一種改進(jìn)型光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究

牛雪瑩， 張廣德， 屈紅軍， 金金

(1.青海綠能數(shù)據(jù)有限公司， 青海 西寧 810000；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司信息通信公司， 青海 西寧 810008)

0 引言

隨著人類工業(yè)文明快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)能源煤炭和石油地下儲(chǔ)備有限，而且傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境不環(huán)保，所以，近年來(lái)新能源開發(fā)和利用越來(lái)越受到關(guān)注。各類新能源范疇中，太陽(yáng)能因其取之不盡用之不竭的特點(diǎn)成為新能源的一大支柱，而光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能的最有效途徑之一，如何解開高效率利用太陽(yáng)能這個(gè)困擾，這就需要最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)控制技術(shù)[1]。

光伏MPPT技術(shù)的核心在于MPPT算法的研究和創(chuàng)新，當(dāng)下，許多光伏學(xué)者和專家對(duì)此研究層出不窮，MPPT技術(shù)日益成熟。文獻(xiàn)[2-3]中提出的改進(jìn)型電導(dǎo)增量法MPPT控制策略通過(guò)對(duì)步長(zhǎng)的實(shí)時(shí)修正解決了跟蹤精度和響應(yīng)速度之前的矛盾，但是，實(shí)際工程中，電導(dǎo)增量法存在實(shí)現(xiàn)難度大的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]所提出的一種恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法復(fù)合控制策略同樣可對(duì)穩(wěn)態(tài)精度和跟蹤速度進(jìn)行兼顧。文獻(xiàn)[5-6]所采用的牛頓插值法通過(guò)擬合曲線可近似計(jì)算出最大功率點(diǎn)位置，但是存在計(jì)算量大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7-9]所采用的模糊控制、細(xì)菌覓食算法和模糊指數(shù)趨近律等控制算法，這些智能算法控制模型較為復(fù)雜，目前多用于理論研究和實(shí)驗(yàn)室仿真層面，距離實(shí)際推廣還有一定距離。在前人研究的基礎(chǔ)之上，通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，本文針對(duì)傳統(tǒng)定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的缺陷，提出了一種可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制策略。

1 光伏電池模型和其輸出特性

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池(PV)的數(shù)學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 PV組件電路圖

PV電池的I-U關(guān)系,如式(1)。

(1)

標(biāo)準(zhǔn)情況下(S=1 000 W/m2，T=25 ℃)開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流(Im)、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓(Um)的值由光伏電池供應(yīng)商提供。如下給出簡(jiǎn)化式,如式(2)—式(4)。

(2)

(3)

(4)

1.2 PV的輸出特性

根據(jù)簡(jiǎn)化后的式(2)、式(3)和式(4)，功率-電壓(P-U)曲線、電流-電壓(I-U)曲線,如圖2所示。

(a) PV的P-U曲線

由圖2可知，當(dāng)溫度(T)和光照強(qiáng)度(S)一定時(shí)，P-U曲線是一個(gè)單峰值拋物線，存在一個(gè)MPP，且T一定時(shí)，S越大，輸出功率越大；S一定時(shí)，T越小，輸出功率越大。

2 傳統(tǒng)電導(dǎo)增量控制

擾動(dòng)觀察法，是最常用的一種控制算法之一，簡(jiǎn)稱P&O控制算法。擾動(dòng)觀察法工作原理是周期性地給PV輸出電壓施加一個(gè)擾動(dòng)(ΔU)，并且判斷下一個(gè)時(shí)刻的功率變化情況，如果下一時(shí)刻的功率增大，則擾動(dòng)方向正確且繼續(xù)保持此方向不變，反之，則換向擾動(dòng)，如此循環(huán)，直到追到最大功率點(diǎn)為止。P&O的工作流程,如圖3所示。

傳統(tǒng)P&O算法的局限性在于步長(zhǎng)ΔU選擇困難問(wèn)題。如果步長(zhǎng)太大，待光伏系統(tǒng)穩(wěn)定后可能造成穩(wěn)態(tài)震蕩問(wèn)題，從而降低了能量轉(zhuǎn)換效率；如果步長(zhǎng)選擇太小，則會(huì)造成跟蹤速度緩慢，在外界環(huán)境突變時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能下降，表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍。

圖3 P&O控制流程圖

3 改進(jìn)型MPPT控制策略

為了解決定步長(zhǎng)擾動(dòng)法的動(dòng)靜態(tài)矛盾問(wèn)題，這里提出了一種改進(jìn)型變步長(zhǎng)MPPT控制策略。

