摘 要： 為了提高光伏電池發(fā)電效率，在傳統(tǒng)MPPT控制方法的基礎(chǔ)上提出了基于恒定電壓法的變步長(zhǎng)滯環(huán)控制法，通過分析光伏電池受光照強(qiáng)度的影響和在最大功率點(diǎn)附近的功率特性，確定了電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)值，并在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上建立了MPPT仿真模型，對(duì)該算法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該算法在光照突變時(shí)仍能實(shí)時(shí)地跟蹤光伏電池的輸出功率，并能有效地抑制在MPP點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)出很好的動(dòng)態(tài)特性，證明了該算法的有效性和正確性。
關(guān)鍵詞： 光伏電池；變步長(zhǎng)；滯環(huán)；最大功率點(diǎn)跟蹤
0 引言
太陽能由于儲(chǔ)量大、清潔、可再生且不受地域限制，應(yīng)用越來越廣泛，但太陽能受季節(jié)和時(shí)間的影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電輸出功率不能穩(wěn)定地使用。為了有效地提高太陽能發(fā)電效率，提高供電質(zhì)量，光伏系統(tǒng)往往采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)對(duì)光伏電池的輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，最大限度地利用太陽能。目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法[1]等。
恒定電壓法[2]實(shí)際上是對(duì)MPPT方法的近似，算法的適應(yīng)性差，跟蹤精度不高。電導(dǎo)增量法對(duì)系統(tǒng)的硬件要求較高，需要精確測(cè)量電流電壓值。擾動(dòng)觀察法是根據(jù)相鄰兩個(gè)采樣周期的功率變化來決定下一時(shí)刻的擾動(dòng)方向。本文提出了將恒定電壓法和擾動(dòng)觀察法結(jié)合起來的方法，在綜合了各自的優(yōu)勢(shì)后，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該MPPT算法能明顯改善系統(tǒng)的性能。
1 光伏電池模型分析
光照下光伏電池的實(shí)際等效電路如圖1所示，圖中考慮了光伏電池本身電阻對(duì)其特性的影響。
圖1中，Rs為硅片的固有電阻，Rsh為PN結(jié)的分路電阻，一般Rs<<Rsh。由電路理論知識(shí)可知，實(shí)際的負(fù)載電流為：
由式（1）、（2）、（3）可得：IR為光伏電池的輸出電流；UR為光伏電池輸出電壓；q為電荷常數(shù)，q=1.9×10-19；K為玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23；T為光伏電池的溫度；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻[3]。
由以上分析可知，溫度一定時(shí)，光照主要影響光伏電池的輸出電流，光照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度主要影響光伏電池的輸出電壓[1]。一定溫度和一定光照強(qiáng)度下的P-U及I-U曲線，如圖2所示。
從圖2中可以看出，光伏電池最大功率點(diǎn)和電流不是一致的。由此可見，要想得到最大功率輸出，必須對(duì)其輸出功率進(jìn)行控制。
2 滯環(huán)控制變步長(zhǎng)MPPT算法
2.1滯環(huán)比較法
滯環(huán)比較法的原理是當(dāng)功率在設(shè)置的滯環(huán)內(nèi)時(shí)，光伏電池的工作點(diǎn)電壓保持不變，只有當(dāng)功率的波動(dòng)量超出設(shè)置的滯環(huán)時(shí)，才按照一定的規(guī)律改變工作點(diǎn)，針對(duì)光伏電池的P-U特性，其滯環(huán)控制環(huán)節(jié)如圖3所示[4]。
如果以A為工作點(diǎn)，在其兩邊相同距離取擾動(dòng)點(diǎn)B和C，并且A、B、C三點(diǎn)的功率分別記為PA、PB、PC。由于擾動(dòng)觀察法比較的是相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間功率的大小，即PA和PB或者PA和PC，分別進(jìn)行獨(dú)立的比較?，F(xiàn)在取PA>PC記為+，否則為-；PB≥PA記為正（+），否則為負(fù)（-）。由分析可知，有效的比較結(jié)構(gòu)有3種，如圖4所示。
由圖4可知，如果PA>PC∩PB≥PA，則電壓擾動(dòng)保持原來的方向；如果PA<PC∩PB<PA，則電壓擾動(dòng)方向相反；如果PA<PC∩PB≥PA或者PA>PC∩PB<PA，則表明可能已經(jīng)搜索到最大功率點(diǎn)或者外部光照強(qiáng)度變化很快，電壓保持不變，可以較好地抑制最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象[5]。
2.2擾動(dòng)步長(zhǎng)的確定
常用的步長(zhǎng)確定方法有梯度法、牛頓迭代法等，但這些算法往往會(huì)造成迭代步長(zhǎng)過大使系統(tǒng)發(fā)生較大振蕩，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文所采用的控制方法是通過對(duì)光伏電池輸出電流電壓采樣，然后再判斷前后采樣周期功率的變化方向的方法[6]，即在MPP點(diǎn)附近采用的變步長(zhǎng)的方法，原理[6]如下：
