一种扰动观察法在光伏发电MPPT中的应用.kdh

收稿日期： ２００９－０７－０７作者简介： 刘莉（ １９６１ — ） ， 女， 黑龙江省人， 副教授， 主要研究方向为电力电子技术 。Ｂ ｉ ｏｇｒ ａｐｈｙ：ＬＩ Ｕ Ｌｉ （ １９６１ — ） ，ｆ ｅｍ ａｌ ｅ，ａｓｓｏｃｉ ａｔ ｅ ｐｒ ｏｆ ｅｓｓｏｒ ．１８６一种扰动观察法在光伏发电 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 中的应用刘 莉， 张彦敏(燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)摘要： 分析了光伏电池的特性和扰动观察法的优缺点， 针对扰动观察法步长难确定和光伏电池最大功率点两侧具有非对称性的特点， 提出了一种改进扰动观察法 。 将该方法应用于光伏电池的最大功率跟踪， 仿真和实验结果均表明该方法能在外界环境变化的情况下， 保证光伏电池快速 、 精确地跟踪最大功率点， 稳态精度较高， 提高了光伏电池的利用率 。关键词： 光伏电池； 最大功率跟踪； 扰动观察法； 非对称中图分类号： ＴＭ ９１４． ４ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－０８７ Ｘ （ ２０１０） ０２－０１８６－０４Application of perturbation and observation method in MPPT ofphotovoltaic power generationLIU Li, ZHANG Yan-min(Electrical Engineering College,YanshanUniversity, QinhuangdaoHebei066004,China)Ａ ｂｓｔ ｒ ａｃｔ ： Ａ ｃｃｏｒ ｄｉ ｎｇ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ａｓｙｍ ｍ ｅｔ ｒ ｉ ｃ ｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃｓ ｏｆｐｈｏｔ ｏｖｏｌ ｔ ａｉ ｃ ａｒ ｒ ａｙ ａｎｄ ｔ ｈｅ ｄｉ ｓｔ ｕｒ ｂ ｔ ｏ ｄｅｔ ｅｒ ｍ ｉ ｎｅ ｔ ｈｅ ｓｔ ｅｐ ｓｉ ｚｅｏｆｐｅｒ ｔ ｕｒ ｂａｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｏｂｓｅｒ ｖａｔ ｉ ｏ－ｎ ｍ ｅｔ ｈｏｄ（ Ｐ ＆ Ｏ ） ，ａ ｎｅｗ ｏｐｔ ｉ ｍ ｉ ｚｅｄ Ｐ ＆ Ｏ ｗ ａｓ ｐｒ ｏｐｏｓｅｄ．Ａ ｐｐｌ ｙｉ ｎｇ ｔ ｈｉ ｓ ｍ ｅｔ ｈｏｄ ｔ ｏ Ｍ Ｐ Ｐ ＴｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ， ｓｉ ｍ ｕｌ ａｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔ ａｌｒ ｅｓｕｌ ｔ ｓ ｓｈｏｗ ｔ ｈａｔｔ ｈｉ ｓ ｎｅｗ ｍ ｅｔ ｈｏｄ ｉ ｍ ｐｒ ｏｖｅｓ ｔ ｈｅ ｕｔ ｉ ｌ ｉ ｚａｔ ｉ ｏｎ ｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｒ ａｐｉ ｄ ａｎｄ ａｃｃｕｒ ａｔ ｅ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ｔ ｒ ａｃｋ ｕｎｄｅｒｔ ｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆａｍ ｂｉ ｅｎｔｃｏｎｄｉ ｔ ｉ ｏｎ．Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒ ｄｓ：Ｐ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ； Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ； ｐｅｒ ｔ ｕｒ ｂａｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｏｂｓｅｒ ｖａｔ ｉ ｏｎ ｍ ｅｔ ｈｏｄ； ａｓｙｍ ｍ ｅｔ ｒ ｉ ｃ如今， 传统一次能源的开发和利用已造成越来越严重的环境污染和生态破坏 。 