基于閉環(huán)控制的光伏系統(tǒng)MPPT要點(diǎn)綜述

摘 要：擾動觀察法和電導(dǎo)增量法是目前最常用的兩種閉環(huán)控制最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，文章先對光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析，接著基于擾動觀察法和電導(dǎo)增量法，對這兩種閉環(huán)MPPT算法要點(diǎn)進(jìn)行分析，最后指出存在問題并提出優(yōu)化的探討，具有一定的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；MPPT；振動觀察法；電導(dǎo)增量法

引言

光伏系統(tǒng)中，如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，以使照到地面上的太陽光子的能量盡可能被吸收轉(zhuǎn)換成電能，從而對發(fā)展清潔能源、降低不可再生能源的消耗和碳排放，具有十分重要的意義，而由此產(chǎn)生的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking， 即MPPT）跟蹤技術(shù)也成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一個重要方向。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是指根據(jù)環(huán)境和負(fù)載的變化，采用一系列硬件設(shè)備和配套軟件控制方法，通過控制太陽能光伏發(fā)電模塊輸出電壓和輸出電流，使輸出功率始終保持在光伏模塊最大輸出功率曲線上，從而最大限度發(fā)揮太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率，這對提高光伏系統(tǒng)的單位面積功率密度和降低投資成本具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)表明，光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性隨環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度以及負(fù)載變化而變化，為非線性關(guān)系，這些變化規(guī)律能通過PV（Photovoltaic，光伏）的系統(tǒng)狀態(tài)（PV電池端口電壓Upv和電流Ipv）形成控制信號。傳統(tǒng)的MPPT方法可分為開環(huán)和閉環(huán)MPPT方法，而最常用的閉環(huán)MPPT基本方法包括電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance，INC）和擾動觀察法（Perturbation and Observation Method）。基于擾動觀察法和電導(dǎo)增量法的研究方法的選擇上，據(jù)國內(nèi)期刊文獻(xiàn)顯示，有文獻(xiàn)[1]基于擾動觀察法和短路電流法對MPPT進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[2]利用單片機(jī)檢測PV端口電壓實(shí)現(xiàn)對天氣變化的擾動法MP

PT研究，文獻(xiàn)[3]采用零均值電導(dǎo)增量法進(jìn)行MPPT跟蹤的研究，文獻(xiàn)[4]應(yīng)用電導(dǎo)增量法對MPPT跟蹤的研究等；文章先對光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析，接著基于擾動觀察法和電導(dǎo)增量法算法，對MPPT跟蹤要點(diǎn)進(jìn)行分析，然后指出存在問題并進(jìn)行優(yōu)化探討，最后形成結(jié)論。

1 光伏陣列的輸出特性分析

1.1 光伏陣列的電路模型[3]

太陽能光伏陣列是利用晶體半導(dǎo)體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢（光生伏特效應(yīng)），從而產(chǎn)生電能帶動負(fù)載或?yàn)樾铍姵爻潆?。其電池電路模型如圖1所示。

圖1中：I為輸出電流，Iph為光伏模塊的光生電流，ID為暗電流， Rs為內(nèi)阻，Ish為旁路電流，Rsh為并聯(lián)旁路電阻，U為開路電壓，其接負(fù)載RL后為負(fù)載端電壓URL。

輸出負(fù)載RL上的電壓、電流關(guān)系式為：

式中：K，q分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電荷量；A為太陽能板的理想因數(shù)，可取A=1.5；T為光伏面板的溫度；Isat為太陽能電池內(nèi)部等效二極管的P-N結(jié)的逆向飽和電流。

1.2 光伏陣列的輸出特性

從以上光伏陣列電路模型分析可知，太陽能電池陣列的輸出參數(shù)（輸出電流、開路電壓等）是一個隨光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載等因素變化的變量。圖2為太陽能電池在幾種測試條件下，即光照強(qiáng)度分別為1000W/m2、600W/m2、200W/m2，溫度T=25℃時的典型輸出特性。由圖2光伏電池輸出特性曲線可知，光伏電池在輸出電壓較低時，其輸出電流變化很小，可視為一個直流的恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化，在變化過程中存在一個最大值，即最大功率點(diǎn)，如圖2所示。

