞

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定071003；2.河南省濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源459000）

0 引 言

近年來，發(fā)電需求的迅速增加和常規(guī)能源（如煤和石油）的匱乏使得可再生能源的發(fā)電迅猛發(fā)展。光伏發(fā)電因其普遍適用、免費(fèi)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)以及較少的操作和維護(hù)成本低逐漸成為傳統(tǒng)能源的理想替代［1］。為使光伏系統(tǒng)離線或并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)更加高效，需要一種適用性強(qiáng)且高效的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）來捕捉時(shí)變條件下的最大功率點(diǎn)［2-3］。

目前文獻(xiàn)中MPPT有傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法，恒定電壓比法，模糊邏輯控制器（FLC），自尋優(yōu)占空比法。這些控制方法的區(qū)別在于實(shí)際最大功率點(diǎn)振蕩，收斂速度，復(fù)雜性，穩(wěn)定性以及電氣設(shè)備的成本［4］。電壓擾動(dòng)觀察法可能是目前的MPPT算法中最常用的，因其算法較簡(jiǎn)便且僅需測(cè)量光伏電池的輸出電壓和電流。但在最大功率點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生功率振蕩造成損耗。電流擾動(dòng)（CPA）相比電壓擾動(dòng)在MPPT附近時(shí)，僅需較小的步長(zhǎng)追蹤光伏最大功率點(diǎn)。所以有效減小最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。局部短路電流（FSCC）能在跟蹤初期將光伏陣列工作點(diǎn)電流調(diào)整到光伏最大功率點(diǎn)附近，以保證跟蹤的快速性。局部短路電流法能實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，且成本低、容易實(shí)施。但不能保證始終工作在最大功率點(diǎn)。

為解決傳統(tǒng)P＆O較大的功率損耗，并結(jié)合恒流啟動(dòng)提高M(jìn)PPT跟蹤速度，本文搭建了MPPT控制系統(tǒng)仿真模型，將電流擾動(dòng)（CPA）和局部短路電流（FSCC）結(jié)合，利用恒流啟動(dòng)，引入溫度調(diào)整系數(shù)，計(jì)算最大功率點(diǎn)電壓補(bǔ)償值，來提高啟動(dòng)速度和外界環(huán)境的敏感性［5］；利用自適應(yīng)擾動(dòng)法調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)，改善功率振蕩。

1 光伏系統(tǒng)模型

1.1 光伏電池模型

PV電池的電特性與二極管PN結(jié)相似。它通過使用光子產(chǎn)生電子。它具有吸收太陽輻射，并將光子移動(dòng)到電子直到它收斂的能力。

當(dāng)負(fù)載接至PV電池時(shí)，電荷以直流電流形式流過它，直到光照結(jié)束。

太陽能電池的電壓-電流關(guān)系為：

Vph和Iph分別表示光伏陣列輸出電壓和輸出電流，Is為PN節(jié)間的反向飽和電流；q是電子電荷量；A是PN節(jié)的理想因數(shù)；K是玻爾茲曼常量；T是環(huán)境溫度；Rs和 Rsh分別是電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻［6］。

1.2 DC-DC升壓電路

DC-DC升壓電路用來優(yōu)化光伏模塊輸出的功率，圖1展示了升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)。

圖1 DC-DC升壓電路Fig.1 DC-DC boost circuit

其中s是主開關(guān)；L為濾波電感；C為濾波電容；R為電阻負(fù)荷。建立動(dòng)態(tài)模型如下：

Ipv，Vpv，Vo和D分別為升壓電路的輸入電流，輸入電壓，輸出電壓以及輸出占空比。假設(shè)Boost電路處于電流連續(xù)模式，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，電感L中的電流會(huì)線性增大，此時(shí)二極管D關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電能將會(huì)通過與二極管連接的RC電路消耗。

Boost電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電感L平均電壓在擾動(dòng)周期T中為零；故Boost電路輸出電壓：

Boost電路工作在連續(xù)電流模式時(shí)L＞Lmin，

濾波電容最小值為：

式中f是開關(guān)頻率；R是電阻負(fù)載。由上可知輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系取決于占空比，假設(shè)傳遞效率η＝100%，則換流器的輸入功率等于輸出功率。從而電阻負(fù)載：

