光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤研究

馮佩云 馮俊青 段小匯

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，越來越多的可再生能源開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖測試基站中引入太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)為確保系統(tǒng)在野外環(huán)境下的可靠供電，提出一種新型的MPPT跟蹤方法。該方法針對(duì)擾動(dòng)觀察法存在的最大功率點(diǎn)附近震蕩問題引入變步長參數(shù)，使系統(tǒng)能夠快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，并在最大功率點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)行;針對(duì)因環(huán)境變化劇烈造成的錯(cuò)誤跟蹤情況，引入功率預(yù)測法，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能。最后在仿真環(huán)境下對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：新型的MPPT跟蹤方法具有較快的跟蹤速度與較高的穩(wěn)態(tài)精度，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;最大功率點(diǎn)跟蹤;功率預(yù)測;變步長

Research on Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Power Generation System

FENG Pei?yun， FENG Jun?qing， DUAN Xiao?hui

（School of Electrical Engineering， Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224001， China）

Abstract：With the improvement of the society， more and more renewable energy is applied to agricultural production. Solar photovoltaic power generation systems are introduced into aquatic observation base stations. In order to ensure reliable power supply in the field， a new MPPT tracking method is proposed in this article. In this method， in view of the problem of turbulence near the maximum power point， a variable step size parameter is introduced， which enables the system to quickly track the maximum power point and run stably near the maximum power point. Aiming at the error tracking caused by severe environmental changes， power prediction is introduced. Thus， the system has better dynamic performance. Finally， the new method is verified in the simulation environment. Results show that the new MPPT tracking method has faster tracking， higher steady?state accuracy， which proves the method can adapt to the complex working environment.

Key Words：photovoltaic power generation; maximum power point tracking;power prediction;variable step size

0?引言

我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，近年來養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]，但由于養(yǎng)殖方式落后，養(yǎng)殖水體污染日趨嚴(yán)重，再加上極端天氣頻現(xiàn)，導(dǎo)致養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)越來越高。因此，智能養(yǎng)殖測試基站應(yīng)運(yùn)而生[2]?；陴B(yǎng)殖環(huán)境的特殊性，傳感節(jié)點(diǎn)通常設(shè)置于戶外且分布比較離散，通過市電供電有很大困難，若選用光伏電池為整個(gè)裝置提供電源，由于光照及溫度等影響因素，將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的功率損失，影響傳感節(jié)點(diǎn)的正常檢測與傳輸。

為了高效地利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，需要對(duì)光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）[3]，而為了提高最大功率點(diǎn)跟蹤效果，目前的主要解決方法分為傳統(tǒng)算法與智能算法[4]。野外環(huán)境變化較快，最大功率點(diǎn)也隨之快速移動(dòng)，使得跟蹤難度加大。傳統(tǒng)算法無法及時(shí)有效地找到功率最大值，而智能算法雖然收斂速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)，但其參數(shù)設(shè)置對(duì)于經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)算方面依賴性較強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中不具有普適性。因此，在對(duì)各種算法進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，提出一種新型擾動(dòng)觀察法，解決了傳統(tǒng)算法跟蹤速度慢或?qū)o定擾動(dòng)錯(cuò)誤跟蹤，以及智能算法計(jì)算量大等問題。最后，搭建了基于Boost電路的MPPT系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性。

1?光伏電池等效模型及輸出特性

1.1?光伏電池等效模型

光伏電池（太陽能電池板）可以將太陽輻射的光能轉(zhuǎn)化為人類所需電能，其模型可等效為：一個(gè)電源與一個(gè)二極管并聯(lián)，再串聯(lián)與并聯(lián)上其內(nèi)部等效電阻[5]。等效電路如圖1所示。

