基于恒定電壓優(yōu)化的光伏系統(tǒng)MPPT控制方法

張新亮

（南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南通 226007）

太陽能作為一種可再生的能源已經(jīng)日益受到世界各主要發(fā)達(dá)國家的重視，而光伏發(fā)電在未來將成為解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效手段之一。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量產(chǎn)出最大化，通常會使用MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）技術(shù)來控制光伏發(fā)電系統(tǒng)。在眾多的MPPT技術(shù)中，擾動觀察（P&O）法[1]是最常使用的方法，因?yàn)樗刂平Y(jié)構(gòu)簡單，需要的測量參數(shù)較少。這種算法是通過擾動可變控制，然后比較擾動后PV電源的瞬時(shí)輸出值與之前的值，但是在MPP過程中會存在一定范圍內(nèi)的擾動和波動；擾動觀察法的另一個(gè)缺點(diǎn)是：在日照劇烈變化的情況下，有可能失去對光伏器件MPPT的控制能力。電導(dǎo)增加法[2]是根據(jù)d I/d V和I/V之間的關(guān)系來調(diào)整工作點(diǎn)電壓從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。它的原理是：在最大功率點(diǎn)（MPP）時(shí)，PV的輸出功率與電壓的微分值是零。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是在最大功率點(diǎn)處沒有波動（靜態(tài)時(shí)）。爬山法[3]也是光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤常用的方法。它很簡單，但是收斂的速度太慢。恒定電壓法是一種最簡單的最大功率跟蹤方法，其本質(zhì)就是設(shè)定一個(gè)恒定電壓，在跟蹤過程中，輸出電壓不斷跟蹤該電壓值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，但是其跟蹤效率低、輸出效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重。綜述，這些方法都存在缺點(diǎn)，很難在自然環(huán)境變化的情況下快速、準(zhǔn)確地跟蹤實(shí)際最大功率點(diǎn)。

文中提出了一種基于改進(jìn)型恒定電壓算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤策略。這種方法能夠在外部環(huán)境變化的情況下，通過對溫度、日照度、反向飽和電流進(jìn)行綜合補(bǔ)償，快速、有效的追蹤實(shí)際最大功率點(diǎn)。

1 優(yōu)化電壓MPPT算法的工作原理

恒定電壓法是一種最簡單最常用的MPPT方法，當(dāng)溫度保持恒定的情況下，光伏陣列在最大功率點(diǎn)處的工作點(diǎn)基本固定在某一個(gè)電壓值附近，即光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓Um和開路電壓Uoc存在一種近似的線性關(guān)系，兩者之間存在的線性關(guān)系可用關(guān)系式Um=k Uoc表示。其中k是一個(gè)比例常量，在照度較高的情況下，文獻(xiàn)[4]給出了一個(gè)具體的數(shù)值0.76，記為Um=0.76Uoc。當(dāng)光伏陣列的輸出電壓始終在Um值附近，就可以近似地保證光伏陣列的輸出功率在最大功率點(diǎn)附近，這種方法即為恒定電壓法。

這種控制算法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，并且不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，具有較好的穩(wěn)定性。但是由于該控制策略基于光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓和開路電壓之間的關(guān)系是近似的線性關(guān)系，存在著一定的誤差，系統(tǒng)跟蹤到的工作點(diǎn)也不是真正的最大功率點(diǎn)，會產(chǎn)生一定程度上的偏移，而且當(dāng)溫度變化較大時(shí)，產(chǎn)生的偏移會增大，所以恒定電壓法不能保證光伏陣列的輸出功率始終工作在最大功率點(diǎn)處，會使光伏陣列的效率降低，造成較大的能量損耗。

針對傳統(tǒng)恒定電壓法的缺點(diǎn)，本文通過優(yōu)化輸出電壓實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化電壓算法如下：首先，假定恒定近似優(yōu)化電壓系數(shù)為0.76，然后通過仿真找出溫度、照度、二極管品質(zhì)因子和反向飽和電流對優(yōu)化電壓系數(shù)的影響，最后確定實(shí)際的優(yōu)化電壓系數(shù)。當(dāng)然該實(shí)現(xiàn)的算法也必須首先得到光伏組件實(shí)際的n和Io值。

首先假設(shè)優(yōu)化電壓系數(shù)為K=0.76，圖1工作環(huán)境溫度為-30℃，照度由100 W/m2變化到1 kW/m2條件下得到的一組電壓和功率曲線。曲線顯示了假設(shè)優(yōu)化電壓系數(shù)K=0.76時(shí)的最大功率輸出曲線P′max，并和實(shí)際的最大功率輸出曲線Pmax進(jìn)行了比較，由圖可知該近似系數(shù)和實(shí)際系數(shù)的輸出仍有較大的誤差，該誤差受到溫度、照度、n和Io的影響，所以要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤就必須分析上述因素對優(yōu)化電壓系數(shù)的影響。

圖1 K=0.76時(shí)的輸出P′max與實(shí)際的P max輸出的比較Fig.1 P-I characteristics and draws a comparison between the P max curve and the P′max curve at K=0.76 under the known n and Io conditions

