一種變步長擾動觀察法的光伏最大功率跟蹤技術的研究

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(三江學院機械與電氣工程學院,江蘇 南京 210012)

1 引言

在當今世界能源危機以及各國大力倡導新能源開發的大背景下，太陽能的利用越來越受到重視。而光伏發電就是太陽能利用的重要形式，并且隨著研究的不斷深入和技術的不斷提高，光伏發電將成為最有潛力的發電技術之一，這一觀點已成為全世界的共識。光伏發電是利用光伏電池接將太陽能轉換為電能。與常規發電技術(水力發電、火力發電等)和其他綠色發電技術(風力發電、地熱發電等)相比較，光伏發電有以下優勢[1]：

(1)太陽能取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽能比人類生產生活實際消耗大6000倍；且光伏發電安全可靠，能避免能源危機以及煤、石油等燃料市場不穩定因素的沖擊。

(2)任何地方都有太陽能，因此，太陽能不像煤炭、石油等能源一樣需要運輸，更不會被任何人、任何國家和地區所壟斷，運行成本較低。

(3)發電過程中不產生工業三廢，綠色、低碳、環保。

圖1 光伏發電系統分類

對于光伏陣列來說，其輸出功率會受到外界環境(光照度、溫度等)的影響，且光伏陣列的輸出電壓不同時輸出功率也將隨之改變，但系統只有在最大功率點運行時才能充分利用太陽能，因此，需要對光伏陣列進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，調整光伏陣列的工作點以使光伏陣列以最大功率輸出。所謂MPPT技術就是以人為的方法控制光伏陣列在最大功率點輸出運行的技術手段。擾動觀察法是一種人為的改變光伏陣列的工作點、根據對比改變前后光伏陣列的輸出功率的變化來確定最大功率跟蹤方向的一種自尋優方法。該方法在外部環境發生劇烈變化時，將出現誤判現象。在光照度變化不是持續且劇烈的情況下，擾動觀察法能夠進行自我修正，找到正確的功率跟蹤方向，實現最大功率點的跟蹤。

本文將詳細分析基于擾動觀察法的改進方法。其中利用最多的是變步長的思想，即在遠離最大功率點的區域使用較大的步長工作，可以提高跟蹤速度；在靠近最大功率點的區域使用較小的步長工作，可以提高跟蹤精度。變步長的方法不僅可以避免光伏陣列長時間工作在非MPP區域，又可以減少能量損失。

2 光伏電池模型分析

目前，光伏發電系統廣泛使用硅光伏電池作為其光電轉換器件，該光伏電池相當于一個大的二極管，其等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池板的等效電路圖

圖中，Iph為光伏電池中由光能激發的電流，它取決于光照度、溫度等因素；Id為二極管電流；Rsh為旁漏電阻，是由電池不清潔或電池內部缺陷造成的；Rs為串聯電阻；IPV為光伏電池的輸出電流，UPV為輸出電壓。由圖2可知輸出電流IPV可表述為:

(1)

一般來說，光伏電池的串聯等效電阻Rs很小，而并聯等效電阻Rsh很大。由于Rsh一般為數千歐姆且并聯在電路中，故在進行理想電路計算時可作開路處理，則理想的光伏電池特性為：

(2)

輸出電壓UPV可寫成表達式：

(3)

式(1)～(3)中的參數說明見表1。

表1 光伏電池板的等效電路參數表

從式(2)和(3)可以看出光照度和環境溫度對光伏電池板的輸出特性有非常直接的影響。在Matlab仿真平臺上搭建光伏組件模型，仿真分析不同溫度和光照情況下光伏組件的輸出特性和功率特性，得到圖3和圖4所示的一系列曲線。