圖1中，二極管為光伏電池內(nèi)部等效PN結(jié)，?I?VD?為無光照條件下PN產(chǎn)生的總擴(kuò)散電流，此時(shí)光伏電池可當(dāng)作普通二極管;?I?ph為光伏電池受光照后激發(fā)產(chǎn)生的電流，其大小及光照強(qiáng)弱與光伏板面積成正比，I?ph?值大約為16～30mA/cm?且隨著溫度上升而線性上升;?R?sh為光伏電池內(nèi)部等效并聯(lián)電阻，大小正常為幾千歐，其一般是由光伏板內(nèi)部晶體硅形成的;I?sh為等效并聯(lián)電阻上通過的電流，一般比較小;R?sl為光伏板內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，大小只有零點(diǎn)幾歐姆，其是由光伏板外部結(jié)構(gòu)形成的，I?0為光伏電池輸出電流。從圖中可以得出[6]：

將式（2）、式（3）代入式（1）可以得出：

式（4）中，I?s為光伏電池的逆向飽和電流，q=1.6×10-19C，n為二極管品質(zhì)因子，K為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T為光伏電池表面溫度。U?o、I?s兩個(gè)參數(shù)與光伏板內(nèi)部半導(dǎo)體材料有關(guān)，其大小一般為常數(shù)，且不受光照、溫度等外部環(huán)境影響。

1.2?光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出電能是由光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化而來，利用MATLAB對(duì)光伏電池輸出特性進(jìn)行仿真，在溫度恒定不變的條件下，光伏電池在不同光照條件下的P-V特性曲線如圖2所示。由圖中可以看出，隨著光照輻射的增強(qiáng)，光伏電池的輸出功率變大，且存在單峰值。

在光照恒定不變的條件下，光伏電池在不同溫度條件下的P-V特性曲線如圖3所示。隨著溫度的變化，光伏電池輸出量之間存在典型的非線性關(guān)系[7]。在輸出電壓較低時(shí)，功率隨著溫度升高而小幅提升，在輸出電壓較高時(shí)，功率隨著溫度的升高而降低。

將在不同溫度、光照等環(huán)境因素下的輸出特性進(jìn)行對(duì)比可以看出，無論在哪種情況下，光伏板的輸出功率都存在一個(gè)極值，即最大輸出功率點(diǎn)。

2?MPPT原理與分析

2.1?光伏電池MPPT原理

根據(jù)上述光伏電池輸出特性曲線可知，在不同的光照強(qiáng)度及溫度下，光伏電池輸出功率只有一個(gè)最大值。在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場，傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣、維護(hù)困難，且電源對(duì)供電可靠性要求較高，因此其對(duì)太陽能的高效利用有著迫切需求，即能夠快速、穩(wěn)定地尋找到光伏電池的最佳工作狀態(tài)，尋求最大功率點(diǎn)輸出[8]。利用各種控制方法實(shí)現(xiàn)光伏板輸出最大功率的技術(shù)稱為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。圖4給出了光伏電池工作時(shí)的簡單等效電路。

由圖4可以看出，要使光伏電池的輸出功率最大，也即使負(fù)載R?0的獲得功率最大。R?0的功率表達(dá)式為：P?o=I＼+2?oR?o=U?iR?i+R?o＼+2R?o，對(duì)R?o求導(dǎo)可得：dP?odR?o=U＼+2?iR?i-R?o（R?i+R?o）。因此，得到當(dāng)dP?od?R?o=0時(shí)，輸出功率最大，即：R?i=R?o。

由以上分析可知，當(dāng)調(diào)整負(fù)載電阻等于光伏電池內(nèi)阻時(shí)，光伏電池輸出最大功率。MPPT控制一般是由DC-DC電路實(shí)現(xiàn)的，即：通過調(diào)整開關(guān)管占空比對(duì)DC/DC電路等效內(nèi)阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。

2.2?光伏電池MPPT分析

在MPPT控制常用的DC/DC變換電路中，Boost電路具有更高的轉(zhuǎn)換效率，更有利于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。本文選擇Boost電路作為MPPT控制電路，根據(jù)Boost電路原理可知，在理想狀態(tài)下，其輸入、輸出關(guān)系為：

