劉棟，楊蘋，黃錦成

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

一種光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長(zhǎng)MPPT控制策略研究

劉棟，楊蘋，黃錦成

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

為了提高光伏器件的發(fā)電效率，提出一種變擾動(dòng)步長(zhǎng)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，根據(jù)光伏組件輸出P-U特性曲線上各點(diǎn)斜率的絕對(duì)值確定最大功率點(diǎn)跟蹤的擾動(dòng)步長(zhǎng)，使搜索的快速性和穩(wěn)定性同時(shí)增強(qiáng)。Matlab仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：該算法能夠?qū)崟r(shí)對(duì)光伏組件輸出功率進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，大大提高光伏系統(tǒng)跟蹤最大輸出功率速度的同時(shí)，有效降低系統(tǒng)輸出功率在最大功率點(diǎn)處的振蕩現(xiàn)象，減小光伏組件的能量損耗。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。

光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；變步長(zhǎng)

1 引言

在當(dāng)今能源日益緊張的大環(huán)境下，太陽(yáng)能作為一種巨大的“清潔能源”日益受到廣泛的關(guān)注。隨著光伏發(fā)電的快速推廣應(yīng)用，如何充分有效利用光伏組件、降低太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的使用成本成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）［1］控制方法是提高光伏組件效率的有效途徑。MPPT控制方法主要有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等［2］。這些方法利用固定的擾動(dòng)步長(zhǎng)搜索光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率點(diǎn)，不能同時(shí)滿足搜索的穩(wěn)定性和快速性要求；而使用模糊控制變步長(zhǎng)的方法雖然有較好的效果，但模糊控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)的整定比較復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)成本，不利于大范圍推廣使用［3-4］。

本文提出了一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，根據(jù)光伏組件輸出P-U特性曲線上各點(diǎn)斜率的絕對(duì)值確定最大功率點(diǎn)跟蹤的擾動(dòng)步長(zhǎng)，同時(shí)提高搜索的快速性和穩(wěn)定性。通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，并與定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法相比，仿真驗(yàn)證試驗(yàn)表明：所提出的算法對(duì)光伏組件功率變化的跟蹤更具實(shí)時(shí)性，不僅能夠提高系統(tǒng)快速跟蹤日照變化的能力，而且可以有效降低輸出功率在最大功率點(diǎn)處的振蕩現(xiàn)象，提高對(duì)光伏組件的利用效率。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的基本原理

要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施最大功率輸出跟蹤控制，首先需要建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，尋求合適的最大功率輸出跟蹤控制算法。

2.1 光伏電池的等效模型及輸出特性

既考慮并聯(lián)電阻，又考慮串聯(lián)電阻的單個(gè)光伏電池的精確等值電路見(jiàn)圖1。

圖1 單個(gè)光伏電池的精確等值電路Fig.1 The exact equivalent circuit of single photovoltaic cell

單個(gè)光伏電池的輸出特性方程為

式中：Rs為光伏電池的內(nèi)阻；Rp為光伏電池的并聯(lián)電阻；I0為流過(guò)二極管的反向飽和漏電流；q為電荷量1.6×10-19C；K為 Boltzmann常數(shù)，值為1.38×10-23J／K；T為光伏陣列的工作溫度，K；A為二極管的理想常數(shù)，其值在1～2之間變化［5］。

一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量好的硅晶片1cm2的Rs約在7.7～15.3mΩ之間，Rp在200～300Ω之間。一個(gè)理想的光伏電池，其等效串聯(lián)電阻Rs很小，而等效并聯(lián)電阻Rp很大，在一般的工程應(yīng)用中，它們都可以忽略不計(jì)。

光伏組件輸出功率P與輸出電壓U、電流I呈非線性關(guān)系，在不同環(huán)境即溫度、日照強(qiáng)度下，光伏器件存在不同且唯一的最大輸出功率點(diǎn)。光伏組件在不同的光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同的光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線Fig.2 The output curves under different light intensity

2.2 MPPT的定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，一般采用定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)施最大功率輸出跟蹤控制。定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的基本原理是：每隔一定的時(shí)間通過(guò)按固定步長(zhǎng)改變占空比來(lái)增加或減少電壓，并觀測(cè)其后的功率變化方向，決定下一步的控制信號(hào)，通過(guò)多次這樣的調(diào)節(jié)，使光伏組件最終達(dá)到最大功率輸出。

定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的控制流程圖見(jiàn)圖3［6］。

圖3 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的控制流程圖Fig.3 The flow chart of perturbation and observation method with fixed step

圖3中占空比的變化步長(zhǎng)ΔD為固定值，由于占空比變化步長(zhǎng)固定，使得搜索的快速性與穩(wěn)定性相矛盾［7］。

3 MPPT的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法

定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法可以通過(guò)變化固定步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)減小ΔD可以改善光伏組件在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象，但較小的ΔD將降低對(duì)日照變化的響應(yīng)速度；而通過(guò)增大ΔD能夠提高M(jìn)PPT的搜索速度，但較大的ΔD使得光伏組件在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象增強(qiáng)。為了克服上述定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的不足，提出一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。

由圖2b所示光伏組件輸出P-U特性曲線可以看出，遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，電壓變化量ΔU對(duì)光伏組件的輸出功率的影響較大；而在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，電壓變化量ΔU對(duì)光伏組件的輸出功率的變化影響較小。即光伏組件輸出P-U曲線上各點(diǎn)的斜率根據(jù)距離最大功率點(diǎn)位置變化而變化，對(duì)圖2b中光照強(qiáng)度1kW／m2的輸出特性曲線上的k1，k2，k3，k4點(diǎn)做切線，見(jiàn)圖4。

