劉洋　畢朕斌　欒鑫

【摘 要】分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的基本工作原理，通過對(duì)現(xiàn)有控制方法的深入研究，設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤研究方法，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤研究方法不但能保證光伏陣列穩(wěn)定準(zhǔn)確的運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，而且跟蹤速度明顯提高，對(duì)于提高整個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；預(yù)測(cè)模型；擾動(dòng)控制

【Abstract】This paper analyzes the basic working principle of MPPT of photovoltaic power generation system， and designs the MPPT method based on predictive model and perturbation method. The simulation results show that the MPPT method based on prediction model and perturbation and observation methodc can not only ensure the stability and accuracy of PV array， but also improve the efficiency of the whole system.

【Key words】Photovoltaic power generation； MPPT； Forecasting model； Disturbance control

0 引言

光伏能源是可再生能源的一種，也是目前開發(fā)利用較多的一種可再生能源。光伏能源屬于清潔能源，其具有無污染、可再生、分布廣泛等特點(diǎn)，近年來被廣泛認(rèn)可并使用，就我們國家的情況而言，無論從現(xiàn)實(shí)需要，還是從未來的發(fā)展?jié)摿紤]，太陽能都應(yīng)是各種可再生能源中的首選。

1 傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法

1.1 恒定電壓法

恒定電壓法在太陽能電池溫度變化不大時(shí)，太陽能電池的輸出P—V 曲線上的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直直線的兩側(cè)。恒定電壓法特點(diǎn)是：檢測(cè)參數(shù)少、對(duì)硬件電路的要求低、實(shí)現(xiàn)比較容易，但是跟蹤控制的效率差、僅適用于小功率發(fā)電設(shè)備中。

1.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法[1]是通過對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓、電流或PWM信號(hào)上疊加一個(gè)或正或負(fù)的擾動(dòng)，在跟蹤控制過程中，通過不間斷地比較系統(tǒng)的輸出功率值來判斷所受的擾動(dòng)是增強(qiáng)型的還是削弱型的，進(jìn)而對(duì)控制PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。擾動(dòng)觀察法的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但是在最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)的輸出。

1.3 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池的輸出特性中電壓和功率的關(guān)系實(shí)現(xiàn)控制的。電導(dǎo)增量法的特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來比較容易，而且與擾動(dòng)觀察法相比，在最大功率點(diǎn)附近沒有較大的波動(dòng)現(xiàn)象，但在實(shí)踐中對(duì)硬件的要求較高，最大功率跟蹤控制調(diào)節(jié)的周期也會(huì)增加，影響了控制的時(shí)實(shí)性。

2 基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法

目前對(duì)太陽能光伏MPPT的研究主要是解決其中的兩個(gè)問題[2]，一是跟蹤速度，二是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性?；谝陨蟽蓚€(gè)問題，本文提出了基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。本方法相當(dāng)于在原有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制器上添加一個(gè)調(diào)節(jié)器，改進(jìn)后的MPPT控制器主要分為兩部分，預(yù)測(cè)模型控制器是為了快速準(zhǔn)確地找到最大功率點(diǎn)位置，擾動(dòng)控制器是為了避免預(yù)測(cè)模型誤差，使跟蹤結(jié)果更精確。本項(xiàng)目提出的基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法原理圖如圖1所示。

2.1 極限學(xué)習(xí)機(jī)理論

本項(xiàng)目釆用近年來發(fā)展起來的智能算法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極限學(xué)習(xí)機(jī)來訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型控制器，極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）是一種誤差比較小的單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，跟傳統(tǒng)的基于梯度下降的學(xué)習(xí)算法相比極限學(xué)習(xí)機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)：ELM的計(jì)算速度非?？欤S機(jī)給定隱含層的連接權(quán)值，訓(xùn)練過程不需要迭代調(diào)整；傳統(tǒng)的梯度下降算法，容易陷入局部極小，而ELM算法由于其求解輸出權(quán)值最小二乘解的過程是一個(gè)凸優(yōu)化問題，因此不會(huì)陷入局部最優(yōu)，具有比傳統(tǒng)算法更好的泛化性；ELM的參數(shù)選擇簡(jiǎn)單，只需要選擇合適的隱層結(jié)點(diǎn)便可獲得良好的性能，而傳統(tǒng)的基于梯度下降的算法如網(wǎng)絡(luò)等，還需要選擇合適的學(xué)習(xí)率，訓(xùn)練歩長(zhǎng)等。

2.2 預(yù)測(cè)模型控制器的訓(xùn)練

本文設(shè)計(jì)的MPPT控制器中的模型控制器是為了快速準(zhǔn)確的找到光伏陣列的最大功率點(diǎn)，因此把最大功率點(diǎn)作為預(yù)測(cè)模型控制器模型的輸出，由于在環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度一定時(shí)，最大功率點(diǎn)的功率和電壓是確定的，所以在模型中可以選擇最大功率點(diǎn)的功率作為輸出，也可以選擇最大功率點(diǎn)的電壓作為輸出。

關(guān)于整個(gè)控制器里模型控制器的輸入和輸出變量已經(jīng)確定，由于它們之間呈現(xiàn)出高度的非線性關(guān)系，利用傳統(tǒng)的辨識(shí)方法很難辨識(shí)出這樣一個(gè)兩輸入一輸出的模型，本文釆用極限學(xué)習(xí)機(jī)來訓(xùn)練此模型控制器，并且其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、誤差較小，對(duì)整個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)性能都有很大作用。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采取在反饋控制器上加入由極限學(xué)習(xí)機(jī)算法訓(xùn)練的模型控制器，由于擾動(dòng)觀察法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[3]，運(yùn)算速度較快，本文以擾動(dòng)觀察法作為反饋控制器的控制算法來進(jìn)行下面的仿真實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)：在5s以前的環(huán)境條件為：環(huán)境溫度為15℃，光照強(qiáng)度為1kw/m2，在5s時(shí)環(huán)境條件變化為：環(huán)境溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1.2kw/m2。圖3（a）為完整控制器和只使用模型控制器作為控制器的跟蹤對(duì)比曲線，圖3（b）完整控制器和擾動(dòng)觀察法的控制對(duì)比曲線：

（a）完整控制器和只使用模型控制器作為控制器的跟蹤對(duì)比曲線

（b）完整控制器和擾動(dòng)觀察法的控制對(duì)比曲線

2.4 仿真結(jié)果

從圖3可以看出，本文所設(shè)計(jì)的光伏控制器的跟蹤性能特別好，在短暫的一秒內(nèi)就能完成跟蹤，并且穩(wěn)定的運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，變化后的環(huán)境條件依然離訓(xùn)練數(shù)據(jù)比較近，其穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零。

3 結(jié)語

本文在分析幾種傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法的缺點(diǎn)后，提出了基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤研究。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最大功率點(diǎn)跟蹤研究當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，基于預(yù)測(cè)模型加擾動(dòng)控制的跟蹤控制方法能夠快速的跟蹤新的最大功率點(diǎn)，并且保證在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后光伏陣列無震蕩穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)，無論是跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)性能都有很大提高，證實(shí)了這種控制方法的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]