通過數據抓取，共采集超過5157萬條數據，收集海淀區六大戰略性新興產業的7852個行業崗位，崗位覆蓋38個細分行業，10681家海淀區六大戰略性新興產業企業。

圖3 溫度T=25℃條件下，改變光照強度時I-U、P-U特性曲線對比圖

綜上所述，光伏電池的輸出功率在不同光照強度和環境溫度條件下會發生較大變化，且可以看出光伏電池既不是恒壓源，也不是恒流源，而是一個非線性直流電源。

圖4 光照強度S=10000W/m2條件下，改變溫度時I-U、P-U特性曲線對比圖

3 變步長擾動觀察法

擾動觀察法(Perturbation and Observation method，P&O)是實現MPPT最常用的自尋優類方法，屬于自尋優類算法之一。擾動觀察法因其原理簡單易懂、易于實現、測量的參數較少等諸多方面的優點而被廣泛應用。在光照強度變化緩慢的情況下，該方法具有較好的跟蹤效果。其基本思想是：首先擾動光伏電池的輸出電壓(或電流)，然后觀察光伏電池輸出功率的變化[3]，若輸出功率增大，則可保持擾動方向不變；若輸出功率減小，則改變擾動方向，最終使光伏電池工作在MPP。擾動觀察法的具體工作流程圖如圖5所示。

傳統的擾動觀察法使用的是固定步長值進行擾動以此跟蹤MPP，使用較大的步長值可以提高系統的跟蹤速度，卻增大了振蕩幅度而使精度下降；使用較小的步長值可以確保系統的精度，卻使速度減緩了，不管是哪種情況最終都將造成系統的能量損耗。為此，提出了變步長的思路。以基于Boost電路的擾動觀察法進行說明，如圖6所示。

Ta為擾動周期，擾動變量取為占空比D[2]。當占空比D受到擾動時，ΔD表示占空比每次擾動改變的值：

圖5 擾動觀察法的流程圖

圖6 基于Boost電路的光伏電池最大功率跟蹤原理圖

D((k+1)Ta)=D(kTa)±ΔD

=D(kTa)+{D(kTa)-D[(k-1)Ta]}sign{P[(k+1)Ta]-P(kTa)}

(4)

給占空比一個ΔD的擾動時，經線性化處理后得輸出電壓響應和輸出功率響應：

(5)

(6)

若光照和溫度不發生劇變時，式中ΔUd和ΔId表示由占空比擾動引起電壓電流變化值，文獻[2]中推導出由占空比變化引起的功率變化ΔPd為：

(7)

外界環境變化引起的電壓變化ΔUd與工作在最大功率點時的輸出電壓UMPP相比可以忽略，可得由光照變化引起的功率變化ΔPs為：

ΔPs=UMPPΔIs+ΔUdΔIs≈UMPPΔIs=UMPPKΔS

(8)

ΔIs為光伏電池的電流變化值，ΔS為光照度變化值，k為一個材料相關常數，通常k=6.895×10-3A·m2/W。不因外界環境變化而失敗的條件是|ΔPd|>|ΔPs|，即

(9)

所以擾動步長ΔD需滿足以下約束條件：

(10)

通常ΔS=50W/(m2s)，計算可得ΔDmin≈0.001。

4 仿真驗證

本文實驗正在進行中，此處給出仿真驗證。為驗證本文所提方法的可行性和有效性，利用MATLAB中的Simulink工具搭建了基于Boost電路的光伏陣列控制電路，如圖7所示。將本文所提方法用MATLAB中S-Function進行程序化實現，Boost輸出負載接入39Ω電阻，采樣時間1e-3s，光照強度為1000W/m2。

圖7 Matlab仿真系統圖

對比圖8和圖9發現當采用大擾動步長時系統的跟蹤時間短，但較大的擾動步長也帶來了擾動振蕩損耗。圖10為改進的變步長擾動觀察法，該算法的判斷原則是當輸出功率變化大于2W時選用大步長0.008，否則選用小步長0.004，穩定后振蕩幅度較小，跟蹤精度明顯提高，跟蹤時間較快。所以在實際的應用中，應該綜合考慮系統的響應能力以及跟蹤精度來選擇合適的擾動步長，以使系統的綜合性能更好。

圖8 固定步長擾動觀察法，擾動步長為0.004時光伏電池輸出功率波形

圖9 固定步長擾動觀察法，擾動步長為0.008時光伏電池輸出功率波形

圖10 變步長擾動觀察法光伏電池輸出功率波形

5 結論

本文提出了一種變步長擾動觀察法，該控制方法運算簡單、跟蹤精度明顯提高，跟蹤速度較快、便于數字化實現。仿真結果驗證了該變步長擾動觀察法實現最大功率跟蹤的可行性和有效性。

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