圖4 光伏組件輸出特性曲線的切線圖Fig.4 The tangent map of output characteristic curve of PV module

由圖4可得k1，k2，k3，k4點(diǎn)切線斜率的大小關(guān)系：

根據(jù)上述分析，可利用光伏組件輸出P-U曲線上各點(diǎn)的斜率的絕對(duì)值確定擾動(dòng)步長(zhǎng)，來(lái)同時(shí)提高搜索的穩(wěn)定性和快速性。

當(dāng)采樣周期很小時(shí)，輸出電壓變化量ΔU很小，則輸出P-U特性曲線上各點(diǎn)斜率的絕對(duì)值等于光伏組件各點(diǎn)輸出功率變化量與輸出電壓變化量的比值的絕對(duì)值，｜dP／dU｜＝｜ΔP／ΔU｜。即可以通過(guò)求得｜ΔP／ΔU｜，進(jìn)而確定最大功率點(diǎn)跟蹤的擾動(dòng)步長(zhǎng)。k時(shí)刻擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔD（k）的計(jì)算方法為

式中：ΔD（k）為k時(shí)刻的占空比變化步長(zhǎng)；ΔP（k），ΔU（k）分別為k-1時(shí)刻到k時(shí)刻占空比變化引起的光伏模塊輸出功率變化量和電壓變化量；ΔD為占空比的固定變化量，為定值。

變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的控制流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的控制流程圖Fig.5 The flow chart of perturbation and observation method with variable step

4 仿真分析

4.1 仿真原理圖

利用Matlab中的Simulink軟件環(huán)境得仿真電路圖見(jiàn)圖6。

圖6 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法仿真電路圖Fig.6 The simulation circuit of variable step perturbation and observation method

其中MPPT算法的實(shí)現(xiàn)通過(guò)S函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)。由于在實(shí)際系統(tǒng)中光伏組件輸出P-U曲線不是平滑的，所以在仿真驗(yàn)證中為避免占空比的大干擾使得｜ΔP（k）／ΔU（k）｜取值過(guò)大從而降低算法穩(wěn) 定 性，限 制｜ΔP（k）／ΔU（k）｜≤20。即 當(dāng)｜ΔP（k）／ΔU（k）｜≥20時(shí)?。（k）／ΔU（k）｜＝20。

4.2 仿真結(jié)果及分析

采用變步長(zhǎng)的ode23tb（stiff-TR-BDF）進(jìn)行仿真，設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1kW／m2和常溫25℃。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 在固定光照和溫度的仿真結(jié)果Fig.7 The simulation result of constant light intensity and temperature

從圖7中可以看出變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的暫態(tài)結(jié)束時(shí)間在0.04s，而定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的暫態(tài)結(jié)束時(shí)間則是0.3s，變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的搜索速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，而且在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)的震蕩現(xiàn)象較之定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法也較小。

設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1kW／m2和常溫25℃，在0.5s時(shí)光照變?yōu)?00W／m2。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法可以根據(jù)光照強(qiáng)度的變化進(jìn)行功率跟蹤，而且跟蹤速度快于定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。

圖8 在不同光照強(qiáng)度下的仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of different light intensity

5 結(jié)論

本文在對(duì)光伏模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)MPPT算法的研究，提出了一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。利用Matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，且在相同條件下與定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法相比較，驗(yàn)證結(jié)果表明該算法在各種日照變化情況下均能迅速穩(wěn)定地重新輸出最大功率，并有效地解決了定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法搜索的穩(wěn)定性和快速性相矛盾的問(wèn)題。

［1］ 趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］ Hohm D P，Roop M E.Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms［J］.Progress in Photovoltaics：Research and Applications，2003，11（1）：47-62.

［3］ 任碧瑩，鐘彥儒，孫向東，等.基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（11）：47-48.

［4］ Simoes M G，F(xiàn)ranceschetti N N，F(xiàn)riedhofer M.A Fuzzy Logic Based Photovoltaic Peak Power Tracking Control［C］∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics，1998：300-305.

［5］ 周德佳，趙爭(zhēng)鳴，吳理博，等.基于仿真模型的太陽(yáng)能光伏電池陣列特性的分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，47（7）：1109-1112，1117.

［6］ 張超，何湘寧，趙德安.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長(zhǎng)MPPT控制策略研究［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（10）：47-49.

［7］ 何薇薇，熊宇，楊金明，等.基于改進(jìn) MPPT算法的光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39（6）：39-41.

修改稿日期：2010-11-15

Research on Variable Step MPPT Strategy for Photovoltaic System

LIU Dong，YANG Ping，HUANG Jin-cheng

（SchoolofElectricPower，SouthChinaUniversityofTechnology，GuangdongKeyLaboratory ofCleanEnergyTechnology，Guangzhou510640，Guangdong，China）

For improving the efficiency on power generation of photovoltaic（PV）device，a variable perturb step method was proposed which uses the absolute value ofP-Ucharacteristic curve′s points slope of PV device output to determine the variable perturb step and can enhance the search speed and stability at the same time.The Matlab simulation results show that this method can be effective to adjust PV output power in real time.It can greatly improve the tracking speed and reduce the oscillation around the maximum power point（MPP）to lower the engery lost of PV device.This system is simple and easy to promote and use.

photovoltaic power generation；maximum power point tracking；variable step

TM615

A

劉棟（1985-），男，碩士研究生，Email：657962482＠qq.com

2010-05-22