基于防突變負(fù)載的光伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤方法與實(shí)驗(yàn)研究*

方小坤，安毓英

（1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州225009；2.西安電子科技大學(xué) ，西安710071）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，太陽(yáng)能利用已經(jīng)在人們生活的方方面面得以體現(xiàn)，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钇鸬搅酥卮蟮挠绊懀缣?yáng)能路燈、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能房屋和太陽(yáng)能電池等，其本質(zhì)的過(guò)程是對(duì)光能的轉(zhuǎn)化利用。

在對(duì)太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換利用過(guò)程中，利用效率是關(guān)鍵，這關(guān)系到太陽(yáng)能利用的成效和利用的成本。尤其在光伏并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，高的轉(zhuǎn)化效率能夠有效的利用太陽(yáng)光照，提高發(fā)電量，減少光伏發(fā)電的成本，促進(jìn)光伏發(fā)電行業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。然而，在光伏并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，電網(wǎng)負(fù)載的變化嚴(yán)重影響了發(fā)電的效率，主要是由于光伏電池的光伏特性呈非線性變化，嚴(yán)重制約了光伏發(fā)電效率，即負(fù)載、光照和溫度變化嚴(yán)重影響光伏電池的輸出功率，造成對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤輸出較為困難。

目前，用于對(duì)光伏電池組的最大功率點(diǎn)的跟蹤的方法（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT）研究有很多，主要包括：電流跟蹤或者固定電壓法、擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法等［1-2］。其中電流跟蹤法存在電流能測(cè)能耗損失；固定電壓法的靈活性較差；增量電導(dǎo)法的計(jì)算較為復(fù)雜，對(duì)控制硬件要求較高；擾動(dòng)觀察法通過(guò)一個(gè)電壓擾動(dòng)量，結(jié)合功率變化方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，相比于其它跟蹤方法，該方法結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，與電池光伏特性無(wú)關(guān)，算法簡(jiǎn)單并廣泛使用在光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方面，但是存在步長(zhǎng)確定較難，且在并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，受電網(wǎng)負(fù)載變化的影響，易出現(xiàn)誤判跟蹤現(xiàn)象［3］。近年來(lái)，較多的專家學(xué)者對(duì)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了改進(jìn)，例如根據(jù)斜率調(diào)整步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法，變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法，擾動(dòng)觀察法與固定電壓法相結(jié)合的方法等［4］。大多研究點(diǎn)集中在步長(zhǎng)確定方面，而對(duì)并網(wǎng)發(fā)電負(fù)載變化對(duì)擾動(dòng)觀察法的影響研究較少，故無(wú)論步長(zhǎng)如何高效快速的確定，電網(wǎng)負(fù)載變化往往會(huì)影響電壓的擾動(dòng)方向，造成對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤誤判，影響光伏并網(wǎng)發(fā)電的效率［5］。

本文在Boost前級(jí)電路利用擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電的光伏電池最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，分析電網(wǎng)負(fù)載突變過(guò)程中最大功率點(diǎn)的跟蹤效果，提出在擾動(dòng)過(guò)程中加入電網(wǎng)負(fù)載變化的功率補(bǔ)償機(jī)制。即在擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)判斷過(guò)程中，加入由電網(wǎng)負(fù)載變化引起的功率修正量，對(duì)其進(jìn)行理論分析，建立新的防誤判擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)機(jī)制。最后通過(guò)DSP搭建Boost前級(jí)電路，分別對(duì)擾動(dòng)觀察法和本文提出的防誤判擾動(dòng)觀察法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法在并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，防誤判的最大功率點(diǎn)跟蹤效果。

1 光伏特性

1.1 光伏輸出特性

光伏電池可以通過(guò)等效成半導(dǎo)體裝置，來(lái)研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電的輸入和輸出特性。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，將光伏列陣等效成一個(gè)與受光面平行的大面積等效二極管，其具有極薄的PN截面，其等效電路如圖 1所示［6］。

圖1 光伏等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of PV

圖1中，I為太陽(yáng)能電池輸出電流；ILG為光伏電池電流；Rs為串聯(lián)等效電阻，與ILG共同組成光伏陣列等效電流源；Rsh為等效并聯(lián)電阻；Id為二極管工作電流代表暗電流；RL為負(fù)載；IRsh表示漏電流。根據(jù)圖1可以得到以下的光伏特性方程：

