用于光照快速變化的復合MPPT控制

王云亮，肖群林，吳艷娟

（天津理工大學 電氣工程與自動化學院，天津，300384）

0 引言

隨著能源枯竭、環境污染等問題日益加劇，太陽能作為一種比風能安全可靠，更具穩定性的綠色能源，是世界能源發展的熱點之一[1,2]。但光伏矩陣的發電效率除了非線性輸出特性的影響外，更重要的是會受到外界環境因素的影響，如光照強度、溫度[3]等，因此需要采用高效的MPPT控制策略，提高光伏矩陣的發電效率。

目前常用的MPPT方法主要為擾動觀察法(P&O)、電導增量法(INC)和基于智能控制的改進算法，在這些方法中，P&O法和INC法因其結構簡單、易于實現被廣泛應用，但也存在功率震蕩、收斂慢的缺點[4,5,6]。文獻[7,8]提出變步長INC法，依據dP/dU的變化情況適時改變步長，加快跟蹤速度，減小震蕩損耗；但在光照強度突然變化的瞬間，dP/dU的變化幅度很大，會對步長的改變產生誤判，加劇功率震蕩。文獻[9]采用基于電導增量和改進粒子群的MPPT算法，提高了系統的跟蹤精度，但光照強度突然變化時，粒子群算法需要進行全局搜索，跟蹤響應較慢。文獻[10]提出一種根據負載曲線的改進INC算法，提高了在光照變化時的跟蹤響應，但在跟蹤精度方面存在一定的缺陷。

針對上述問題，本文提出一種新型復合MPPT控制策略。在光照強度突然變化時，利用I-U特性曲線估算出最大功率點電流，利用INC法快速定位到最大功率點附近，提高跟蹤響應速度；再利用模糊控制進行準確搜索，減小震蕩損耗。最后在光照強度突變的情況下進行仿真實驗，證明復合MPPT控制策略的有效性。

1 光伏電池的建模

光伏電池的主要工作原理為半導體的光生伏達效應[11]，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

根據圖1可知光伏電池的伏安關系為：

式中：Iph是光生電流(A)，I0是二極管飽和電流(A），q是電子電荷量(1.6×10-19C)，n是二極管特性擬合系數(1

光伏電池在不同光照條件下的I-U、P-U輸出曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著光照輻射條件的增強，光伏電池的最大功率明顯增大，開路電壓略微增大，最大功率點的電壓幾乎不變，可近似為一條垂直橫軸的直線。

圖2 不同光照條件下的光伏電池輸出特性曲線

2 復合MPPT算法

2.1 改進INC法

根據光伏MPPT的原理可知，當光伏電池的內阻Req與Boost電路的等效阻抗Rload相等時，光伏矩陣處于最大功率點。圖3為光照條件變化時，使用改進INC法光伏矩陣的輸出I-U曲線及負載的變化情況。

2.1.1 光照強度減小

如圖3(a)所示，光伏矩陣工作在A點時，突然減小光照條件，此時Boost的等效阻抗還未發生改變，光伏矩陣的工作點變為B，工作電流為Ib。由圖2可知，光照條件變化時，最大功率點的電壓近似不變，由此可推斷出，光照條件減小后的最大功率點就在點F(Um，Ib)周圍。從圖3(a)分析可知，只經過一個采樣周期，Boost電路的負載就可以從負載1變為負載2，再達到最大功率時的負載3，與通過MPPT算法直接從負載1達到負載3相比，大大縮短了搜索范圍，有利于提高光伏矩陣的跟蹤速度。

圖3 不同光照條件下的I-U曲線

2.1.2 光照強度增大

如圖3(b)所示，光伏矩陣工作在A點時，突然增大光照條件，此時Boost電路的等效阻抗還未發生改變，光伏矩陣的工作點變為F，工作電壓、電流分別為U1、I1，E點電壓為光伏矩陣的開路電壓Uoc，根據線段FE可計算出光伏電池輸出電壓為Um1時的電流Ix。此時光伏矩陣的輸出功率就在B點附近，經過一個周期后將B點坐標代入INC法，可以有效減小搜索半徑，能夠明顯提升搜索速度。

2.2 模糊控制

模糊控制的主要工作是在最大功率點附近進行準確跟蹤，提高光伏矩陣的跟蹤精度。其本質是尋找dP/dU為0的點，并根據跟蹤情況實時改變步長，距離最大功率點越近，步長變化量越小。

文中以功率和電壓的變化量之比E和E的變化率ΔE作為模糊控制的輸入，將步長的變化量ΔD作為輸出量，其結構如圖4所示。Ke、Kec和Ku為量化因子，E和ΔE分別為：

圖4 模糊控制器原理與結構示意圖

為提高模糊控制的性能，將E、ΔE和ΔD的模糊子集定義為：{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，論域劃分為：{-6,-4,-2,0,2,4,6},其隸屬度函數采用三角形函數。根據模糊控制的本質設定的模糊規則如表1所示。

表1 模糊規則表

2.3 復合MPPT的流程

復合MPPT法的流程圖如圖5所示。其中flot為指針變量，當flot=1時，外界光照條件發生改變，需要采用改進INC法使光伏矩陣快速逼近最大功率點，提高跟蹤速度；當flot=0時，光伏矩陣已工作在最大功率點附近，此時dU或dI的波動范圍在0.02以內，需采用模糊控制提高跟蹤精度。

圖5 復合MPPT法流程圖

3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建光伏仿真模型，模型包括光伏陣列、Boost電路和復合MPPT控制，光伏電池的參數和Boost電路參數如表2所示。

表2 仿真參數

將仿真環境的溫度設定為250C，改變光照強度，在0～1s內，光照強度保持1000W/m2；1～1.5s內，光照強度階躍為600W/m2；1.5～2s內，光照強度階躍為800W/m2。不同階段光伏矩陣列在傳統INC法、文獻[7]改步長INC法和復合MPPT法下的輸出功率如圖6所示。對比可知，光照突然變化時，復合MPPT算法的跟蹤速度最快，且穩態時的功率追蹤精度較好，不存在功率震蕩情況。

圖6 輸出功率波形

三種跟蹤算法的仿真結果對比如表3所示。從表可知，復合MPPT在光照條件突變時的跟蹤速度是傳統INC法的2.05倍，是文獻[7]法的1.19倍；復合MPPT的平均跟蹤效率為98.74%，比傳統INC法高5.575%，比文獻[7]的方法高2.318%。

表3 仿真結果對比圖

4 結束語

針對傳統INC在光照條件快速變化時存在動態響應慢及穩態精度差的問題，提出一種復合MPPT控制策略，將改進INC法與模糊控制相結合。復合MPPT利用I-U特性曲線估算出最大功率點電流來提高光伏電池的跟蹤速度；利用模糊控制準確搜索最大功率點，減小震蕩損耗，使光伏電池同時具備較高的跟蹤速度和跟蹤精度。在光照條件突變的情況下進行仿真，仿真結果表明提出的復合MPPT控制策略可以有效加快跟蹤速度，消除功率震蕩，提高光伏利用率。