自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法在光伏陣列發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

李景紅 陳 宇 王 雷 郭 培

（國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

太陽能有著資源豐富、分布廣闊和清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為各國積極研發(fā)的綠色能源。光伏電池的非線性輸出特性，使得需要研究合適的方法保證光伏陣列持續(xù)工作在最大輸出功率點(diǎn)處。目前已形成了一些常規(guī)的控制方法，例如擾動(dòng)觀察法（P＆O）、模糊控制法等［1－2］。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制周期和擾動(dòng)步長均是擾動(dòng)觀察法的重要參數(shù)，對(duì)整體的跟蹤效果有著較大影響。本文提出了對(duì)外界參數(shù)變化有著自適應(yīng)權(quán)重能力的改進(jìn)擾動(dòng)觀察法，進(jìn)而自動(dòng)選定符合需要的控制周期和擾動(dòng)步長。通過MATLAB建模仿真，驗(yàn)證了該方法能夠降低系統(tǒng)功率損耗，提高發(fā)電效率。

1 光伏陣列的輸出特性分析

在光伏陣列的實(shí)際應(yīng)用中，溫度的細(xì)微變化對(duì)陣列影響較??；而光照強(qiáng)度則可能會(huì)出現(xiàn)較大的改變，如建筑物、云層的遮擋等，且光照強(qiáng)度的變化對(duì)光伏陣列輸出有著較大的影響［3］。本文主要以外界光照強(qiáng)度變化為條件來分析光伏陣列的輸出特性。

研究使用規(guī)模為｛3×4｝的光伏陣列，即三并四串共12塊光伏組件，每個(gè)組件輸出功率均相同，其具體參數(shù)為：Pm＝100.3 W，UOC＝42.84 V，Um＝35.64 V，Isc＝3.14 A，Im＝2.81 A，參考溫度是25℃，參考光照為1 000 W／m2。為此，本文主要研究光照強(qiáng)度變化對(duì)陣列的影響，即溫度T＝25℃，分別給光伏陣列以1 000 W／m2和800 W／m2的光照強(qiáng)度，分析其P—U和I—U輸出特性。

2 自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法在MPPT控制中的應(yīng)用

2.1 控制周期和擾動(dòng)步長的選取

通常外界環(huán)境變化較為緩慢，Ta的選取不能太小，太小會(huì)引起頻繁擾動(dòng)而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)過程的交錯(cuò)，影響控制精度。下面以基于Boost電路的擾動(dòng)觀察法來說明兩個(gè)參數(shù)的量化選取。

光伏電池輸出的電流和電壓關(guān)系為：

ε足夠小的情況下，擾動(dòng)觀察MPPT算法不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)而失效的條件為：

如何選擇擾動(dòng)步長以兼顧跟蹤速度和跟蹤精度是擾動(dòng)觀察法的關(guān)鍵。選取擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)步長時(shí)，在每次采樣間隔內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)都應(yīng)該滿足條件，才可以保證在光照強(qiáng)度突變時(shí)能自適應(yīng)選擇擾動(dòng)步長ΔD：

其中，K＝6.895×10－3A·m2／W。

2.2 自適應(yīng)權(quán)重的選取

本文以3個(gè)串聯(lián)組件組成的光伏陣列為例，其分布式MPPT算法的適應(yīng)值函數(shù)表達(dá)式為：

其中，I1、I2、I3分別為3個(gè)光伏模塊的整體輸出電流，PVprog（I，S，T）為光伏模塊的輸出特性函數(shù)，給定溫度為25℃。自適應(yīng)權(quán)重的表達(dá)式如下：

式中，ωmax、ωmin分別為ω的最大值和最小值；f為粒子當(dāng)前的適應(yīng)值；favg、fmin分別為平均適應(yīng)值和最小適應(yīng)值。

3 擾動(dòng)觀察法的仿真分析

MPPT環(huán)節(jié)使用MATLAB軟件中M函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)，仿真時(shí)間為0.4 s，求解器為ode45。外界條件溫度恒定為25℃，在0.2 s光照強(qiáng)度由1 000 W／m2下降到800 W／m2，用斜坡函數(shù)表示光照變化，下降時(shí)間為0.025 s。

3.1 固定步長、不同控制周期的仿真分析

采用占空比步長為0.001，控制周期分別選取8e－5 s、5e－5 s、1e－5 s，在0.02 s的時(shí)候給系統(tǒng)一個(gè)擾動(dòng)輸入量，觀察光伏最大功率點(diǎn)跟蹤的情況。

控制周期為8e－5 s時(shí)，光照在1 000 W／m2功率時(shí)，0.07 s系統(tǒng)才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，功率振蕩較大；控制周期為1e－5 s時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度變快，0.06 s系統(tǒng)即能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，但擾動(dòng)頻率過高，對(duì)控制過程的獨(dú)立運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利影響；因此，本系統(tǒng)采用5e－5 s的控制周期，使得系統(tǒng)在0.03 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且其擾動(dòng)頻率適中，功率波動(dòng)也較小。因此必須選擇合適的控制周期，來達(dá)到滿足要求的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

3.2 固定控制周期、不同步長的仿真分析

控制周期選為5e－5 s，步長為0.000 5，在相同的外界條件下進(jìn)一步觀察光伏最大功率點(diǎn)跟蹤的情況。

由表1可知，擾動(dòng)步長為0.000 5，光照在1 000 W／m2功率時(shí)，系統(tǒng)在功率穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)較小，但系統(tǒng)在0.04 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，較小的擾動(dòng)步長也帶來了較長的跟蹤時(shí)間。分析可知步長越小，跟蹤精度越好，但跟蹤速度就很慢；步長大時(shí)，跟蹤精度變低，跟蹤速度變快。因此必須選擇合適的步長，來達(dá)到滿足要求的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

表1 同控制周期不同步長下的穩(wěn)態(tài)時(shí)間和功率振蕩率對(duì)比

3.3 自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法的仿真分析

通過前述分析可知，控制周期和擾動(dòng)步長的選取決定著擾動(dòng)觀察法的性能。控制周期Ta和擾動(dòng)步長ΔD以自適應(yīng)權(quán)重系統(tǒng)ω選定。

由表2可知，采用自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為0.02 s，功率振蕩率0.86%。對(duì)外界環(huán)境的變化響應(yīng)迅速，跟蹤速度快，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；而且穩(wěn)態(tài)誤差小，跟蹤精度高，功率振蕩小，魯棒性較強(qiáng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，采用自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法選取控制周期和擾動(dòng)步長更為有效，可提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

表2 自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法的穩(wěn)態(tài)時(shí)間和功率振蕩率

4 結(jié)語

為克服擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電MPPT過程中出現(xiàn)的功率振蕩，保證最大限度地輸出電能，本文提出自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法應(yīng)用到光伏系統(tǒng)MPPT控制中。在試驗(yàn)中模擬外界環(huán)境變化情況，運(yùn)用自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法合理地選擇控制周期和擾動(dòng)步長。由仿真結(jié)果可知，自適應(yīng)權(quán)重?cái)_動(dòng)觀察法能更加快速精確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，有效改善了系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的魯棒性。

［1］王立喬，孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：159-168.

［2］袁曉玲，陳宇，宋鵬飛，等.帶修正函數(shù)的模糊控制在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用［J］.可再生能源，2012，30（9）：16-20.

［3］胡義華，陳昊，徐瑞東，等.光伏電池板在陰影影響下輸出特性［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：123-128.