2 最大功率跟蹤策略

2.1 改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)法

傳統(tǒng)改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)法采用恒壓?jiǎn)?dòng)，光伏陣列啟動(dòng)時(shí)首先對(duì)光伏陣列的開路電壓進(jìn)行采樣，未考慮溫度變化對(duì)輸出特性的影響。根據(jù)圖2知光伏陣列在特定溫度和光照下存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，且存在Um＝0.78·Uoc。將Um作為電壓設(shè)定值，控制光伏陣列的輸出電壓由開路電壓下降至電壓設(shè)定值（隨著輸出電壓下降，輸出功率向MPP方向移動(dòng)），最后改換為定步長(zhǎng)P＆O。該算法的控制流程框圖如圖3所示。

圖2 不同光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線圖Fig.2 Output characteristics curveswith different intensities

圖3 傳統(tǒng)改進(jìn)型定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法Fig.3 Traditionalmodified step-perturbation observation method

2.2 基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法

為使光伏系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能快速跟蹤到MPP，本文在系統(tǒng)啟動(dòng)采用局部短路電流法（FSCC）。即采樣電流I（k）不滿足：Im≦ I（k）≦ IM條件時(shí)。其中 IM和Im分別定義如下［6］：

局部短路電流法能在跟蹤初期將光伏陣列工作點(diǎn)電流調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，以保證跟蹤的快速性。在不同的環(huán)境條件下最大功率點(diǎn)電流與短路電流之間的近似線性關(guān)系：

比例系數(shù)ksc一般在0.78～0.9之間。但在對(duì)控制方法的簡(jiǎn)化過程中，忽視了溫度變化會(huì)使PV輸出功率與最大功率點(diǎn)存在偏差，出現(xiàn)一定的功率損失。為解決此問題，本文在局部短路電流法啟動(dòng)過程中，系統(tǒng)將當(dāng)前采樣溫度T（k）與前一時(shí)刻采樣點(diǎn)T（k-1）比較。若偏差大于誤差范圍e（T），引入溫度校正系數(shù)K（T）來校正電流參考值，其中溫度校正系數(shù)約為 K（T）＝-0.405%／K；當(dāng)溫度差很小時(shí)，K（T）＝0。從而對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整［7］。

隨著光伏輸出電流增大，當(dāng)采樣電流I（k）滿足：Im≦I（k）≦IM條件時(shí)，即工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，采用電流擾動(dòng)法（CPA）。電流擾動(dòng)相比電壓擾動(dòng)在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，僅需較小的步長(zhǎng)追蹤光伏最大功率點(diǎn)。其中參考電流值如下。

若由于外界環(huán)境使光照強(qiáng)度迅速改變，

基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法能減少在穩(wěn)定狀態(tài)下的最大功率點(diǎn)振蕩的次數(shù)，并且將兩種算法（CPA和FSCC）的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來追蹤快速變化環(huán)境時(shí)的最大功率點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法流程圖Fig.4 Flow chart of adaptive perturbation observation based on CPA and FSCC

短路電流值可根據(jù)光照強(qiáng)度變化而改變：

因此，一旦光照強(qiáng)度確定了，根據(jù)式（12）短路電流值就確定了。對(duì)于ΔI（k）可由變步長(zhǎng)自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法［8］的 MPPT策略確定。減小 ΔI（k）可降低振蕩引起的穩(wěn)態(tài)損耗，因此電流擾動(dòng)幅值是很重要的參數(shù)，需要進(jìn)行優(yōu)化?？勺冸娏鲾_動(dòng)步長(zhǎng)ΔI（k）可根據(jù)光照強(qiáng)度變化值確定。當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，ΔI（k）可定義如下：

其中N為所需的最大迭代次數(shù)。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，根據(jù)變量 M＝0時(shí)，ΔI（k）＝ΔI（k-1）。

M＞0時(shí)：

其中m1為擾動(dòng)步長(zhǎng)的減小因子且m2＝1-m1，變量M引起在最大功率點(diǎn)附近的工作點(diǎn)的振蕩，定義如下：M＝signΔPpv1*signΔPpv2。

其中，Ppv1＝Ppv（k-1）-Ppv（k-1），Ppv2＝-Ppv（k-2）+Ppv（k-1）。為使工作點(diǎn)在MPP附近移動(dòng)，擾動(dòng)步長(zhǎng)會(huì)因m1減小而減小，如表1所示。

