基于改進(jìn)型光伏MPPT控制策略研究

張滈辰， 劉永勝， 李海龍， 占鑫

(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

當(dāng)今社會(huì)，隨著高新技術(shù)的革新，人類(lèi)對(duì)能源需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境存在污染且不可再生的缺點(diǎn)，因此，如何高效利用環(huán)保型新能源成為焦點(diǎn)。在各種新能源中，太陽(yáng)能因其環(huán)保和永不枯竭的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，而光伏系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能的最有效途徑之一，如何最大限度地利用太陽(yáng)能，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，而光伏最大功率跟蹤點(diǎn)技術(shù)(MPPT)就是其中之一[1]。

目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家各學(xué)者對(duì)MPPT技術(shù)的研究日益成熟，各種MPPT算法層出不窮。文獻(xiàn)[2]中提出一種牛頓插值法通過(guò)擬合曲線(xiàn)快速定位最大功率點(diǎn)(MPP)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[3-4]所采用的一種恒壓法結(jié)合電導(dǎo)增量法的復(fù)合MPPT控制策略，實(shí)現(xiàn)了跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度的兼顧；文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)混合步長(zhǎng)MPPT控制策略，該控制技術(shù)有效地減弱了在MPP附近的震蕩穩(wěn)態(tài)；文獻(xiàn)[6-8]所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、人工蜂群算法和果蠅控制算法，雖然控制效果好，但由于這幾種控制策略模型復(fù)雜繁瑣，目前多限于理論研究和實(shí)驗(yàn)室仿真，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，存在難以推廣的缺點(diǎn)。本研究在前人基礎(chǔ)之上，針對(duì)傳統(tǒng)算法的缺陷，提出了一種基于功率變化的改進(jìn)型變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。

1 光伏電池模型和其輸出特性

1.1 光伏電池模型

光伏電池電路模型圖，如圖1所示。

圖1 光伏電池電路模型圖

圖1模型電流-電壓(I-U)關(guān)系，如式(1)。

(1)

S=1 000 W/m2，T=25 ℃條件下的開(kāi)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，簡(jiǎn)化式(1)可得，如式(2)—式(4)。

(2)

(3)

(4)

1.2 光伏組件的輸出特性

根據(jù)1.1節(jié)，功率-電壓(P-U)曲線(xiàn)、電流-電壓(I-U)曲線(xiàn)，如圖2所示。

(a) P-U曲線(xiàn)

由圖2可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度(S)和溫度(T)一定時(shí)，P-U曲線(xiàn)為單峰值曲線(xiàn)，存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，且光照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度越低，輸出功率越大；溫度一定時(shí)，光照強(qiáng)度越大，輸出功率越大。

2 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法控制策略

擾動(dòng)觀察法(P&O)是當(dāng)前最常見(jiàn)的控制算法之一。P&O算法的工作機(jī)制是測(cè)量此時(shí)的電壓Uk、電流Ik和上一時(shí)刻的電壓Uk-1、電流Ik-1，計(jì)算出Pk=Ik*Uk和Pk-1=Ik-1*Uk-1，假定擾動(dòng)方向?yàn)檎容^相鄰時(shí)刻功率大小，如果Pk>Pk-1，需要繼續(xù)正向擾動(dòng)，反之，需要反向擾動(dòng)；如此往復(fù)，直到追蹤到MPP為止。擾動(dòng)觀察法(P&O)工作流程，如圖3所示。

圖3 P&O算法控制流程圖

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法(P&O)所存在的問(wèn)題在于步長(zhǎng)ΔU選擇困難。如ΔU過(guò)大，容易造成穩(wěn)態(tài)震蕩問(wèn)題；如果ΔU太小，會(huì)降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，因此需要對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)。

3 改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法控制策略

針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法存在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度難以同時(shí)兼顧的問(wèn)題，本研究提出了一種改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，此控制策略不但可以減弱在MPP附近的震蕩，而且還具有較好的跟蹤速度。

