0 引言

    能源是推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和繁榮的車輪,，由于化石燃料產(chǎn)量的急劇下降,，如何尋求可替代的可再生能源成為世界各國(guó)共同聚焦的問(wèn)題。作為一種無(wú)污染和取之不盡的能源,，太陽(yáng)能在過(guò)去的二十年中,，已經(jīng)吸引了更多的關(guān)注。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)組裝成本太高,，提高效率才是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵^[3],，MPPT算法的改進(jìn)自然成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。MPPT傳統(tǒng)使用的方法包括恒壓法,、擾動(dòng)觀察法,、電導(dǎo)增量法等。其中擾動(dòng)觀察法包括電壓擾動(dòng)觀察法和占空比擾動(dòng)觀察法,，該方法控制原理簡(jiǎn)單,，但是在最大功率點(diǎn)附近存在嚴(yán)重的振蕩問(wèn)題^[1-5]；電導(dǎo)增量法^[10]精度高并通過(guò)修改邏輯判斷式可以有效減小振蕩,，但步長(zhǎng)和閾值難以選取,，環(huán)境突變時(shí)可能會(huì)發(fā)生誤判。對(duì)于新穎的模糊控制方法,，由于直接采用了控制規(guī)則表,，所以跟蹤迅速快、波動(dòng)小,、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好,，缺點(diǎn)是控制方法的設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性，對(duì)于控制目標(biāo)無(wú)法定義,，周期太長(zhǎng),、成本較高^[1],，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大,。

    在對(duì)以上傳統(tǒng)光伏MPPT分析研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)MPPT算法。該算法融合了擾動(dòng)觀察法,、恒定電壓法的優(yōu)點(diǎn),，并結(jié)合了大步長(zhǎng)擾動(dòng)法和小步長(zhǎng)擾動(dòng)法^[1]，可根據(jù)外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng),，不斷更新初始最大電壓Um的值,，有效克服了文獻(xiàn)[1]所提擾動(dòng)法由于給定電壓不準(zhǔn)確帶來(lái)的誤跟蹤問(wèn)題,。利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建光伏電池模型,，仿真結(jié)果表明該方法具有兼顧響應(yīng)速度和控制精度的優(yōu)點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,，提高了最大功率點(diǎn)的精度及穩(wěn)定性,，減少能量損失^[2]。

1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

    圖1所示為光伏電池等效模型電路,，并聯(lián)電阻R_sh為等效漏電阻,，R_s為光伏電池等效串聯(lián)電阻。

    由電路原理易得光伏電池輸出電流為：

式中,，短路電流用I_ph表示,，二極管飽和導(dǎo)通電流為I_o，二極管常數(shù)表示為n,，q為電子所帶電荷(1.6×10^-19 C),，K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10^-23 J/K),。上圖中等效漏電阻Rsh一般阻值較大,，因此通常情況下我們忽略其影響，且Rs相對(duì)于二極管導(dǎo)通電阻可以忽略,，簡(jiǎn)化可得：

    一般情況下R_s遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，因此設(shè)定I_ph=I_sc，當(dāng)處在最大功率點(diǎn)和開(kāi)路狀態(tài)情況時(shí),，必須要考慮電壓與電流的關(guān)系,。在最大功率點(diǎn)條件下：U=U_m，I=I_m,，開(kāi)路狀態(tài)下：U=U_oc,，I=0，綜合以上對(duì)光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的分析,，可化簡(jiǎn)得到式(3)：

其中：a=0.002 5/℃,、b=0.5,、c=0.002 88/℃,、e為自然對(duì)數(shù)。根據(jù)所得數(shù)學(xué)模型利用MATLAB中Simulink工具搭建了光伏電池仿真模型，如圖2,、圖3所示,。

    廠家提供的主要參數(shù)為I_sc=3.90 A，U_oc=21.6 V,，I_m=3.45 A，U_m=17.4 V,，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為60 W,。經(jīng)仿真得到在標(biāo)準(zhǔn)溫度不同光照強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度不同溫度的I-U、P-U特性曲線,，如圖4所示,，仿真圖形結(jié)果跟廠家提供參數(shù)一致^[4-6]。

2 改進(jìn)MPPT算法

    傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法原理簡(jiǎn)單,、實(shí)現(xiàn)容易,，但在最大功率點(diǎn)處波形震蕩明顯且經(jīng)常出現(xiàn)誤跟蹤，從而導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的功率損失問(wèn)題,。此外，若擾動(dòng)步長(zhǎng)越大,，穩(wěn)態(tài)時(shí)振蕩范圍越大,，能量損失越嚴(yán)重，如果擾動(dòng)步長(zhǎng)太小,，對(duì)于外界環(huán)境的變化不能做出快速響應(yīng)^[6],。為了兼顧跟蹤速度和精度的要求，本文融合了擾動(dòng)觀察法,、恒定電壓法的優(yōu)點(diǎn),，并結(jié)合了大步長(zhǎng)擾動(dòng)法和小步長(zhǎng)擾動(dòng)法，提出了一種電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀察法,。該方法首先根據(jù)恒定電壓法原理,，即當(dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池的最大功率點(diǎn)近似排列成一條直線,，如果近似用一條垂線代替這條直線,，即保持電壓為恒定值，則光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)近似等于某一恒定電壓U_m^[9],，然后測(cè)算采樣點(diǎn)電壓U_k與U_m的差值,，判斷兩個(gè)電壓差的絕對(duì)值與Δm、Δs的關(guān)系,。若|U_k-U_m|>Δm時(shí)選擇大步長(zhǎng)ΔU_m進(jìn)行擾動(dòng),，若|U_k-U_m|<Δs則選擇小步長(zhǎng)ΔU_s進(jìn)行擾動(dòng)，反之以常規(guī)步長(zhǎng)ΔU_c進(jìn)行擾動(dòng),。由于恒定電壓法選擇的U_m為近似值,，當(dāng)外界環(huán)境變化很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此在每跟蹤到一個(gè)最大功率點(diǎn)時(shí)要更新給定電壓U_m的值,，即P_k-P_k-1=0時(shí),，U_m=U_k。這樣既能保證算法的快速跟蹤效果,，又提高了精確度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)法的算法流程圖如圖5所示。

