基于擾動觀察法的光伏電池MPPT控制算法優(yōu)化

郭世初，尹航帥，劉冬冬

(徐州工程學院 物理與新能源學院，江蘇 徐州 221018)

0 引言

光伏發(fā)電如今已經成為人類日常生活中重要的發(fā)電方式。由于受到光照強度和溫度等因素，光伏組件的輸出功率實時變化。因此，光伏組件輸出功率的最大功率點跟蹤控制對于光伏組件的綜合效率非常關鍵。

近年來，許多MPPT算法有了較大的發(fā)展與進步，目前較為成熟的MPPT算法有：電導增量法、擾動觀察法、模糊控制算法、蜂群算法等。梁宇[1]提到的擾動觀察法由于步長單一，在控制過程中會存在調制出的波形擾動較大。楊元培等[2-3]提到的模糊控制算法解決了局部最大功率點的缺陷問題，但是在實現(xiàn)過程中由于算法復雜，導致跟蹤速度較慢。孟德越等[4-6]提到的電導增量法能適應光照強度的快速變化，跟蹤精度較高，但是電導量值很小，在線計算量大，對傳感器的精度要求很高，實際應用相對困難。

本文將介紹一種對傳統(tǒng)算法進行優(yōu)化改進的算法，對不同階段的光伏功率曲線實施不同步長的跟蹤控制，并對該算法和傳統(tǒng)算法進行仿真模擬實驗，比較兩者的結果，從而論證本文算法的優(yōu)越性。

1 光伏電池MPPT背景介紹

1.1 最大功率點跟蹤

光伏電池是發(fā)電系統(tǒng)的核心，光伏組件的輸出特性受光照強度和環(huán)境溫度影響具有非線性，在不同的光照和溫度條件下，光伏電池的輸出功率和電壓均不相同。但無論在何種光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池的輸出功率曲線上都會存在一個最大功率輸出點，如果能夠保證輸出電壓始終達到該點電壓，即可以保證光伏組件以最大功率輸出電能，光伏組件將以最高效率工作[7]。這個點被稱為最大功率點(MPP)，而通過外接電路不斷調整光伏的輸出電壓以達到最大功率點電壓的方法被稱為最大功率點跟蹤(MPPT)[8]。

1.2 擾動觀察法

擾動觀察法主要通過針對每一個工作點的不斷擾動去分析找到一個最大的輸出功率點，在進行擾動時，求得各個測量點被擾動后的功率數(shù)值P，將其同上次被測量點擾動的功率值進行對比，若功率值比上一次大，則繼續(xù)向該方向擾動，若小則改變擾動方向，重復步驟直至最優(yōu)點。本方法的優(yōu)點為跟蹤速度快，但波形震蕩較大[9]。

傳統(tǒng)擾動觀察法流程如圖 1所示，先從電路中采樣電壓、功率等信息，通過與上一次采樣的電壓和功率對比，得出dP和dV。若dP=0，說明最大功率點已經達到，無需調整。若dP>0，則繼續(xù)按原方向擾動來尋找MPP。即本次電壓大于上次電壓時減少電壓參考值[3]，小于上次電壓時提高電壓參考值。當dP<0時，沿相反方向擾動來追蹤MPP，即本次電壓大于上次電壓時增加電壓參考值，小于上次電壓時減小電壓參考值。重復該過程，使輸出功率穩(wěn)定在最大功率點附近[10]。

2 基本原理

傳統(tǒng)的擾動觀察法跟蹤速度快，但是波形震蕩較大，因此選擇優(yōu)化傳統(tǒng)算法，將電壓取樣的固定步長優(yōu)化調整為根據(jù)不同情況進行取樣的變步長。

