李文才,石　巖

(河北工程技術高等專科學校,河北 滄州 061001)

船用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及自動跟蹤控制研究

李文才,石巖

(河北工程技術高等?？茖W校,河北 滄州 061001)

摘要：太陽能是一種新型的可再生清潔能源，資源豐富，對環(huán)境無任何污染，被越來越多的用在船舶上。搭載光伏發(fā)電系統(tǒng)的船舶具有經(jīng)濟性好、噪音低、振動小、安全性好及無污染等優(yōu)點，已經(jīng)得到了初步應用。為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應用，針對如何提高光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率展開研究，重點對最大功率跟蹤控制及自動跟蹤控制技術的實現(xiàn)進行研究與分析。

關鍵詞：太陽能電池；最大功率跟蹤；變步長擾動觀測法

0引言

太陽能是重要的可再生能源， 具有資源豐富、清潔無污染等特點，已成為一種重要的自然能源，在民用住宅光伏系統(tǒng)、交通工具及部分軍工產(chǎn)品中得到廣泛應用。近年來，太陽能也被越來越多的應用在船舶上，船舶上面搭載太陽能電池，利用太陽能轉(zhuǎn)化的電能為船舶提供能源。搭載光伏發(fā)電系統(tǒng)的船舶具有噪音低、振動小、安全性好及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，同時可提高船舶機動性和操縱性[1-2]。

目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相關的研究已很多，但在船舶這一特殊的運動載體和水中航行這一特定環(huán)境下的研究還相對欠缺，尤其是如何提高光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率等方面，還有很多問題需要進一步的突破。因此，開展船用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤(簡稱MPPT)及自動跟蹤的研究很有必要。

本文首先就太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行介紹，重點對Boost型的DC-DC變換器實現(xiàn)MPPT的原理進行分析。并采用變步長擾動觀察法實現(xiàn)最大功率跟蹤，完成程序流程圖和設計方法,并在Matlab仿真軟件中搭建模型進行仿真與分析[3]。

1太陽能發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽能電池板等裝置收集太陽光的輻射能量，然后通過光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電能。根據(jù)不同的用電需求，產(chǎn)生的電能既可以直接接入用電設備為負載供電，也可以與備用的蓄電池組進行連接，通過蓄電池組將能量儲存起來，供后續(xù)使用[3]。

太陽光照射在太陽能電池上，電池上面的半導體p-n結吸收光子，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，導致內(nèi)部產(chǎn)生電動勢，接通電路回路后就形成電流，從而實現(xiàn)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

太陽能電池的單體等效電路模型，如圖1所示。其中：I為恒流源，Ip為電流；D為理想二極管；Id為流過p-n結的結電流；Rs為旁路電阻，代表其他參數(shù)引起的漏電流所對應的阻抗；Rs為串聯(lián)電阻，表示電路損耗對應的阻抗；Ro為外部負載電阻。

圖1　太陽能電池的實際等效電路Fig.1　Equivalent circuit of Solar cells

光伏電池等效電路的基本工作原理是：在太陽光照射下，把p-n結看作一個恒流源與理想二極管并聯(lián)，太陽能電池光照后產(chǎn)生一定的光電流Ip，其中一部分用來抵消結電流Id，另一部分即為供給負載的電流Io，其中有一部分電路損耗在Rs上。

通過對等效電路的仿真，驗證該等效電路可準確描述光伏的電氣特性，基本復現(xiàn)太陽能電池板的工作特性，可用于后續(xù)MPPT算法的論證與仿真。

2太陽能光伏系統(tǒng)

最大功率跟蹤的基本原理是：對于一般線性電路，當電源內(nèi)阻與外部負載電阻大小一樣時效率最高。通過上一節(jié)的光伏等效電路的分析知道光伏等效電路不是線性的，可以通過后級連接DC/DC調(diào)節(jié)器，使光伏電路的內(nèi)阻與外部負載電阻時刻保持一致，保持最大功率輸出。由于負載輕易不可調(diào)節(jié)，通過接入DC/DC變換器調(diào)節(jié)輸入和輸出電壓，可以實現(xiàn)最大功率調(diào)節(jié)的目的。

圖2是光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖。如圖所示，光伏方陣輸出電壓Upv經(jīng)過DC/DC電路后供給負載。控制系統(tǒng)采集光伏板的輸出電壓和電流，根據(jù)所采用的MPPT算法判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點上，若不是，則需要通過改變開關管PWM控制信號占空比，改變光伏方陣工作電壓，讓工作點向最大功率點靠近直至趨于穩(wěn)定。

圖2　光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖Fig.2　Block diagram of photovoltaic power generation system