而Boost電路輸入電阻為：

根據(jù)功率平衡可得：

由公式（5）～（7）可得：

由公式（8）得出，通過調(diào)節(jié)占空比?D?，即可改變Boost電路輸入電阻，如果使其恰好等于光伏電池等效內(nèi)阻，則光伏電池可輸出最大功率[9]。

3?常見MPPT控制方法

目前，MPPT的控制方法較多，其中傳統(tǒng)控制算法有：定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測法及電導(dǎo)增量法[10]。該類算法主要是實(shí)時(shí)采集光伏電池的電壓與電流值并通過MPPT控制算法實(shí)現(xiàn)控制[11]，輸入條件是養(yǎng)殖水塘光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，且控制算法相對(duì)簡單，理論較為成熟，實(shí)際應(yīng)用也最為廣泛[12]。

3.1?定電壓跟蹤法（CVT）

由圖2可得，在溫度一定的條件下，隨著光照的增強(qiáng)，光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)集中于一條垂直線兩側(cè)。因此，光伏電池最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的工作電壓幾乎一致，只需將光伏電池的工作電壓穩(wěn)定在某一固定值，光伏電池的輸出將接近最大功率，這種簡單的方法稱為定電壓跟蹤法[13]。定電壓跟蹤法是一種開環(huán)MPPT控制方法，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)要求不高，實(shí)現(xiàn)較為容易，但該控制方法未考慮溫度影響，在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場，環(huán)境溫度變化較大，因而控制精度較差。

3.2?擾動(dòng)觀察法（P&O）

擾動(dòng)觀察法是一種應(yīng)用較為廣泛的MPPT控制算法，其主體思想是：對(duì)光伏電池某個(gè)參數(shù)給定一個(gè)小幅擾動(dòng)，觀察光伏電池輸出功率變化，以決定下一步電壓、電流的方向[14]，最終使光伏電池的輸出功率落在最大功率點(diǎn)。擾動(dòng)觀察法由于算法思路通俗易懂、控制方式簡單、需要測量的參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)在MPPT控制中應(yīng)用較多，但當(dāng)系統(tǒng)追蹤到最大功率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)因擾動(dòng)影響而在最大功率點(diǎn)附近震蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，而且當(dāng)環(huán)境因素變化較快時(shí)容易引起誤判，導(dǎo)致MPPT跟蹤算法失效。

3.3?電導(dǎo)增量法（ICM）

電導(dǎo)增量法本質(zhì)也是在不同情況下增大或減少系統(tǒng)控制量（電壓、電流等），以達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤的目的[15]，不同之處在于其是根據(jù)光伏電池U-P曲線的dP/dU變化情況判斷是否工作在最大功率點(diǎn)。采用電導(dǎo)增量法能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，且算法波動(dòng)較小。但其對(duì)系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求較髙，且計(jì)算量較大，對(duì)傳感器精度與硬件要求也較高，因此系統(tǒng)成本較高，算法計(jì)算過程也較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用受到限制。

除上述傳統(tǒng)算法外，還有基于現(xiàn)代控制理論的人工智能控制法，如模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[16?17]，但這類算法對(duì)系統(tǒng)硬件要求更高，且計(jì)算量龐大，不適合應(yīng)用于實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中[18?19]。

4?新型MPPT控制算法

通過上文對(duì)MPPT控制算法的介紹，根據(jù)對(duì)各算法的理論分析及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比各算法的響應(yīng)能力、穩(wěn)態(tài)時(shí)跟蹤效率、控制難易程度等指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可知，擾動(dòng)觀測法由于擾動(dòng)的作用，系統(tǒng)存在最大功率點(diǎn)附近震蕩現(xiàn)象，且在實(shí)際環(huán)境光強(qiáng)變化劇烈的情況下會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤跟蹤，造成較大的功率損失，甚至出現(xiàn)程序控制運(yùn)行中的失序。如圖5所示，假設(shè)在前一時(shí)刻，對(duì)系統(tǒng)工作光強(qiáng)較低的①點(diǎn)增加擾動(dòng)量，觀察功率變化情況，此時(shí)光強(qiáng)急劇增大，使光伏電池特性曲線變?yōu)?x?2?，系統(tǒng)工作于②點(diǎn)。通過比較可得，隨著功率增大，系統(tǒng)認(rèn)為擾動(dòng)方向正確，則會(huì)繼續(xù)增大向右的擾動(dòng)，如果光強(qiáng)繼續(xù)增加，工作點(diǎn)則越來越偏離最大功率點(diǎn)。