2 恒定電壓優(yōu)化算法在MPPT中的應(yīng)用

2.1 溫度的優(yōu)化補(bǔ)償

圖2顯示了同一塊光伏組件，在不同溫度情況下的Pmax和P′max曲線，由圖可知溫度對優(yōu)化輸出電壓系數(shù)有非常大的影響，即優(yōu)化電壓系數(shù)的溫度補(bǔ)償是必不可少的，通過仿真得到的溫度補(bǔ)償系數(shù)如式（1）。

圖2 在不同溫度情況下P max和P′max輸出曲線Fig.2 P maxcurve and P′max curve under different temperature conditions

2.2 日照度的優(yōu)化補(bǔ)償

圖3 顯示了同一塊光伏，在不同照度情況下的Pmax和Pm′ax曲線，由圖可知照度對優(yōu)化輸出電壓系數(shù)也有較大的影響，即優(yōu)化電壓系數(shù)的照度補(bǔ)償是必不可少的，通過仿真得到的照度補(bǔ)償系數(shù)如式（2）。

圖3 在不同照度情況下P max和P′max輸出曲線Fig.3 P maxcurve and P′max curve under different radiation conditions

2.3 反向飽和電流的優(yōu)化補(bǔ)償

圖4顯示了同一塊光伏，在經(jīng)過溫度和照度補(bǔ)償后的Pmax和P′max曲線，由圖4（a）、（b）可知，在照度相同的情況下，不同的n和Io對優(yōu)化輸出電壓系數(shù)的影響是不同的；圖4（c）、（d）可知，在溫度相同的情況下，不同的n和Io對優(yōu)化輸出電壓系數(shù)的影響也是不同的，所以優(yōu)化電壓系數(shù)的n和Io補(bǔ)償是必不可少的。通過仿真，反向飽和電流補(bǔ)償系數(shù)如式（3）所示。

圖4 經(jīng)過溫度和照度補(bǔ)償后的P max和P′max輸出曲線Fig.4 P max curve and P′max curve after temperature and radiation repair

仿真證明n對優(yōu)化電壓輸出系數(shù)沒有太大的影響，因此綜合溫度、照度和反向飽和電流值補(bǔ)償后的優(yōu)化電壓系數(shù)為式（4）所示。

Kp（V）=0.76+ΔKSj（V）-ΔKT（V）+ΔKIo（V）（4）

其中，Kp（V）為經(jīng)過綜合補(bǔ)償后得到的優(yōu)化電壓系數(shù)；ΔKSj（V）為優(yōu)化電壓的照度補(bǔ)償系數(shù)；ΔKT（V）為優(yōu)化電壓的溫度補(bǔ)償系數(shù)；ΔKIo（V）為優(yōu)化電壓反向飽和電流補(bǔ)償系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)證明

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的創(chuàng)建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖在圖5中給出。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成：光伏組件、DC/DC電路、直流負(fù)載、蓄電池、控制器等。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出具有強(qiáng)烈的非線性，受外界天氣影響較大；同時(shí)直接將光伏與負(fù)載相連接，不但不能滿足負(fù)載電壓電流需求，也不能實(shí)現(xiàn)光伏最大功率輸出，所以現(xiàn)代光伏發(fā)電系統(tǒng)一般通過控制DC/DC電路的MOSFET或IGBT的開關(guān)占空比來實(shí)現(xiàn)MPPT。本文主要討論分布式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制策略，所以負(fù)載采用直流負(fù)載[5-6]。

圖5 實(shí)現(xiàn)的MPPT控制電路Fig.5 Proposed control circuit for maximum power point tracking

本文采用TMS320LF2407A DSP來進(jìn)行控制和產(chǎn)生PWM波形，DC/DC電路采用Sepic電路作為MPPT控制電路，其開關(guān)器件的工作周期是由DSP基于恒定電壓優(yōu)化的MPPT算法計(jì)算得到的，從而使輸出功率最大化。DSP能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，控制Sepic變換器的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)在各種條件下的快速響應(yīng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在各種天氣狀況和變負(fù)載的情況下，輸出功率如圖6所示，同時(shí)和傳統(tǒng)控制方法的輸出進(jìn)行了比較。圖6（a）是照度逐漸上升和變負(fù)載的情況下的輸出；圖6（b）是照度不穩(wěn)定和變負(fù)載的情況下的輸出。由仿真得到的波形可以看出，該控制電路的輸出效率一般都超過80%，部分照度情況下輸出效率超過95%。所以這一改進(jìn)在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上明顯提高光伏輸出的效率，輸出動態(tài)特性有明顯改善，同時(shí)算法的跟蹤速度非常迅速。

圖6 在變負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)MPPT控制方法的響應(yīng)Fig.6 Proposed control scheme is responded under various load resistance conditions

4 結(jié) 論

上述的仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在恒定電壓法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了變電壓MPPT算法，通過對照度、溫度和反向飽和電流對優(yōu)化輸出電壓影響的分析，利用綜合補(bǔ)償優(yōu)化了輸出電壓。所實(shí)現(xiàn)的功率、電壓雙閉環(huán)控制方法明顯提高了光伏輸出的效率，輸出動態(tài)特性也有明顯改善，同時(shí)算法的跟蹤速度非常迅速。

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