基于擾動(dòng)觀察法的光伏電池MPPT控制算法優(yōu)化

郭世初，尹航帥，劉冬冬

(徐州工程學(xué)院 物理與新能源學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

0 引言

光伏發(fā)電如今已經(jīng)成為人類(lèi)日常生活中重要的發(fā)電方式。由于受到光照強(qiáng)度和溫度等因素，光伏組件的輸出功率實(shí)時(shí)變化。因此，光伏組件輸出功率的最大功率點(diǎn)跟蹤控制對(duì)于光伏組件的綜合效率非常關(guān)鍵。

近年來(lái)，許多MPPT算法有了較大的發(fā)展與進(jìn)步，目前較為成熟的MPPT算法有：電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法、模糊控制算法、蜂群算法等。梁宇[1]提到的擾動(dòng)觀察法由于步長(zhǎng)單一，在控制過(guò)程中會(huì)存在調(diào)制出的波形擾動(dòng)較大。楊元培等[2-3]提到的模糊控制算法解決了局部最大功率點(diǎn)的缺陷問(wèn)題，但是在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中由于算法復(fù)雜，導(dǎo)致跟蹤速度較慢。孟德越等[4-6]提到的電導(dǎo)增量法能適應(yīng)光照強(qiáng)度的快速變化，跟蹤精度較高，但是電導(dǎo)量值很小，在線(xiàn)計(jì)算量大，對(duì)傳感器的精度要求很高，實(shí)際應(yīng)用相對(duì)困難。

本文將介紹一種對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的算法，對(duì)不同階段的光伏功率曲線(xiàn)實(shí)施不同步長(zhǎng)的跟蹤控制，并對(duì)該算法和傳統(tǒng)算法進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，比較兩者的結(jié)果，從而論證本文算法的優(yōu)越性。

1 光伏電池MPPT背景介紹

1.1 最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池是發(fā)電系統(tǒng)的核心，光伏組件的輸出特性受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響具有非線(xiàn)性，在不同的光照和溫度條件下，光伏電池的輸出功率和電壓均不相同。但無(wú)論在何種光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池的輸出功率曲線(xiàn)上都會(huì)存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，如果能夠保證輸出電壓始終達(dá)到該點(diǎn)電壓，即可以保證光伏組件以最大功率輸出電能，光伏組件將以最高效率工作[7]。這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)(MPP)，而通過(guò)外接電路不斷調(diào)整光伏的輸出電壓以達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓的方法被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)[8]。

1.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法主要通過(guò)針對(duì)每一個(gè)工作點(diǎn)的不斷擾動(dòng)去分析找到一個(gè)最大的輸出功率點(diǎn)，在進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，求得各個(gè)測(cè)量點(diǎn)被擾動(dòng)后的功率數(shù)值P，將其同上次被測(cè)量點(diǎn)擾動(dòng)的功率值進(jìn)行對(duì)比，若功率值比上一次大，則繼續(xù)向該方向擾動(dòng)，若小則改變擾動(dòng)方向，重復(fù)步驟直至最優(yōu)點(diǎn)。本方法的優(yōu)點(diǎn)為跟蹤速度快，但波形震蕩較大[9]。

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法流程如圖 1所示，先從電路中采樣電壓、功率等信息，通過(guò)與上一次采樣的電壓和功率對(duì)比，得出dP和dV。若dP=0，說(shuō)明最大功率點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到，無(wú)需調(diào)整。若dP>0，則繼續(xù)按原方向擾動(dòng)來(lái)尋找MPP。即本次電壓大于上次電壓時(shí)減少電壓參考值[3]，小于上次電壓時(shí)提高電壓參考值。當(dāng)dP<0時(shí)，沿相反方向擾動(dòng)來(lái)追蹤MPP，即本次電壓大于上次電壓時(shí)增加電壓參考值，小于上次電壓時(shí)減小電壓參考值。重復(fù)該過(guò)程，使輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近[10]。

2 基本原理

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法跟蹤速度快，但是波形震蕩較大，因此選擇優(yōu)化傳統(tǒng)算法，將電壓取樣的固定步長(zhǎng)優(yōu)化調(diào)整為根據(jù)不同情況進(jìn)行取樣的變步長(zhǎng)。

