一種等比遞進(jìn)的變步長最大功率點(diǎn)跟蹤算法

張鴻博，蔡曉峰，范茜勉

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州450011；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南新鄭451191)

一種等比遞進(jìn)的變步長最大功率點(diǎn)跟蹤算法

張鴻博1，蔡曉峰2，范茜勉1

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州450011；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南新鄭451191)

針對光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的常規(guī)擾動觀察法的不足，分析了最大功率點(diǎn)跟蹤過程的特點(diǎn)，提出了一種等比遞進(jìn)的變步長最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，該方法不需整定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單，移植方便。在Matlab/Simulink下進(jìn)行了建模與仿真，結(jié)果表明該方法能有效避免跟蹤的穩(wěn)態(tài)偏差，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，且動態(tài)響應(yīng)速度快，使光伏系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

最大功率點(diǎn)；變步長；光伏發(fā)電系統(tǒng)；擾動觀察法

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高能量轉(zhuǎn)化效率，通常采用適當(dāng)?shù)淖畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)算法，使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處。國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種MPPT算法[1]，其中擾動觀察法因簡單可靠、容易實(shí)現(xiàn)和跟蹤效率高的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。但采用定步長的擾動觀察法時，存在擾動步長不易選擇、跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度難以同時保證的難題。而現(xiàn)有的變步長擾動觀察法通常需要整定一定的閥值或通過仿真實(shí)驗(yàn)確定某些關(guān)鍵參數(shù)[2-5]，實(shí)現(xiàn)不便，且由于日照不同光伏電池輸出特性變化很大，整定的參數(shù)不能適應(yīng)不同的日照環(huán)境。本文提出了一種無需整定參數(shù)、方便實(shí)現(xiàn)的變步長算法，并進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了新的變步長算法的有效性。

1 變步長算法原理

1.1 MPPT過程分析

為了便于算法原理的說明，首先對擾動觀察法MPPT過程進(jìn)行分析?？紤]到占空比擾動法控制簡單、實(shí)現(xiàn)方便，因此以占空比擾動法為原型。占空比擾動法的基本原理是如果沿某個方向擾動占空比使輸出功率增大則繼續(xù)沿該方向擾動，否則反方向擾動，則在占空比擾動法的控制下，系統(tǒng)將沿著功率增大的方向擾動，并最終在最大功率點(diǎn)附近振蕩。參照圖1光伏電池功率與占空比的關(guān)系曲線(以下簡稱P-D曲線)[3]，其振蕩的典型情形是：工作點(diǎn)從E點(diǎn)運(yùn)行到M點(diǎn)，輸出功率增加，再從M點(diǎn)運(yùn)行到F點(diǎn)，輸出功率減小；然后反方向擾動，從F點(diǎn)返回M點(diǎn)再返回E點(diǎn)，反復(fù)振蕩。

1.2 兩級式變步長MPPT算法

由于定步長的擾動觀察法存在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度難以同時保證的難題，可以設(shè)計一種兩級式變步長算法，較大步長用于日照變化時MPP跟蹤，較小步長用于在MPP附近小幅振蕩，這樣既能滿足最大功率點(diǎn)追蹤的快速性，又能保證最大功率點(diǎn)附近振蕩的穩(wěn)定性。該方法的關(guān)鍵是兩個不同等級擾動步長的切換判據(jù)。

觀察圖1不難得知，在最大功率點(diǎn)兩側(cè)，d/d的符號不同，因此，占空比擾動過程中，如果d/d發(fā)生變號，則可以判斷光伏電池運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近，為了減小功率損失，應(yīng)切換為小步長，因此可以采用d/d發(fā)生變號作為大步長切換為小步長的判據(jù)。另外當(dāng)日照穩(wěn)定時，最大功率點(diǎn)一定位于導(dǎo)致dP/dD變號的前后兩次擾動之間，如圖1，即位于E-F之間，則最大功率點(diǎn)附近的擾動必然可以在區(qū)間E-F之內(nèi)翻越最大功率點(diǎn)；換句話說，如果擾動沒有在區(qū)間E-F內(nèi)翻越最大功率點(diǎn)，則必然是日照變化等因素導(dǎo)致最大功率點(diǎn)產(chǎn)生較大偏離，超出了區(qū)間E-F，應(yīng)將擾動從小步長切換為大步長，以重新快速將工作點(diǎn)移動到最大功率點(diǎn)附近。