以上公式中，ILG和Ios與電磁表面溫度T有關(guān)；ISCR代表在標(biāo)準(zhǔn)電池溫度和日照強(qiáng)度電池短路電流；k1為溫度系數(shù)；λ表示日照強(qiáng)度；Tr（301.18 K）作為參考溫，；Ior為參考溫度下的暗飽和電流；B為理想因子，一般在1～2之間；EGO為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。Rsh越大，對(duì)短路電流的影響越小。故在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)忽略Rsh簡(jiǎn)化光伏列陣輸出特性方程［7］：

在RL變動(dòng)時(shí)，即負(fù)載發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的溫度和光照下，存在唯一的最大功率點(diǎn)，即可以得到如圖2所示的太陽(yáng)能電池板功率特性曲線和伏安特性曲線。改變負(fù)載RL的值，使得對(duì)應(yīng)的電壓Vm和電流Im的乘積達(dá)到最大值 Pm，即為對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)MPP。

圖2 太陽(yáng)能電池輸出特性Fig.2 Output characteristics of solar cell

1.2 最大功率點(diǎn)求解

采用Boost電路作為獲取最大功率點(diǎn)的前級(jí)電路，如圖3所示。其中U0為輸出電壓，US為輸入電壓，Uin為光伏電池輸出電壓；Ro為輸出電阻，Rin為輸入電阻；開關(guān)管Q，主電感 L，電容Co和二極管DR共同組成DC/DC變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 Boost電路MPPT結(jié)構(gòu)Fig.3 MPPT structure of Boost circuit

忽略元器件的損耗，依據(jù)輸出功率與輸入功率相等的原則，圖1中能量傳遞可表示為［8］：

式中D為采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤的控制參數(shù)占空比；Pin和Po分別為光伏列陣的輸入和輸出功率。根據(jù)公式（7），在負(fù)載變化時(shí)，輸出功率Po也隨著變化，對(duì)公式Po求關(guān)于Ro的偏導(dǎo)數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)，即：

求解得到，當(dāng) Rin=（1-D）2Ro時(shí)，輸出最大功率：

依據(jù)以上公式，最大功率輸出點(diǎn)只與輸入電壓和輸入電阻有關(guān)，輸入電阻可以通過(guò)占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，進(jìn)而得到最大的功率點(diǎn)MPP。

2 負(fù)載變化下跟蹤算法與改進(jìn)

2.1 負(fù)載突變分析

在負(fù)載突變的情況下，光伏特性輸出曲線發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)跟著改變。由公式（7），占空比D與輸出功率Po之間的關(guān)系，可描述不同負(fù)載下，最大功率點(diǎn)的變化，如圖4所示。

圖4 不同負(fù)載時(shí)P-D曲線關(guān)系［9］Fig.4 Curved relationship of P-D in different workloads

圖4中R1、R0、R2分別代表不同負(fù)載，其大小關(guān)系依次遞減。根據(jù)不同負(fù)載下，曲線變化規(guī)律，對(duì)應(yīng)在圖中劃分3塊區(qū)域，分別為1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)。負(fù)載R0到負(fù)載R1代表負(fù)載減小，負(fù)載R0到負(fù)載R2說(shuō)明負(fù)載增加，對(duì)應(yīng)Po-D關(guān)系曲線發(fā)生變化，即占空比D依據(jù)功率大小變化依次減小或者增加下一步的占空比D的值。以2區(qū)為例，在R0曲線區(qū)域，對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的坐標(biāo)值為（D，Po），正常情況下，D的擾動(dòng)方向?yàn)檎较颍琍o隨著的D的增大而持續(xù)增大。若由于電網(wǎng)負(fù)載的變化，使得負(fù)載由R0變?yōu)镽2，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)變?yōu)椋―，P2），由于當(dāng)前P2大于Po，使得的D的擾動(dòng)方向一直增大，與R2的功率曲線調(diào)整變化相反，故存在電網(wǎng)負(fù)載變化時(shí)，存在誤判現(xiàn)象。以此類推在1區(qū)和3區(qū)同樣存在誤判現(xiàn)象，各區(qū)的誤判現(xiàn)象如表1所示。

