基于改進PSA算法的光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)研究

陳仕彬++韓自奮++梁福波++拜潤卿++李養(yǎng)俊++魏喬++章云

摘 要：為了在不同環(huán)境條件下使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量，需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤，使系統(tǒng)的輸出功率最大化。對此，結(jié)合經(jīng)典的恒壓控制法提出了基于改進PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法。MPPT算法的主要組成部分包括系統(tǒng)的功率級和控制器，功率級的輸入電壓和輸入電流被用作MPPT算法的輸入，基于PSA算法的控制器則用來連續(xù)調(diào)節(jié)占空比，直到系統(tǒng)處于最大功率點。實例分析驗證表明，該方法可以更加穩(wěn)定、精確地跟蹤到最大功率點。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；占空比；改進模式搜索算法

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

由于太陽能具有取之不盡、分布廣泛的特性，所以光伏發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域脫穎而出，為了能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率的最大化，需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤。目前有很多算法可以確定系統(tǒng)的最大功率點[1-3]，如查表法、曲線擬合技術(shù)、開路電壓法、短路電流法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法等。查表法和曲線擬合技術(shù)需要很大的數(shù)據(jù)存儲空間；開路電壓法和短路電流法不適合工作條件發(fā)生變化的場合；擾動觀測法會在最大功率點附近產(chǎn)生振蕩；電導(dǎo)增量法實現(xiàn)過程比較復(fù)雜。然而盡管恒壓法能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT的基本功能并在光伏發(fā)電現(xiàn)場得以廣泛應(yīng)用，但在使用過程中無法引入外界條件參量的變化情況，難以實現(xiàn)MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法[4，5]具有很強的細搜索能力，因此將改進的模式搜索算法與恒壓法結(jié)合用于最大功率實時精確跟蹤。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、MPPT功率級、控制器、負載幾部分[6]，而最大功率點跟蹤主要由MPPT功率級和控制器來控制，對此本文首先建立功率級輸入端的模型[7， 8]，然后應(yīng)用改進的PSA算法優(yōu)化控制器使其精確改變占空比，實現(xiàn)最大功率點的穩(wěn)定跟蹤。

1 光伏組件模型及最大功率點控制

光伏組件功率級輸入端即光伏組件的輸出主要是產(chǎn)生的電流信號和電壓信號，設(shè)在參考條件下，構(gòu)建考慮太陽輻射變化和溫度影響時的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池陣列數(shù)學(xué)模型如下式：

（1）

式中，U為光伏電池陣列電壓，I為對應(yīng)的輸出電流，，，

，，

，；Sref為太陽輻射參考值，取1 kW/m2；Tref為溫度參考值，取25℃；Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um分別為最大功率點電流和電壓，為電流隨溫度變化系數(shù)，為電壓隨溫度變化系數(shù)，以上參數(shù)都在Sref、Tref條件下獲??；Rs為光伏模塊串聯(lián)電阻；S為總太陽輻射，Tc為太陽電池溫度，Ta為環(huán)境溫度，tc為電池模塊溫度系數(shù)。

當負載電阻和內(nèi)阻相等時會產(chǎn)生最大的輸出功率。由于光伏陣列產(chǎn)生的功率會隨太陽輻照度和溫度變化而變化，因此參數(shù)的變化也會引起光伏電池的輸出特性變化，可根據(jù)輸出特性實時調(diào)整負載，使其與光伏陣列內(nèi)阻相匹配，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

2 仿真實驗與分析

2.1 光伏電池功率曲線特性

實驗采用的太陽能電池板在光輻射度為1 000 W/m2，溫度為25℃的標準測試條件下的基本參數(shù)為：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A?；贛atlab/SimuLink工具箱構(gòu)建的光伏電池仿真模型如圖1所示。

由圖2（a）可知，最大功率點處電壓受光輻射度影響較小，電流值隨著光輻射度的增加而增大；由圖2（b）可知，最大功率點處電壓隨著溫度的升高而降低，電流值受溫度影響較小。

2.2 MPPT功率級和控制器

MPPT算法的主要組成部分包括系統(tǒng)的功率級和控制器，功率級為DC-DC變換器的主電路[9， 10]，通過調(diào)整IGBT的導(dǎo)通時間和輔助電路完成升降壓功能；控制器主要用于產(chǎn)生控制IGBT通斷的PWM控制信號，與功率級共同作用，調(diào)整負載與光伏陣列內(nèi)部阻值動態(tài)匹配，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。MPPT控制算法實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3中，改進的PSA算法和恒定電壓法均包含于控制器部分[11]，改進的PSA算法根據(jù)外界環(huán)境變化實時計算出最大功率點處電壓Umax作為恒定電壓法的參考電壓，從而改善了經(jīng)典恒壓法使用固定電壓值導(dǎo)致其忽略外部環(huán)境不足的問題，可大大提高最大功率點跟蹤的精確性。

2.3 改進的PSA算法

為實現(xiàn)當外界環(huán)境變化時，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)ψ畲蠊β庶c進行精確跟蹤，避免傳統(tǒng)跟蹤方法的缺點，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出效率，本文提出了基于改進的PSA算法的最大功率點跟蹤方法。其流程圖如圖4所示。其中，搜索分段數(shù)=10，電壓間隔=Uoc/，初始步長=/4，初始電壓值U（1）=[， 3， …， Uoc-]T，初始點xi=Ui（1），方向因子=[1，-1]，速度因子c1=2，終止條件=10-3，c2=2，k=1，全局比較因子=/100。

2.4 優(yōu)化控制輸出

將改進的模式搜索算法實時計算得出的最大功率點處的電壓替換恒壓控制法實現(xiàn)最大功率點跟蹤時的固定電壓值，并構(gòu)建其整體的仿真模型。其具體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于改進PSA的MPPT仿真模型

按照實際原型參數(shù)進行設(shè)定，為驗證跟蹤的效果，當系統(tǒng)從溫度25℃、光輻射度從1 000 W/m2變化為800 W/m2時，其仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，該系統(tǒng)在光輻射度變化的條件下能夠快速做出調(diào)節(jié)，使其工作在最大功率點附近，且穩(wěn)定性較好，改善了傳統(tǒng)恒壓方法無法對系統(tǒng)進行及時調(diào)整，使其工作至最大功率點的現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

為了實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的準確跟蹤，本文結(jié)合經(jīng)典的恒壓控制法提出了基于改進PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法，對光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤中功率級輸入端特性曲線和MPPT控制算法進行了深入分析，通過比較可知：

（1）最大功率點處電壓、電流值可隨光輻射度和溫度的變化而變化；

（2）可以通過外界環(huán)境變化實時計算出參考電壓，改善經(jīng)典恒壓法，進而提高最大功率點跟蹤的精確性；

（3）該系統(tǒng)在光輻射度變化的條件下能夠快速調(diào)節(jié)，始終工作在最大功率點附近，穩(wěn)定性較好。

參考文獻

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