圖1 P-D曲線

這樣一來，大小步長擾動的切換判據(jù)就確定為：

大步長切換為小步長的判據(jù)為：dP/dD發(fā)生變號；

小步長切換為大步長的判據(jù)為：小步長擾動超出區(qū)間E-F，區(qū)間E-F指最近導(dǎo)致dP/dD變號的前后兩次擾動對應(yīng)的占空比區(qū)間。

1.3 多級變步長MPPT算法

兩級式變步長MPPT算法雖然可以實(shí)現(xiàn)變步長跟蹤，但小步長切換為大步長的判據(jù)存在以下不足：日照突變后最大功率點(diǎn)對應(yīng)占空比雖然不在區(qū)間E-F內(nèi)，但偏離也不太多，一旦將小步長一下子切換為一個大步長，有可能使工作點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)更遠(yuǎn)。為此，在小步長切換為大步長時，采用多級逐漸增大的方案更為穩(wěn)妥，與之對應(yīng)，大步長切換為小步長也采用逐級減小的方案。

這樣一來，切換判據(jù)可以確定為：

減小步長的判據(jù)及新步長算法：擾動后d/d發(fā)生變號時，新步長=當(dāng)前步長×，0<<1(為步長縮進(jìn)的比例系數(shù))；

增大步長的判據(jù)及新步長算法：擾動超出區(qū)間E-F，新步長=當(dāng)前步長×，>1(為步長增大的比例系數(shù))。

根據(jù)以上算法，當(dāng)日照穩(wěn)定時，工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩過程中，d/d反復(fù)變號，因此步長會逐漸減小，當(dāng)然不可能無限減小，應(yīng)設(shè)置一個擾動步長的下限，最終減小到此下限值時停止減小步長；當(dāng)日照劇烈變化導(dǎo)致最大功率點(diǎn)偏移較大而超出區(qū)間E-F時，擾動步長會從小步長逐漸加大步長，偏移越大，步長增大越多，從而實(shí)現(xiàn)了較好的自適應(yīng)性，當(dāng)然步長也不能無限增大，應(yīng)設(shè)置上限。

2 算法的仿真分析

為了驗(yàn)證該算法的正確性，建立了基于Boost電路的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤模型，如圖3所示。

圖3中MPPT模塊分別用定步長算法和本文提出的變步長算法來實(shí)現(xiàn)，采樣周期均取0.01 s，初始占空比均取0，定步長算法的擾動步長分別取0.01和0.001，變步長算法最小步長取0.001，最大步長取0.01，初始步長取0.001，初始日照強(qiáng)度500 W/m2，0.5 s時日照突變，對突變量分別取10和500 W/m2兩種情況，以分析算法在最大功率點(diǎn)偏移大小不同情況下的表現(xiàn)，得到的光伏電池輸出功率曲線(簡稱P-t曲線)如圖4、圖5(為了便于觀察，只給出日照突變前后的P-t曲線)。

圖2 等比遞進(jìn)變步長MPPT算法流程

圖3 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真模型

從圖4仿真波形可以看出，當(dāng)日照突變量為500 W/m2時，變步長算法在0.8 s附近達(dá)到最大功率點(diǎn)，且穩(wěn)態(tài)時跟蹤精度高。定步長算法步長為0.01時在0.75 s附近達(dá)到最大功率點(diǎn)，跟蹤速度比變步長算法快，但穩(wěn)態(tài)時跟蹤精度差；而步長為0.001時在2.8 s附近達(dá)到最大功率點(diǎn)，跟蹤精度和變步長相當(dāng)，但跟蹤速度慢，其使用的時間大約為2.3 s，近似為變步長算法的8倍。