表1 負(fù)載突變引起的誤判分析Tab.1 Analysis for error conclusion of load sudden change

2.2 控制算法與改進(jìn)

根據(jù)以上分析，最大功率點(diǎn)的跟蹤是基于調(diào)節(jié)占空比D的擾動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制，故這里選擇的擾動(dòng)觀察法作為本文研究的最大功率跟蹤算法。作為一種自尋優(yōu)的算法，能夠通過(guò)自動(dòng)改變擾動(dòng)方向確定最大功率點(diǎn)工作范圍，以適應(yīng)外界溫度、濕度和光照的變化，其算法流程如圖5所示［10］。

圖5 擾動(dòng)觀察法Fig.5 Perturbation observation method

圖5中，擾動(dòng)觀察法每隔一段時(shí)間對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行采集，繼而得到輸出功率的變化狀況，即P（K+1），與采樣前的功率P（K）進(jìn)行比較，從而得到輸出功率的變化，以此來(lái)調(diào)節(jié)占空比變化方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。在溫度、光照等變化過(guò)程中，該方法能夠?qū)ψ畲蠊β庶c(diǎn)進(jìn)行有效跟蹤，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的有點(diǎn)，成本較低特點(diǎn)。但存在當(dāng)外部影響因素突然發(fā)生變化時(shí)（例如：并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，電網(wǎng)負(fù)載的突變），該算法可能會(huì)判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致跟蹤方向反向。由2.1節(jié)中負(fù)載突變分析可知，擾動(dòng)觀察法在負(fù)載突變當(dāng)前拍功率計(jì)算和前一拍功率對(duì)比過(guò)程出現(xiàn)前后功率對(duì)比不匹配，導(dǎo)致誤判現(xiàn)象。即在圖5中，P（K+1）與P（K）比對(duì)之前缺少對(duì)負(fù)載變化引起的P-D關(guān)系曲線變換的識(shí)別。

由于電網(wǎng)負(fù)載變化相對(duì)于溫度變化和光照變化具有時(shí)間短、突變的特點(diǎn)，考慮將電網(wǎng)負(fù)載變化的功率變化以參數(shù)形式加入到原擾動(dòng)觀察法的判別中。根據(jù)圖4，在3區(qū)，負(fù)載R0突變到R2過(guò)程中，功率輸出曲線發(fā)生變化，即功率曲線R0轉(zhuǎn)變成R2，造成擾動(dòng)觀察法中前后功率的比對(duì)量不在同一功率輸出曲線上，故此處將電網(wǎng)負(fù)載功率變化量轉(zhuǎn)變成功率變化參數(shù)對(duì)功率曲線R2進(jìn)行補(bǔ)償，使得在前后功率比對(duì)在同一功率輸出曲線上。具體過(guò)程包括：在對(duì)在當(dāng)前拍功率P（K+1）與前一拍功率P（K）比對(duì)之前，加入電網(wǎng)負(fù)載判斷，計(jì)算電網(wǎng)負(fù)載變化引起的功率變化修正參數(shù)ΔP*，并與前一拍功率P（K）疊加后，使得P（K）+ΔP*與當(dāng)前拍功率P（K+1）在同一功率輸出曲線上，具體改進(jìn)的算法流程如圖6所示。

圖6 改進(jìn)的最大功率跟蹤算法Fig.6 Improved MPPT algorithm

參照?qǐng)D6，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，在前后兩拍功率對(duì)比之前，加入了電網(wǎng)負(fù)載變化帶來(lái)的功率修正參數(shù)ΔP*，通過(guò)對(duì)前一拍功率 P（K）的修正，使得的P（K+1）與修正后的 P*（K）具有可比性，即前后功率在同一負(fù)載曲線或者同一P-D關(guān)系曲線上比較。對(duì)電網(wǎng)負(fù)載變化帶來(lái)的功率修正參數(shù)的ΔP*進(jìn)行計(jì)算，首先需要計(jì)算電網(wǎng)負(fù)載變化對(duì)應(yīng)的功率變化量ΔP，通過(guò)電網(wǎng)電壓頻率f和幅值UG，根據(jù)公式（10）和公式（11）計(jì)算判別ΔP。