2 光伏電池模塊MPPT[6]

圖3為PV電池在一定光照條件下的負(fù)載曲線和輸出特性曲線的I-U圖，由圖可見，負(fù)載線與光伏電池輸出特性曲線交于a點(diǎn)，工作點(diǎn)隨光伏模塊的I-U特性和負(fù)載線的變化而變化，工作點(diǎn)不同，光伏電池輸出功率也不同。在不同的負(fù)載和環(huán)境條件下，按Pm=Um·Im輸出值最大來調(diào)整負(fù)載阻抗，使得Um·Im≈U1·I1，使光伏電能得到最大利用，從而實(shí)現(xiàn) MPPT 的控制。由圖3可知，當(dāng)只考慮光伏電池時，系統(tǒng)輸出的最大功率點(diǎn)取決于光伏模塊Imax和Umax的交點(diǎn)，若將光伏電池通過變換器與負(fù)載連接，其工作點(diǎn)則由負(fù)載限定。當(dāng)負(fù)載不可調(diào)節(jié)時，光伏電池運(yùn)行在a點(diǎn)，該點(diǎn)的輸出功率小于最大功率點(diǎn)（MPP）的輸出功率。當(dāng)負(fù)載可調(diào)節(jié)時，通過檢測光伏電池的輸出U、I，計(jì)算出光伏電池輸出功率，再根據(jù)dP/dU調(diào)整Boost升壓變換器的占空比D，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，從而將負(fù)載電壓調(diào)節(jié)至 （U1+ΔU）處，使負(fù)載功率從a點(diǎn)右移到（a+Δa）點(diǎn)。而（a+Δa）點(diǎn)與光伏電池的MPP曲線在同一條等功率線上，此時光伏電池的輸出功率最大。當(dāng)外界環(huán)境變化時，仍然可通過不斷調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)光伏電池與 Boost 升壓變換器之間的動態(tài)負(fù)載匹配，從而實(shí)時獲得光伏電池的最大輸出功率。

3 擾動觀察法和電導(dǎo)增量法MPPT跟蹤策略要點(diǎn)分析[6][7]

3.1 擾動觀察法MPPT跟蹤策略要點(diǎn)

擾動觀察法通過改變光伏模塊的輸出電壓，通過控制器施加一定的擾動增量△U，得到光伏電池在擾動下的實(shí)時輸出功率，然后將其和上一采樣時刻的功率相比較。若大于上一時刻功率，則維持原來電壓擾動的方向；若小于上一時刻功率，則施加反向擾動電壓。這樣確保了光伏電池的輸出電壓向著輸出功率增大的方向變化，從而實(shí)現(xiàn) MPPT。圖4 為光伏電池輸出功率對電壓的P-U曲線。由圖可知，在MPP處的功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零；在MPP左邊導(dǎo)數(shù)為正，在MPP右邊導(dǎo)數(shù)為負(fù)。

dP/dU可表示為[6]：

式中：I/U，△I/△U 分別為電導(dǎo)和增量電導(dǎo)。

通過判斷 I/U+△I/△U 值來確定擾動的方向。當(dāng) I/U+△I/△U>0，增大光伏模塊的電壓；當(dāng) I/U+△I/△U=0 時，維持光伏模塊不變，當(dāng) I/U+△I/△U<0時，減小光伏模塊電壓，從而實(shí)現(xiàn) MPPT。

振動觀察法算法程序框圖如圖5所示。

3.2 電導(dǎo)增量法（INC法）MPPT跟蹤策略要點(diǎn)[3]

電導(dǎo)增量法是一種以控制、調(diào)整光伏電池的輸出電壓進(jìn)行MPPT的方法，它通過比較光伏電池的電導(dǎo)和瞬間電導(dǎo)來改變輸出電壓參數(shù)，從而使工作點(diǎn)工作在光伏電池的最大輸出功率曲線上，其算法的數(shù)學(xué)模型為：