基于上述分析，對(duì)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)最大功率點(diǎn)附近的震蕩問題引入變步長參數(shù)?λ（k）。λ（k）=ε?|Δ?P|，ε為常數(shù)，λ（k）決定功率變化步長。當(dāng)功率變化較大時(shí)，步長也較大，可以快速跟蹤最大功率點(diǎn);當(dāng)功率變化較小時(shí)，步長較小，可以保證功率穩(wěn)定性。另設(shè)置功率變化的最小閾限值e，|ΔP|<e?時(shí)，此時(shí)對(duì)參考電壓不作調(diào)整;當(dāng)|Δ?P|>e時(shí)，任務(wù)系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)，需要重新計(jì)算步長。

針對(duì)擾動(dòng)方向誤判的問題，引入功率預(yù)測法。即：當(dāng)采樣頻率較高時(shí)，假定一個(gè)采樣周期中光強(qiáng)變化恒定，在kT時(shí)刻，測得電壓U?k，功率P（k），此時(shí)不對(duì)參考電壓施加擾動(dòng)。在kT后半個(gè)采樣周期（k+1/2）T，測得功率P（k+1/2），由于前半采樣周期的光強(qiáng)變化量與后半采樣周期的光強(qiáng)變化量相同，可預(yù)測得知（K+1）T時(shí)的功率為P′（k）=2[P（k+1/2）-P（k）]+P（k），在此時(shí)施加擾動(dòng)λ（k）。在（K+1）T時(shí)，測得功率為P（k+1），此時(shí)P（k+1）和P′（k）是在同一光強(qiáng)下施加擾動(dòng)前后的兩個(gè)工作點(diǎn)，根據(jù)兩個(gè)功率判斷擾動(dòng)方向以跟蹤最大功率點(diǎn)，具體流程如圖6所示。

5?新型MPPT控制算法仿真

根據(jù)以上對(duì)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法的研究，搭建基于Boost電路的MPPT系統(tǒng)仿真模型[20]。如圖7所示，仿真參數(shù)設(shè)置為：溫度為25℃，開路電壓?U?OC?=22V，短路電流?I?SC?=8.58A，最大功率點(diǎn)電壓?U?m?=17.7V，最大功率點(diǎn)電流?I?m?=7.94A。仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8（a）可知，初始時(shí)刻光伏電池輸出功率在出現(xiàn)較大震蕩后逐步趨于平穩(wěn)，在0.05s附近系統(tǒng)完成最大功率點(diǎn)跟蹤，并保持在140.5W左右。由此說明算法跟蹤精度高，在最大功率點(diǎn)處并無明顯振蕩，顯示出良好的穩(wěn)態(tài)性能。在圖8（b）中，t=0.3s時(shí)，設(shè)置光強(qiáng)從500W/m?2突變?yōu)? 000W/m?說明在外界環(huán)境突變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速完成最大功率點(diǎn)跟蹤，顯示出較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

6?結(jié)語

在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖需求下，由于光照及溫度等因素影響，使測控基站產(chǎn)生較大功率損失。為了高效利用太陽能發(fā)電，本文提出一種新型的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，引進(jìn)變步長參數(shù)解決了最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)大的問題，同時(shí)運(yùn)用功率預(yù)測法解決了功率跟蹤中的“誤判”現(xiàn)象。仿真研究表明，系統(tǒng)顯示出較好的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能，能夠很好地適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

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