3DC/DC變換器設計

太陽能光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)常采用的DC/DC變換電路有很多種類型，典型的有Buck降壓電路、Boost升壓電路及丘克Cuk電路等，每個電路各有其優(yōu)缺點，適用于不同的應用場合。本系統(tǒng)采用典型的Boost型升壓式變換器作為系統(tǒng)中的DC/DC變換器。其優(yōu)點是驅(qū)動電路特別簡單，缺點是輸出側二極管的電流是脈動大，使輸出紋波也相應較大。Boost型的MPPT電路原理圖如圖3所示。

圖3　Boost型MPPT電路原理圖Fig.3　MPPT circuit diagram based on Boost topology

Boost變換器實現(xiàn)MPPT的思路是將負載等效為某個與光伏陣列連接的阻抗,并且當該阻抗等于光伏陣列在當前工作點的最佳匹配負載時,就可以完成MPPT控制。具體實現(xiàn)方式是，采用PWM控制技術，調(diào)節(jié)開關管的占空比，改變輸出電壓值，以達到跟蹤的目的。

4MPPT及自動跟蹤實現(xiàn)方法

目前，MPPT使用最多的控制方法是電導增量法、模糊控制法和擾動觀測法等，其實現(xiàn)MPPT控制的原理基本類似，具體實現(xiàn)方法各有差別。

擾動觀測法由于其實現(xiàn)算法簡單、硬件要求不高、應用成熟等優(yōu)勢，得到廣泛應用[4]。其基本實現(xiàn)方法是通過DSP數(shù)字處理器在每個周期采集光伏電池板的電壓和電流信號，然后進行計算，得到輸出功率值。然后與上一周期的輸出功率值進行比較，若輸出功率沒有發(fā)生變化，則保持當前輸出電壓不變，若功率比上一周期變大，則繼續(xù)加大擾動，使輸出功率繼續(xù)增大；反之，若功率比上一周期變小，則減小擾動，使輸出功率不再變小[5-6]。通過這些控制方法，使每個周期的輸出功率達到最大值，實現(xiàn)最大功率跟蹤的目的。

傳統(tǒng)的擾動觀測法實現(xiàn)方法是通過在每個周期與上一個周期比較功率值變化的方法，每個周期對工作點電壓按固定的步長進行擾動，使輸出功率穩(wěn)定在最大功率點附近。但是傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法，存在跟蹤精度和跟蹤速度的矛盾：如果要得到獲得較快的跟蹤速度，需要采用較大的干擾步長，加大步長會導致工作點擺動越大，對跟蹤精度帶來不利影響；如果要追求跟蹤精度，需要采用較小的干擾步長，降低跟蹤速度，然而當光照條件發(fā)生劇烈變化的情況下會造成更多的功率損失。傳統(tǒng)的擾動算法還存在另外一個問題：當光強劇烈變化時可能會有誤判的現(xiàn)象發(fā)生，使工作點不斷偏離最大功率點。

船舶光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他普通應用場合的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的區(qū)別就是光伏陣列所處的環(huán)境，船舶上的光伏陣列會隨著船舶自身一直處于運動的過程中，有時船身會有大的顛簸，這樣會造成太陽能電池板所接受太陽光經(jīng)常會發(fā)生劇烈的變化，這對MPPT的控制增加了難度。

考慮到傳統(tǒng)的擾動觀測法的問題，以及船舶光伏陣列本身接受太陽光不穩(wěn)定等因素。本文提出了一種基于傳統(tǒng)的擾動觀測法的簡單的改進控制方法，即使用變步長的控制方式，通過改變步長和間歇擾動判斷來改善問題?？梢愿鶕?jù)功率差的大小設置擾動的步長。當2次擾動間功率差值較大時，選用較大的步長，使工作點快速地轉(zhuǎn)移到最大功率點附近；當2次擾動間功率差值較小時，選用較小的步長。

系統(tǒng)的程序算法流程如圖4所示。其中，變量k用于判斷本次計算是否進行電壓擾動，當k=1時，進行擾動，否則不進行擾動。Dp用于表示本周起與上一周期的輸出功率差。dp>0，表示本周期的輸出功率大于上一個周期的輸出功率；dp<0，表示本周期的輸出功率小于上一個周期的輸出功率。變量ku用于表示擾動的方向，當ku=1時，進行反向擾動，否則進行正向擾動。

圖4　變步長擾動觀測法程序流程圖Fig. 4　Program flow chart of variable step perturbation and　observation method

5MPPT仿真分析

在Matlab/Simulink中,搭建基于Boost型升壓變壓器的采用變步長擾動觀察法的MPPT系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5　基于擾動觀察法的光伏系統(tǒng)的MPPT仿真模型Fig.5　MPPT Simulation model of photovoltaic system based on　a perturbation and observation method

首先對擾動觀察法進行仿真設置，采用ode23tb(stiff/TR-BDF2)變步長算法，輸出功率設為20 W，仿真時間設為1.5 s，擾動步長分別設為0.001，0.005，0.01進行仿真，比較輸出功率隨著擾動步長的變化。