由圖3的光伏曲線可知，當(dāng)Pk-Pk-1>0時(shí)，實(shí)際工作點(diǎn)位于MPP的左側(cè);當(dāng)Pk-Pk-1<0時(shí)，實(shí)際工作點(diǎn)位于MPP的右側(cè);當(dāng)Pk-Pk-1=0時(shí)，實(shí)際工作點(diǎn)已經(jīng)位于MPP點(diǎn)。本改進(jìn)型算法根據(jù)功率的變化可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)跟蹤步長(zhǎng)，以λ=β|(Pk-Pk-1)/Pk|為步長(zhǎng)，其控制流程圖,如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型P&O算法流程圖

其中,圖4的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子β的值可以由abs(ΔP)的大小按式(5)關(guān)系確定,如式(5)。

(5)

從圖4流程可以看出，相對(duì)傳統(tǒng)定步長(zhǎng)擾動(dòng)法而言，新型P&O算法可以根據(jù)實(shí)際工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，當(dāng)離MPP較遠(yuǎn)的時(shí)候，計(jì)算出一個(gè)較大步長(zhǎng)進(jìn)行追蹤，用來(lái)加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；當(dāng)離MPP較近時(shí)，計(jì)算出一個(gè)小的擾動(dòng)步長(zhǎng)，來(lái)精確定位MPP，用來(lái)防止穩(wěn)態(tài)震蕩；當(dāng)追到MPP時(shí)，步長(zhǎng)此時(shí)為0，如此循環(huán)。

4 基于改進(jìn)型MPPT控制策略Simulink平臺(tái)仿真

在Simulink平臺(tái)上搭建基于復(fù)合MPPT控制策略的仿真模型，參數(shù)設(shè)置具體如下：Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃；C1=145 uF，C2=420 uF，L=20 mH，R=40 Ω；S=1 000 W/m2，T=25 ℃時(shí)，Pmax=150.12 W，Uoc=25.37 V，Um=20.17 V，Isc=8.12 A，Im=7.44 A；設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，基于改進(jìn)型MPPT控制策略總體Simulink平臺(tái)仿真模型,如圖5所示。

圖5 基于改進(jìn)型P&O算法的Simulink總體模型圖

在Simulink仿真平臺(tái)上，當(dāng)T=25 ℃時(shí)，S變化設(shè)置為：0～0.5 s，S=1 000 W/m2；0.5～1 s，S=400 W/m2。傳統(tǒng)的P&O算法和改進(jìn)型P&O算法控制條件下的輸出功率,如圖6、圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)P&O算法控制條件下的輸出功率

圖7 改進(jìn)型P&O算法控制條件下的輸出功率

由圖6可知，在初始啟動(dòng)階段，傳統(tǒng)P&O算法到達(dá)穩(wěn)態(tài)用時(shí)約為0.066 s，動(dòng)態(tài)特性略差，在t=0.5 s時(shí)刻，S=1 000 W/m2突變S=400 W/m2，跟蹤到新的穩(wěn)態(tài)用時(shí)為0.081 s，待穩(wěn)定后，輸出功率存在明顯震蕩，震蕩范圍79.90～76.13 W之間波動(dòng)，震蕩幅度相對(duì)較大，造成了能量流失；通過(guò)圖7可以看出，采用改進(jìn)型P&O算法，啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)用時(shí)僅僅為0.048 s，較傳統(tǒng)P&O算法微快，同樣在t=0.5 s時(shí)，S=1 000 W/m2突變?yōu)镾=400 W/m2，到新的穩(wěn)態(tài)用時(shí)僅僅為0.040 s，明顯速度快于傳統(tǒng)P&O算法，且在穩(wěn)態(tài)時(shí)功率波動(dòng)較小，輸出功率此時(shí)范圍在80.02～79.38 W之間，震幅很小，震蕩現(xiàn)象不明顯，功率基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)型P&O算法在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度兩方面都優(yōu)于傳統(tǒng)算法，具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。

5 總結(jié)

本文提出改進(jìn)型P&O控制策略，解決了穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性不可同時(shí)兼顧的矛盾，具有快速應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化的反應(yīng)能力，且震蕩較小，有利于提高能量利用率；Sinulink仿真驗(yàn)證了改進(jìn)型算法的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中易于實(shí)現(xiàn)，模型清晰簡(jiǎn)約，具有良好的推廣應(yīng)用前景。