即在最大功率點(diǎn)有：

其算法程序流程圖如圖6所示。

圖6中，U0、△U分別為光伏電池輸出電壓初值和增量；dI和dU 分別為光伏電池兩次采樣讀取的電流差值和電壓差值；U（i）和I（i）分別為光伏電池統(tǒng)第i次采樣的輸出電壓值和電流值。

4 存在問題與優(yōu)化探討

4.1 擾動觀察法

擾動觀察法雖然具有計(jì)算簡單，無需PV電池模塊的具體參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在跟蹤響應(yīng)速度慢，穩(wěn)態(tài)情況下，由于不可避免的輸入誤差，會造成光伏模塊的實(shí)際工作點(diǎn)在MPP附近振蕩、波動，造成功率損失，而且在光照強(qiáng)度變化快的情況下會背離實(shí)際最大功率點(diǎn)的變化方向，造成振蕩過大跟蹤失敗。

為避免上述反應(yīng)速度慢、效率低及工作點(diǎn)波動過大等不利情況，實(shí)踐中應(yīng)考慮對傳統(tǒng)的擾動觀察法進(jìn)行改進(jìn)，以提高其精度和穩(wěn)定性。例如，將光伏系統(tǒng)輸出參數(shù)的采樣信號通過DSP控制器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，充電電路采用變換器調(diào)制。利用DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時采集計(jì)算PV系統(tǒng)的輸出功率，通過調(diào)節(jié)電壓波型的占空比，控制變換器的半導(dǎo)體功率管開關(guān)時間，調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載的等效阻抗與太陽能板的內(nèi)阻相匹配，從而使太陽能板輸出最大功率?；蚪Y(jié)合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

4.2 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法通過比較光伏模塊的電導(dǎo)和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號，能減小跟蹤的穩(wěn)態(tài)振蕩，精度較擾動法精確，響應(yīng)速度較快，在溫度和（或）光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，輸出電壓能以平衡的方式跟蹤其變化。但是，該方法計(jì)算復(fù)雜，對參數(shù)檢測精度要求高，當(dāng)受到噪聲、測量誤差和數(shù)字控制量化誤差時，該方法也無法避免最大功率點(diǎn)附近的振蕩，特別是當(dāng)外界環(huán)境變化劇烈時。

為避免上述環(huán)境影響和輸入誤差所帶來的振蕩，實(shí)踐中應(yīng)考慮對傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法進(jìn)行改進(jìn)，以提高其精度和穩(wěn)定性。例如，采用零均值電導(dǎo)增量法[3]，或結(jié)合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

太陽能光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性為非線性關(guān)系，輸出特性隨外界溫度、光照和負(fù)載的變化而變化。擾動觀察法和電導(dǎo)增量法是目前最常用的閉環(huán)控制最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的兩種方法，其中擾動觀察法雖然具有計(jì)算簡單，無需PV電池模塊的具體參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)單一的擾動觀察法存在跟蹤響應(yīng)速度慢，穩(wěn)態(tài)情況下，會造成實(shí)際工作點(diǎn)的振蕩、功率損失甚至跟蹤失敗，因此實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)優(yōu)化算法，例如，引入DSP控制器或單片機(jī)控制調(diào)節(jié)PMW波占空比，或與其它算法結(jié)合采取綜合控制。與擾動觀察法相比，電導(dǎo)增量法具有更小的穩(wěn)態(tài)振蕩，和更優(yōu)的精度，響應(yīng)速度較快，但該方法對參數(shù)檢測精度要求高，當(dāng)受到噪聲、測量誤差和數(shù)字控制量化誤差時，也無法避免最大功率點(diǎn)附近的振蕩，因此實(shí)際應(yīng)用時也應(yīng)優(yōu)化算法，例如，采用零均值電導(dǎo)增量法，或結(jié)合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

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