式中UGN表示有效值（電網(wǎng)額定電壓）；KU表示電壓修正系數(shù)；fN為電網(wǎng)額定頻率；kf代表頻率的修正系數(shù)；iG是光伏組件的輸出電流；IG代表電網(wǎng)電流幅值大小。依據(jù)光伏組件的輸出電流與電網(wǎng)電流的大小關(guān)系，確定ΔP的值。然后利用函數(shù)C（PN，Pdc）對(duì)ΔP進(jìn)行修正，修正公式如下：

將光伏輸出額定功率PN與直流輸入功率Pdc的比值的平方作為修正參量，得到修正后的功率變化修正參數(shù)ΔP*。

改進(jìn)的算法主要包括將電網(wǎng)負(fù)載的突變轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)功率變化，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)功率變化的進(jìn)行一定的修正，形成輸出功率補(bǔ)償參數(shù)，加入到擾動(dòng)觀察法功率比對(duì)過(guò)程，通過(guò)對(duì)前一拍功率進(jìn)行補(bǔ)償，使得即使負(fù)載發(fā)生突變，也能確保前后拍功率對(duì)比在同一P-D變化曲線下進(jìn)行，從而確定下一步擾動(dòng)量D的變化方向，避免原擾動(dòng)觀察法在電網(wǎng)負(fù)載的突變時(shí)，前后功率對(duì)比不在同一輸出功率曲線上，防止電網(wǎng)負(fù)載變化帶來(lái)的誤判現(xiàn)象發(fā)生。

3 實(shí)驗(yàn)研究

利用Boost實(shí)驗(yàn)電路，以單片機(jī)作為跟蹤算法控制芯片，分別對(duì)本文提出的防電網(wǎng)負(fù)載突變的改進(jìn)的擾動(dòng)觀察算法和一般擾動(dòng)觀察算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察分析在對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中，占空比D的擾動(dòng)方向，對(duì)比兩種跟蹤方法對(duì)并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤效果，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖Fig.7 Experimental prototype diagram of grid power

其中實(shí)驗(yàn)過(guò)程中Boost電路元件參數(shù)選擇如表2所示。

表2 Boost電路元件參數(shù)Tab.2 Circuit component parameters of Boost

為了能夠比較清晰的觀察占空比D的擾動(dòng)方向，這里對(duì)D的取值為0.02，以光伏輸出電壓Uin的幅值做為縱坐標(biāo)，單位為2 V/格，通過(guò)觀察Uin的幅值變化來(lái)推斷D的擾動(dòng)方向。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每個(gè)刻度之間表示100 ms。選擇輸出電阻 R等于R0作為研究對(duì)象，代表不同負(fù)載下的電阻值，初始取值為4Ω。在電網(wǎng)負(fù)載突變下的電阻值R1為8Ω，R2為2Ω，分別代表了電網(wǎng)負(fù)載減小和負(fù)載變大。在電網(wǎng)負(fù)載不變情況下，其輸出的波形如圖8所示。

圖8 U in擾動(dòng)實(shí)際波形圖Fig.8 Actual waveform diagram of U in perturbation

圖8中描述了光伏輸出電壓Uin從初始擾動(dòng)到穩(wěn)定過(guò)程，分為3個(gè)區(qū)域，分區(qū)原則參考文章第二部分負(fù)載突變分析。根據(jù)公式（6），結(jié)合上文P-D變化曲線，隨著占空比D的擾動(dòng)方向一直增大，Uin的幅值在持續(xù)減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定狀態(tài)以后（最大功率點(diǎn)附近），在最大功率點(diǎn)附近徘徊。總體來(lái)說(shuō)，擾動(dòng)觀察法通過(guò)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)和及時(shí)調(diào)整擾動(dòng)量達(dá)到了對(duì)最大功率點(diǎn)的有效跟蹤。在此基礎(chǔ)之上，在2區(qū)加入電網(wǎng)負(fù)載突變，即R0的阻止突然變化，此時(shí)擾動(dòng)觀察法最大功率跟蹤效果，如圖9所示。