表1 擾動(dòng)步長(zhǎng)動(dòng)態(tài)值Tab.1 Perturbation step dynamic value

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比

3.1 仿真模型和仿真參數(shù)

MPPT控制系統(tǒng)仿真模型采樣時(shí)間為10μs，采用了定步長(zhǎng)Discrete算法。該光伏陣列開路電壓21.9 V，短路電流 4.96 A，最大功率點(diǎn)電流 4.58 A，最大功率點(diǎn)電壓17.5 V，溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000 W／m2時(shí)最大功率輸出為80 W。光照強(qiáng)度為600 W／m2最大功率輸出 48 W［9］。

為驗(yàn)證本文所提算法在提高光伏系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn)定性，溫度為25℃，將光照強(qiáng)度在0.5 s時(shí)由1 000 W／m2突變到600 W／m2，觀察 PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率。 圖6（a）為光照強(qiáng)度，圖6（b）為是本文提出的基于CPA和FSCC的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法，圖6（c）為改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法。表2表示光照突變時(shí)光伏陣列輸出功率最大波動(dòng)量和恢復(fù)穩(wěn)定輸出所需時(shí)間［10］。

圖5 MPPT控制系統(tǒng)仿真模型Fig.5 MPPT control system simulation model

圖6 PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率Fig.6 Output power of PV system under the control of two MPPT algorithms

表2 輸出功率穩(wěn)定時(shí)的最大波動(dòng)量Tab.2 Themaximum fluctuation when the output power is stable

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)光照強(qiáng)度在0.05 s時(shí)由1 000 W／m2突變到600W／m2時(shí)，本文算法對(duì)光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間僅為0.003 s，快于傳統(tǒng)改進(jìn)法，能較快的跟蹤到光照強(qiáng)度瞬時(shí)變化。由表3知改進(jìn)算法穩(wěn)態(tài)輸出功率為480W時(shí)最大波動(dòng)量達(dá)37.5%，而本文所提算法下僅為8.3%。本文所提算法最大率輸出時(shí)波動(dòng)量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)改進(jìn)算法，能很好解決功率穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的振蕩問題。

表3 系統(tǒng)參數(shù)值Tab.3 System parameter value

為驗(yàn)證本文算法引入溫度調(diào)整系數(shù)對(duì)改善系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和對(duì)外界溫度變化的敏感性，將溫度從24.25℃遞增至25.5℃，光照強(qiáng)度恒為1 000W／m2，觀察PV系統(tǒng)在兩種MPPT算法控制下的輸出功率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，如圖7。當(dāng)外界溫度從24.25℃遞增至25℃，圖7（a）中啟動(dòng)時(shí)間約為0.06 s，而圖7（b）僅為 0.04 s。圖 7（a）輸出功率低于正常最大輸出功率80 W，在0.05 s到0.15 s期間，出現(xiàn)坡底后恢復(fù)正常。而圖7（b）中輸出功率比較穩(wěn)定。可知引入溫度調(diào)整系數(shù)可改善系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和對(duì)外界溫度變化的敏感性，當(dāng)外界溫度不斷變化時(shí)，本文算法與傳統(tǒng)改進(jìn)型擾動(dòng)法相比，輸出穩(wěn)定性高，波動(dòng)較小，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。

圖7 光照強(qiáng)度為1 000W／m2，溫度變化時(shí)PV系統(tǒng)的輸出功率和輸出電壓Fig.7 Illumination of 1 000 W／m2，the temperature changes PV system output power and output voltage

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，所提出的方法可以通過FSCC進(jìn)行快速啟動(dòng)，同時(shí)引入溫度校正系數(shù)來算出最大功率點(diǎn)電壓校正值，應(yīng)對(duì)外界溫度迅速變化。工作點(diǎn)能快速接近最大功率點(diǎn)，輸出穩(wěn)定性高，波動(dòng)較小，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。啟動(dòng)完成后，結(jié)合CPA和FSCC的優(yōu)點(diǎn)，利用自適應(yīng)擾動(dòng)法調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)，可以減輕系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率振蕩。仿真結(jié)果表明，該算法能有效削弱功率振蕩現(xiàn)象。同時(shí)可快速跟蹤外界溫度和光照強(qiáng)度的變化。