當擾動觀察法控制算法中的擾動歩長取為0.001時，得到如圖6所示的輸出功率跟蹤曲線。由圖可以看出，輸出電壓跟蹤速度較慢，在t=0.7 s左右，輸出功率才達到設定功率。

圖6　步長為0.001時輸出功率波形Fig. 6　Power output waveform when step is 0.001

當擾動觀察法控制算法中的擾動歩長取為0.005時，得到如圖7所示的輸出功率跟蹤曲線。由圖可以看出，輸出功率的跟蹤速度明顯加快，在t=0.2 s左右，輸出功率就達到了設定功率，輸出功率的跟蹤精度也不錯。

圖7　步長為0.005時輸出功率波形Fig.7　Power output waveform when step is 0.005

當擾動觀察法控制算法中的擾動歩長取為0.01時，得到如圖8所示的輸出功率跟蹤曲線。由圖可以看出，輸出功率的跟蹤速度明顯加快，在t=0.1 s左右，輸出功率就達到了設定功率，但是輸出功率明顯出現(xiàn)了震蕩。

圖8　步長為0.01輸出功率波形Fig.8　Power output waveform when step is 0.01

由仿真結果可看出，步長的大小對輸出功率的跟蹤情況有很大的影響。采用較大步長時，輸出功率跟蹤速度較快，可以較快到達設定的輸出功率，但隨著步長的變大，跟蹤精度會較差，輸出功率出現(xiàn)振蕩。采用較小步長時，跟蹤速度較慢，需要較長的時間才能達到設定輸出功率，但是可以較好的保證跟蹤的精度。

6結語

本文主要針對船用的光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，重點對系統(tǒng)中的最大功率跟蹤及自動跟蹤控制技術進行了研究。設計了Boost型升壓變換器MPPT電路，并采用了適用于船舶特殊環(huán)境下的變步長擾動觀測法控制技術，實現(xiàn)最大功率跟蹤及自動跟蹤控制。在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，并對不同步長情況下的輸出功率的跟蹤情況進行了仿真。仿真結果顯示，擾動觀察法中歩長的大小對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制影響很大，步長既不能過大,也不能過小，可以綜合這2個因素,在不同情況下選擇合適的歩長，即采用變步長的控制方式可以達到最理想的最大功率跟蹤及自動控制跟蹤效果。

參考文獻：

[1]岳蕾,張志國,彭婭玲.燃料電池作為船舶動力裝置的可行性分析和研究[J].艦船科學技術,2009,31(2)：63-66.

YUE Lei,ZHANG Zhi-guo,PENG Ya-ling.The analysis and research of fuel cell′s feasibility as the power device of ships[J].Ship Science and Technology,2009,31(2)：63-66.

[2]黃允千,劉靜.搭載太陽電池的船舶電源系統(tǒng)[J].上海海事大學學報,2005,26(1).

HUANG Yun-qian,LIU Jing.Design of marine electric power system with solar cell[J].Journal of Shanghai Maritime University,2005,26(1).

[3]陳立劍,徐建勇.太陽能光伏電力推進在船舶上的應用研究[J].航海工程，2013,42(4).

[4]湯強.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制研究[D].太原:山西大學,2011.

[5]尤麗萍.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤控制算法的研究和控制器的設計[J].智能計算機與應用,2014,4(4).

YOU Li-ping.Design of tracking research and control algorithm of the maximum power of the photovoltaic power generation system[J].Intelligent Computer and Applications，2014,4(4).

[6]孫世峰,李慧,盛榮慧.某大型補給船自控裝置綜合供電系統(tǒng)的續(xù)研[J].艦船科學技術,1998,20(3)：49-51.

Maximum power tracking photovoltaic power generation system and

automatic tracking control research for ship

LI Wen-cai,SHI Yan

(Hebei Engineering and Technical College,Cangzhou 061001,China)

Abstract：Solar energy is a kind of renewable clean energy, is rich in resources, without any pollution to the environment, is being used in the ship more and more frequently. Ship with the solar battery has many advantages，such as, economic, low noise, small vibration, high security, environment friendly, so as to get used. In order to explore the application of photovoltaic power generation system on the ship,this article focuses on how to increase the output power of photovoltaic power generation system and how to improve the conversion efficiency, study and analyze the maximum power tracking control technology and automatic tracking control system.

Key words：solar cell;maximum power point tracking;variable step perturbation and observation method

作者簡介：李文才( 1974 - ) ，男，副教授，主要研究方向為電氣工程及其自動化。

收稿日期：2014-08-12； 修回日期： 2014-10-14

文章編號：1672-7649(2015)02-0136-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.029

中圖分類號：TM615

文獻標識碼：A