通過(guò)觀察如圖 2所示的光伏輸出特性曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近的過(guò)程中，由于光伏特性曲線(xiàn)的斜率的變化，dP/dV的值也在不斷變化，因此在斜率不同時(shí)，功率曲線(xiàn)的控制策略完全不同。當(dāng)值較大時(shí)，系統(tǒng)需要快速將輸出功率逼近至最大功率點(diǎn)附近，因此需要更大的步長(zhǎng)進(jìn)行電壓控制；dP/dV逐漸減小，工作點(diǎn)逐漸靠近最大功率點(diǎn)，控制需求變化為使功率輸出曲線(xiàn)震蕩減小，波形穩(wěn)定在MPP附近，因此選擇更小的步長(zhǎng)。

圖1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法流程

圖2 光伏組件輸出特性曲線(xiàn)

如表1所示，本算法設(shè)定在功率曲線(xiàn)中最大功率點(diǎn)兩端分別設(shè)置dP/dV的微分變化參考值K1，K2，通過(guò)比較dP/dV與0，K1，K2的關(guān)系，將其劃分為4個(gè)取值區(qū)間。將不同的電壓參考值的變化值取值與4個(gè)取值區(qū)間相互對(duì)應(yīng)。

表1 電壓參考值取值

變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程如圖3所示，ΔV1，ΔV3為固定步長(zhǎng)，且步長(zhǎng)較長(zhǎng)，作用是在|dP/dV|值較大時(shí)快速高效地將功率調(diào)至最大功率點(diǎn)附近；ΔV2，ΔV4為變化步長(zhǎng)，且步長(zhǎng)較短，步長(zhǎng)為adP/dV，a為調(diào)整系數(shù)，是任意小于1的常數(shù)，作用是在輸出功率趨近于最大功率點(diǎn)時(shí)穩(wěn)定波形，減少震蕩。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證本文中設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的MPPT控制效果，使用Matlab/Simulink作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)軟件仿真模擬進(jìn)行控制效果驗(yàn)證。選取的光伏電池最大功率為410 w，開(kāi)路電壓為50.12 V，短路電流為10.45 A。分析溫度為25 ℃時(shí)，光照強(qiáng)度在0～5 s為1 000 w/m2、5～10 s為750 w/m2、10～15 s為500 w/m2時(shí)，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法與改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的輸出特性曲線(xiàn)。

如圖5所示為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的功率輸出波形，如圖6所示為改進(jìn)后的算法的功率輸出波形。固定步長(zhǎng)設(shè)置為0.02，觀察示波器輸出圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化算法后的MPPT波形震蕩明顯較少，波形穩(wěn)定，優(yōu)化控制效果良好。

圖3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程

圖4 改進(jìn)前算法功率輸出波形

圖5 改進(jìn)后算法功率輸出波形

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果，將兩組仿真中的功率輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，計(jì)算方差，可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前的傳統(tǒng)算法在光照強(qiáng)度1 000 w/m2時(shí)，輸出功率波形在2.4 s左右穩(wěn)定，取2.4～5 s的功率為樣本，樣本方差為3.925，而在光照強(qiáng)度750 w/m2時(shí), 6.884 s時(shí)功率穩(wěn)定，樣本方差為92.341，在光照強(qiáng)度500 w/m2時(shí),11.7 s時(shí)功率穩(wěn)定，樣本方差為96.189 。改進(jìn)后的算法在光照強(qiáng)度1 000 w/m2時(shí)，輸出功率波形在2.7 s左右穩(wěn)定，取2.7～5 s的功率為樣本，樣本方差為1.576，而在光照強(qiáng)度750 w/m2時(shí), 6.87 s時(shí)功率穩(wěn)定，樣本方差為55.980，在光照強(qiáng)度500 w/m2時(shí)，11.2 s時(shí)功率穩(wěn)定，樣本方差為56.384 。

對(duì)比可以得出結(jié)論。改進(jìn)后的算法在調(diào)試速度上，與改進(jìn)前算法基本相同，但是在調(diào)試出的功率上，相比傳統(tǒng)的算法明顯更加穩(wěn)定和高效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的變步長(zhǎng)觀察算法，通過(guò)Matlab/Simulink設(shè)計(jì)模擬電路，對(duì)比傳統(tǒng)算法的功率輸出波形，驗(yàn)證優(yōu)化了算法在光伏組件MPPT控制中的作用。在保證控制速度與傳統(tǒng)方法速度相近的情況下，優(yōu)化了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法控制控制精度不夠的缺點(diǎn)。