式（4）[6]中，P（k）和P（k-1）分別表示k和k-1時(shí)刻的采樣功率。在采用恒壓控制時(shí)，系統(tǒng)將參考電壓值直接拉至MPP附近，采用逐步逼近的方式搜索最大功率，此時(shí)系統(tǒng)需要微小的擾動(dòng)量，即要求?駐U很小。當(dāng)比較采樣點(diǎn)功率時(shí)，由于P（k）和P（k-1）比較接近，U較小，這就避免了因?yàn)檫^大的擾動(dòng)步長(zhǎng)而在MPP點(diǎn)附近發(fā)生振蕩的情況[6]，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3 基于恒壓和變步長(zhǎng)滯環(huán)控制結(jié)合的MPPT控制法
恒壓法是基于在最大功率點(diǎn)處的電壓值幾乎為一個(gè)固定值原理。通?？梢愿鶕?jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)定的一個(gè)固定電壓值，使得系統(tǒng)始終保持運(yùn)行在該設(shè)定電壓下從而近似地獲得最大輸出功率。當(dāng)外界環(huán)境較為穩(wěn)定時(shí)，可以近似地認(rèn)為光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處。
擾動(dòng)觀察法是通過控制電路開關(guān)信號(hào)的占空比來改變電路的輸出功率，進(jìn)而根據(jù)輸出功率的變化控制達(dá)到最大功率。擾動(dòng)觀察法是目前最為成熟的方法，它需要的硬件電路少，節(jié)省成本，但其跟蹤的速度慢，特別在光照變化較快的情況下很容易出現(xiàn)誤判，造成能量的損失?；诤銐悍ㄅc變步長(zhǎng)的滯環(huán)控制法相結(jié)合的MPPT控制法，先采用恒壓法進(jìn)行控制，使光伏系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，再通過較小步長(zhǎng)的擾動(dòng)使光伏組件的工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)移動(dòng)，最后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，其控制流程[4]如圖5所示。
3 仿真結(jié)果對(duì)比分析
本文的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）采用基于Boost電路作為光伏電池的負(fù)載，通過調(diào)節(jié)占空比控制電路的關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)MPPT。系統(tǒng)整體的仿真模型如圖6所示，仿真結(jié)果波形如圖7~圖10所示。
?。ㄆ渲卸ú介L(zhǎng)的步長(zhǎng)值為0.001）
當(dāng)溫度一定時(shí)，當(dāng)t=0.3 s時(shí)，光照強(qiáng)度從500 mW/cm2變化到800 mW/cm2。從仿真圖可知，定步長(zhǎng)產(chǎn)生了較大的振蕩，造成了較大的能量損失。圖8和圖9分別給出了光照劇烈變化（0時(shí)刻，500 mW/cm2；0.025 s時(shí)刻， 1 000 mW/cm2；0.05 s時(shí)刻，800 mW/cm2；0.075 s時(shí)刻，1 000 mW/cm2）時(shí)，Boost電路中，由于電感的作用使得負(fù)載電流更加平滑，沒有出現(xiàn)電流激增的情況，從而可以保證負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行；由于采用了變步長(zhǎng)的MPPT控制策略，光伏電池輸出功率特性得到了很大的改善，尤其是在光照突變的時(shí)刻，輸出功率平穩(wěn)上升或者下降，并且很快達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的快速性得到了提高。仿真實(shí)驗(yàn)從理論上證明了該算法的正確性。
本系統(tǒng)采用恒定電壓法與滯環(huán)比較控制相結(jié)合的方法。經(jīng)過多次的試探，當(dāng)系統(tǒng)的定電壓Um=0.8Uoc時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，能很好地適應(yīng)光照突變的情形。從仿真結(jié)果看，本系統(tǒng)MPPT對(duì)各種光強(qiáng)都有很高的轉(zhuǎn)化效率，均能很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，使其最大限度地利用太陽能。
4 結(jié)論
本文在傳統(tǒng)的MPPT控制方法基礎(chǔ)上，提出了基于恒壓和變步長(zhǎng)滯環(huán)控制相結(jié)合的MPPT控制法，分別通過MATLAB/Simulink平臺(tái)仿真分析，與相同條件下的定步長(zhǎng)控制方法進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明，該算法對(duì)光照迅速變化的情況具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并且可以很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，抑制了定步長(zhǎng)在MPP點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果對(duì)于開發(fā)性能更為優(yōu)異的MPPT算法具有一定的指導(dǎo)意義，但本文是基于恒定溫度條件進(jìn)行分析的，對(duì)于溫度變化的情況，是下一步研究的方向。
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