圖9 負(fù)載突變時(shí)擾動(dòng)觀察法波形圖Fig.9 Waveform diagram of perturbation and observation method in load sudden change

圖9（a）為負(fù)載對(duì)應(yīng)的電阻值 R0突然增大到R1，導(dǎo)致Uin的擾動(dòng)方向增加，反之?dāng)_動(dòng)量D方向減小，隨后Uin的擾動(dòng)量減小，說(shuō)明存在誤判現(xiàn)象，與表1對(duì)負(fù)載突變分析結(jié)果相同。圖9（b）中，負(fù)載對(duì)應(yīng)的電阻值R0突然減小至R2，依據(jù)表1負(fù)載突變分析結(jié)果，在2區(qū)R0突然減小，會(huì)導(dǎo)致誤判現(xiàn)象發(fā)生，從圖9中可以看出Uin在負(fù)載變化時(shí)，其幅值經(jīng)歷了急劇下降到上升的過(guò)程，說(shuō)明擾動(dòng)方向的錯(cuò)誤判斷。利用本文提出的改進(jìn)的跟蹤算法，進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)載變化下的負(fù)載突變波形擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 負(fù)載突變時(shí)改進(jìn)擾動(dòng)觀察法波形圖Fig.10 Waveform diagram of improved perturbation and observation method in load sudden change

圖10中負(fù)載突狀況與圖7一樣，即在2區(qū)內(nèi)R0分別突變成R1和R2。相比于圖8，圖9在負(fù)載突變到R1時(shí)，Uin的擾動(dòng)方向持續(xù)減小，未發(fā)生變化；在負(fù)載突變到R2時(shí)，Uin的擾動(dòng)方向改 變，朝正方向發(fā)展，穩(wěn)定點(diǎn)處的Uin值較圖5中的值要大，主要是由于負(fù)載突變改變了占空比D的穩(wěn)定范圍。說(shuō)明改進(jìn)的擾動(dòng)觀察方法能夠在電網(wǎng)負(fù)載突變下，做到及時(shí)調(diào)整擾動(dòng)量，從而防止誤判的發(fā)生。下表為在改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法下，不同區(qū)域的負(fù)載突變狀況下的擾動(dòng)方向分析。

根據(jù)表3中對(duì)負(fù)載變化時(shí)，不同區(qū)域的擾動(dòng)方向的判斷可知：在1區(qū)、2區(qū)或者3區(qū)，在負(fù)載突然變大或者突然變小時(shí)，當(dāng)前拍和后一拍的D的擾動(dòng)方向都能夠正確判斷，不存在誤判現(xiàn)象，說(shuō)明無(wú)論擾動(dòng)過(guò)程處于何種區(qū)域，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法能夠有效的消除負(fù)載突變帶來(lái)的誤判現(xiàn)象。綜合來(lái)說(shuō)，與一般的擾動(dòng)觀察法相比，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，在不同的擾動(dòng)時(shí)刻，負(fù)載突然變大或者突然變小，都能夠有效的判斷擾動(dòng)方向，克服光伏并網(wǎng)發(fā)電電網(wǎng)負(fù)載變化帶來(lái)的影響，具有比較優(yōu)越的MPPT性能。

表3 負(fù)載突變不同區(qū)域擾動(dòng)方向分析Tab.3 Disturbance direction analysis in load sudden change

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載突變引起的對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中的誤判現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了一種根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載變化的功率補(bǔ)償機(jī)制的擾動(dòng)觀察算法，該方法不僅能夠?qū)夥敵龉β蕦?shí)施檢測(cè)，同時(shí)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)功率變化進(jìn)行檢測(cè)，將二者結(jié)合，有效控制占空比D的擾動(dòng)方向，避免誤判的現(xiàn)象發(fā)生。最后利用搭建的Boost電路對(duì)提出的改進(jìn)擾動(dòng)觀察算法進(jìn)行驗(yàn)證，與一般擾動(dòng)觀察法相比，該方法對(duì)于不同區(qū)域（時(shí)間段）的負(fù)載突變，能夠準(zhǔn)確的判斷擾動(dòng)量的方向，縮短了對(duì)MPP點(diǎn)跟蹤的時(shí)間，具有較好的跟蹤效果。