    具體控制過(guò)程如下：

    (1)首先對(duì)光照強(qiáng)度S,、電池板溫度T,、電壓U_k、電流信號(hào)I_k進(jìn)行采樣,。然后根據(jù)恒定電壓法原理得出初始給定電壓U_m的值,，再對(duì)參數(shù)Δm、Δs,、ΔU_m,、ΔU_s、ΔU_c進(jìn)行初始化,。

    (2)判斷采集到的電壓U_k跟U_m的關(guān)系,，如若|U_k-U_m|>Δm時(shí)，選擇大步長(zhǎng)擾動(dòng),，即ΔU_k=ΔU_m,，若|U_k-U_m|<Δs則選擇小步長(zhǎng)ΔU_s進(jìn)行擾動(dòng)，即U_k=ΔU_s,，否則以常規(guī)步長(zhǎng)ΔU_c進(jìn)行擾動(dòng),。這樣判據(jù)過(guò)程可以在保證精度的前提下，提高跟蹤速率,。

    (3)判斷當(dāng)前功率與前一點(diǎn)功率大小,，若P_k-P_k-1=0，說(shuō)明跟蹤到了在當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率點(diǎn),，把此刻的電壓值Uk賦予全局變量U_m,，即U_m=U_k。當(dāng)外界環(huán)境條件變化時(shí),，電壓將以新的U_m值為中心擾動(dòng)逼近,，可有效提高跟蹤精度。

    (4)通過(guò)判斷dP*dU的正負(fù)來(lái)決定采取正向擾動(dòng)還是反向擾動(dòng)^[9],，若dP*dU>0,，說(shuō)明此時(shí)采樣點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè),，要采用正向擾動(dòng)，即U_k+1=U_k+ΔU_k,，若dP*dU<0,，此時(shí)采樣點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，采取反向擾動(dòng),，即U_k+1=U_k-ΔU_k,。

3 系統(tǒng)仿真分析

    根據(jù)如上所述基于電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)MPPT算法搭建了控制仿真模型，boost電路電感值為10 mH,，電容值為40 μF,，負(fù)載電阻值為30 Ω，算法設(shè)置為ode45(Dormand-Prince),，仿真時(shí)間為0.6 s,，最大步長(zhǎng)為0.01。本實(shí)驗(yàn)不僅比較了傳統(tǒng)電壓擾動(dòng)法和本文提出的改進(jìn)型電壓擾動(dòng)法的仿真波形,，還觀察分析了當(dāng)外界環(huán)境T,、S分別變換及同時(shí)變化時(shí)輸出功率波形的變化。

    傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法及本文提出的自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測(cè)法在標(biāo)準(zhǔn)狀況25 ℃,，1 000 W/m²下輸出功率仿真波形如圖6所示,。

    由圖6可知傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法約在0.02 s時(shí)跟蹤到最大功率點(diǎn)，而自尋優(yōu)擾動(dòng)法約在0.009 s跟蹤到最大功率點(diǎn),，跟蹤速度得到大幅度提高,，且明顯減低了波形震蕩。

    圖7所示為當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí),，輸出功率變化波形圖，其中圖7(a)為光照強(qiáng)度S保持1 000 W/m²不變,，而溫度在0.3 s時(shí)由25 ℃升高到40 ℃時(shí)仿真波形圖,，而圖7(b)是相同光照強(qiáng)度下溫度在0.3 s降低到15 ℃波形圖。圖7(c)是溫度保持25 ℃不變,，光照強(qiáng)度在0.4 s由1 000 W/m²降低到800 W/m²時(shí)的仿真波形,，圖7(d)是在同樣溫度下光照強(qiáng)度升高到1 200 W/m²時(shí)波形。圖7(e)為溫度在0.3 s由25 ℃升高到40 ℃,，而光照強(qiáng)度在0.4 s由1 000 W/m²降低到800 W/m²時(shí)的仿真波形圖,。

    由圖7可知當(dāng)溫度升高時(shí)，輸出功率略有下降,，溫度降低時(shí),，輸出功率略有升高。光照強(qiáng)度降低時(shí)輸出功率降低很大,，光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí),，輸出功率大幅度升高,。因此溫度對(duì)功率的影響相對(duì)較小，光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的輸出功率影響相對(duì)較大,。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測(cè)法對(duì)外界環(huán)境變化時(shí)能做出及時(shí)快速的追蹤,，且波形畸變率小。

4 結(jié)論

    光能的有效利用是解決能源危機(jī)的有效措施之一,，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)又是提高光能利用效率的關(guān)鍵,。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測(cè)法融合了恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn),，克服以往初始電壓值給定不變的缺點(diǎn),，并結(jié)合了大步長(zhǎng)擾動(dòng)法和小步長(zhǎng)擾動(dòng)法，理論分析可行,，并根據(jù)原理搭建了Simulink仿真模型,，驗(yàn)證了該方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、波形震蕩較小,、跟蹤精度高,，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

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