通過觀察如圖 2所示的光伏輸出特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，在工作點向最大功率點靠近的過程中，由于光伏特性曲線的斜率的變化，dP/dV的值也在不斷變化，因此在斜率不同時，功率曲線的控制策略完全不同。當值較大時，系統(tǒng)需要快速將輸出功率逼近至最大功率點附近，因此需要更大的步長進行電壓控制；dP/dV逐漸減小，工作點逐漸靠近最大功率點，控制需求變化為使功率輸出曲線震蕩減小，波形穩(wěn)定在MPP附近，因此選擇更小的步長。

圖1 傳統(tǒng)擾動觀察法流程

圖2 光伏組件輸出特性曲線

如表1所示，本算法設定在功率曲線中最大功率點兩端分別設置dP/dV的微分變化參考值K1，K2，通過比較dP/dV與0，K1，K2的關系，將其劃分為4個取值區(qū)間。將不同的電壓參考值的變化值取值與4個取值區(qū)間相互對應。

表1 電壓參考值取值

變步長擾動觀察法流程如圖3所示，ΔV1，ΔV3為固定步長，且步長較長，作用是在|dP/dV|值較大時快速高效地將功率調至最大功率點附近；ΔV2，ΔV4為變化步長，且步長較短，步長為adP/dV，a為調整系數(shù)，是任意小于1的常數(shù)，作用是在輸出功率趨近于最大功率點時穩(wěn)定波形，減少震蕩。

3 仿真實驗及分析

為了驗證本文中設計的光伏發(fā)電并網系統(tǒng)的MPPT控制效果，使用Matlab/Simulink作為實驗平臺，通過軟件仿真模擬進行控制效果驗證。選取的光伏電池最大功率為410 w，開路電壓為50.12 V，短路電流為10.45 A。分析溫度為25 ℃時，光照強度在0～5 s為1 000 w/m2、5～10 s為750 w/m2、10～15 s為500 w/m2時，傳統(tǒng)擾動觀察法與改進變步長擾動觀察法的輸出特性曲線。

如圖5所示為傳統(tǒng)擾動觀察法的功率輸出波形，如圖6所示為改進后的算法的功率輸出波形。固定步長設置為0.02，觀察示波器輸出圖像對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化算法后的MPPT波形震蕩明顯較少，波形穩(wěn)定，優(yōu)化控制效果良好。

圖3 變步長擾動觀察法流程

圖4 改進前算法功率輸出波形

圖5 改進后算法功率輸出波形

為了進一步驗證實驗效果，將兩組仿真中的功率輸出數(shù)據(jù)進行匯總，計算方差，可以發(fā)現(xiàn)，改進前的傳統(tǒng)算法在光照強度1 000 w/m2時，輸出功率波形在2.4 s左右穩(wěn)定，取2.4～5 s的功率為樣本，樣本方差為3.925，而在光照強度750 w/m2時, 6.884 s時功率穩(wěn)定，樣本方差為92.341，在光照強度500 w/m2時,11.7 s時功率穩(wěn)定，樣本方差為96.189 。改進后的算法在光照強度1 000 w/m2時，輸出功率波形在2.7 s左右穩(wěn)定，取2.7～5 s的功率為樣本，樣本方差為1.576，而在光照強度750 w/m2時, 6.87 s時功率穩(wěn)定，樣本方差為55.980，在光照強度500 w/m2時，11.2 s時功率穩(wěn)定，樣本方差為56.384 。

對比可以得出結論。改進后的算法在調試速度上，與改進前算法基本相同，但是在調試出的功率上，相比傳統(tǒng)的算法明顯更加穩(wěn)定和高效。

4 結語

本文設計了一種基于傳統(tǒng)擾動觀察法的變步長觀察算法，通過Matlab/Simulink設計模擬電路，對比傳統(tǒng)算法的功率輸出波形，驗證優(yōu)化了算法在光伏組件MPPT控制中的作用。在保證控制速度與傳統(tǒng)方法速度相近的情況下，優(yōu)化了傳統(tǒng)擾動觀察法控制控制精度不夠的缺點。