圖4 突變量為500 W/m2的仿真波形

日照突變量為10 W/m2時，步長為0.001的定步長算法和變步長算法對應(yīng)的P-t曲線基本相同，這是因?yàn)樽畲蠊β庶c(diǎn)偏移很小，因此變步長算法步長變化也很小，且到達(dá)最大功率點(diǎn)后又快速減小為擾動步長下限(即0.001)，因此二者基本相同，所以只畫出了一幅P-t曲線，如圖5所示。

綜合以上仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，變步長算法能根據(jù)最大功率點(diǎn)的偏移量自動調(diào)整步長，偏移量小時選擇小步長，偏移量大時增大步長，同時又能在到達(dá)最大功率點(diǎn)后快速減小步長，提高跟蹤精度，較好地滿足了跟蹤速度和跟蹤精度的雙重要求。

圖5 突變量為10 W/m2的仿真波形

3 結(jié)論

(1)等比遞進(jìn)的變步長MPPT算法以dP/dD發(fā)生變號作為減小步長的判據(jù)，以擾動超出最近一次導(dǎo)致dP/dD變號的前后兩次擾動對應(yīng)的占空比區(qū)間作為增大步長的判據(jù)，該判據(jù)不依賴光伏電池的參數(shù)，不需要特別整定某些閥值或參數(shù)，算法實(shí)現(xiàn)方便；

(2)算法可以在不同的光伏電池上使用而無須改變，移植方便；

(3)算法具有較好的自適應(yīng)能力，最大功率點(diǎn)偏移較大時采用大步長追蹤，且偏移越大，步長越大，實(shí)現(xiàn)跟蹤的快速性，同時又能在到達(dá)最大功率點(diǎn)后快速縮減步長，最終以小步長在最大功率點(diǎn)附近振蕩，減少功率損失，較好地解決了跟蹤速度與穩(wěn)態(tài)跟蹤精度之間的矛盾。

[1]周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點(diǎn)控制方法綜述[J].高電壓技術(shù)，2008，34(6)：1145-1154.

[2]劉邦銀，段善旭，劉飛，等.基于改進(jìn)擾動觀察法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(6)：91-94.

[3]栗秋華，周林，劉鏹.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真[J].電力自動化設(shè)備，2008，28(7)：21-25.

[4]張超，何湘寧，趙德安.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長MPPT控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2009，43(10)：47-49.

[5]胡義華，陳昊，徐瑞東，等.一種兩階段變步長最大功率點(diǎn)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(8)：161-166.

信息產(chǎn)業(yè)部化學(xué)物理電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

信息產(chǎn)業(yè)部化學(xué)物理電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心是為社會提供檢測技術(shù)服務(wù)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)遙中心檢驗(yàn)手段先進(jìn)堯?qū)I(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)齊全袁具有一支高素質(zhì)檢測技術(shù)隊伍遙可以按照國際標(biāo)準(zhǔn)堯國家標(biāo)準(zhǔn)堯行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)袁對化學(xué)物理電源產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證檢驗(yàn)和試驗(yàn)遙信息產(chǎn)業(yè)部205計量站設(shè)在本中心袁負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)電池的校準(zhǔn)工作遙曾參加WPV淵WORD PHOTOVOLTAIC SCALE冤組織的國際太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)與性能測試比對活動袁成為世界上擁有光伏計量基準(zhǔn)標(biāo)定資格的四個試驗(yàn)室之一遙

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國家電動車輛用蓄電池測試基地

Geometric and gradual perturb step MPPT algorithm

ZHANG Hong-bo1,CAI Xiao-feng2,FAN Xi-mian1

Aiming at the shortcomings of perturb-and-observe method for photovoltaic maximum power point tracking, the process of MPPT was analyzed,and a geometric and gradual perturb step MPPT algorithm was presented. Compared with other variable step MPPT algorithm,the new algorithm had no setting parameter and had the performance of simple implementation and easy porting.Its model was established and simulated with Matlab／Simulink.Simulation results show that tracking deviation can be avoided and output efficiency can be enhanced all by the proposed MPPT algorithm.The static and dynamic performance of photovohaic power system was improved.

maximum power point;variable step;photovoltaic power system;perturb and observe method

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0533-03

2014-08-16

張鴻博(1980—)，男，河南省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電。