改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法控制策略工作原理：首先采集當(dāng)前PV組件輸出電壓U(k)，電流I(k)，上一時(shí)刻電壓U(k-1)，電流I(k-1)，計(jì)算當(dāng)前功率和上一時(shí)刻功率大小P(k)和P(k-1)，選擇一個(gè)原始擾動(dòng)步長(zhǎng)，對(duì)光伏電池輸出電壓進(jìn)行擾動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到功率變化方向發(fā)生改變時(shí)，就在原始步長(zhǎng)減去一個(gè)常數(shù)A，得到新的步長(zhǎng)，繼續(xù)進(jìn)行擾動(dòng)，如此反復(fù)，知道追蹤到MPP點(diǎn)為止。

改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法控制流程圖，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法控制流程圖

圖4可以看出，首先采集當(dāng)前光伏組件輸出電壓U(k)，電流I(k)，計(jì)算出當(dāng)前功率P(k)=U(k)*I(k)，與上一時(shí)刻輸出電壓U(k-1)、輸出功率P(k-1)對(duì)比，得到擾動(dòng)電壓變化量ΔU和輸出功率變化量ΔP，當(dāng)ΔP<0時(shí)，則在原步長(zhǎng)基礎(chǔ)上減去A，反之保持不變。ΔU*ΔP則用作確定擾動(dòng)方向，ΔU*ΔP>0時(shí)，保持原方向不變；當(dāng)ΔU*ΔP<0，則改變擾動(dòng)方向；ΔU*ΔP=0時(shí)，則說(shuō)明實(shí)際工作點(diǎn)位于MPP點(diǎn)。

4 基于Simulink的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法仿真驗(yàn)證

在Matlab R2017b/Simulink平臺(tái)上用模塊搭建基于Boost電路的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法MPPT控制策略模型[9-10]。仿真參數(shù)設(shè)置：標(biāo)準(zhǔn)情況下(Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃)，C1=150 uF，C2=380 uF，L=30 mH，R=50 Ω，仿真時(shí)間為1 s，控制算法選用ode23tb；標(biāo)準(zhǔn)情況下，輸出最大功率理論值Pmax=207.8 W，開(kāi)路電壓Uoc=29.12 V，最大功率點(diǎn)電壓Um=23.2 V，短路電流Isc=8.95 A，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流Im=8.02 A。基于boost電路的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法MPPT控制策略模型，如圖5所示。

圖5 基于boost電路的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法MPPT控制策略模型

兩種算法的Simulink仿真結(jié)果，如圖6、圖7所示。

圖6 基于boost電路的傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法仿真波形

圖7 基于boost電路的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法仿真波形

當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，光照強(qiáng)度變化設(shè)置：0～0.5 s，S=1 000 W/m2；0.5～1s，S=450 W/m2。

圖6可知，在啟動(dòng)階段，傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法從啟動(dòng)到穩(wěn)定需要0.072 s，啟動(dòng)速度略微慢，t=0.5 s時(shí)，光照發(fā)生突變，到達(dá)新穩(wěn)態(tài)需要時(shí)間為0.079 s，為了便于對(duì)比，在0.7-0.8 s之間對(duì)輸出功率波形進(jìn)行局部放大，可以看出，新穩(wěn)態(tài)功率在101 W-108.2 W之間波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)震蕩幅度大，造成能量流失；圖7可知，在改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法算法控制條件下，從啟動(dòng)到穩(wěn)定需要0.047 s，啟動(dòng)速度迅速，光照發(fā)生突變，到達(dá)新穩(wěn)態(tài)需要時(shí)間為0.043 s，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)算法的0.072 s，新穩(wěn)態(tài)時(shí)條件下功率波動(dòng)不大，僅在107 W～109 W之間，減弱了傳統(tǒng)算法控制下的穩(wěn)態(tài)震蕩問(wèn)題。通過(guò)仿真對(duì)比可以看出，改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法不但具有良好的動(dòng)態(tài)性能，而且穩(wěn)態(tài)精度優(yōu)于傳統(tǒng)定步長(zhǎng)擾動(dòng)算法。

5 總結(jié)

本研究提出改進(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。但是本控制策略?xún)H基于單峰值曲線(xiàn)提出的，在多峰值曲線(xiàn)效果有待驗(yàn)證，今后會(huì)著力于多峰值曲線(xiàn)條件下改進(jìn)MPPT控制策略。