如何在开发和利用能源的同时保护好我们赖以生存的地球 、 实现可持续发展， 已成为一个全球性的大问题 。 因此， 寻求绿色 、 可再生能源被视为现代人类共同努力的目标 。 在众多新型发电技术中太阳能发电以其独特的优势得到人们的青睐 [1]。然而， 光伏发电的普及还存在诸多问题， 主要原因是光伏电池价格昂贵且光电转换效率较低 。 因此， 研究如何最大限度地利用光伏电池所发出的能量显得十分必要，于是最大功率跟踪控制技术应运而生 。 目前， 常用的最大功率跟踪控制方法有： 固定电压法 、 扰动观察法 、 增量电导法和模糊控制等， 其中， 增量电导法实质上是一种改进的扰动观察法， 这两种算法因转化效率高而得到了广泛应用 。 但是， 这两种算法步长的选择存在一定的困难： 当步长较大时最大功率跟踪速度快， 但在最大功率点附近会出现较大的功率振荡； 步长较小时， 最大功率点附近的功率振荡会显著减弱，但系统对外界环境变化的响应能力会变差 [2-3]。 针对步长选择难的问题本文提出了一种改进的扰动观察法 。 仿真和试验验证了该方法的可行性和精确性， 提高了光伏电池的利用率 。１ 光伏电池特性任意环境条件下太阳电池的 I-V 特性表达式为：(1)其中：式中： α 为参考光照强度下的电流温度系数， 对于单晶硅和多晶硅光伏电池其实测值为： 0.001 21 Isc(A/ ℃ )。 β 为参考光照强度下的电压温度系数，对于单晶硅和多晶硅光伏电池其实测值为： β =0.005 Vsc(A/ ℃ )[4] 。选择 MSK 公司生产的型号为 LPS 125-135 的多晶硅太阳电池作为参考， 其参数为 V oc=33.5 V、 Isc=5.68 A 、 V m=26.6 V 、Im=5.05 A，在 Matlab/simulink 仿真环境下建立光伏电池的仿真模型 。 仿真得到温度恒定 (25 ℃ )光照强度变化和光照恒定(1 000 W/m2)温度变化时的 I-V 、 P-V 特性曲线如图 1~ 图 4 所示 。从上述仿真曲线可以看出： 短路电流 Isc 随光照强度成正比变化， 而开路电压则随之按对数规律变化 (比较小 )， 所以输出功率随光照强度增加而增加；而太阳电池工作温度的升高会引起短路电流的少量增加， 并引起开路电压的严重降低， 所以输出功率随电池温度的增加而减小 。 即光伏电池最大输出功率唯一且随外界环境变化而改变，因此为充分利用光伏电池所发出的能量需在光伏电池和负载之间安装最大功率跟踪装置 。á ? ? ? ??(1 {exp[( ) /( )] 1})I I C V DV C V DI= - - - +á ?? á ?? ??/ ( / 1)I R R T R R Iα? = ? + -áV T R Iβ? = - ? - ?á ? ?T T T? = -á ? ?? ? ? ??(1 / )exp[ /( )]C I I V C V= - -á? ? ?? ? ??( / 1)[ln(1 / )]C V V I I-= - -研 究 与 设 计２０１０． ２ Ｖ ｏｌ ． ３４ Ｎ ｏ． ２１８７很长的时间才能达到最大功率点，甚至可能会导致偏离最大现快速跟踪；接近最大功率点时斜率的绝对值变小，步长减整步长过大对系统精度和稳定性造成的影响，本文对电压调电池最大功率点两侧的输出特性具有非对称性，相同的电压变化所引起的功率变化有很大差别，在最大功率点右侧相同电压的变化所导致的功率变化要比左侧大，针对此现象本文设定的右侧最大扰动步长为 1， 而左侧最大扰动步长为 2。 其流程图如图 6 所示 。３ 改进的扰动观察法仿真研究以 Boost 变换器作为 DC/DC 变换电路， 建立了基于改进扰动观察法的光伏发电最大功率跟踪仿真模型如图 7 所示 。图中电感 L、 电容 C、 前端电容 C 和电阻负载 R 的取值分别为6× 10－ 4 H、 4.7× 10－ 6 F、 1.3× 10－ 6 H 和 50Ω [5]， 开关管的开关图 １ 光伏电池 Ｉ －Ｖ 特性曲线Ｆｉ ｇ． １ Ｉ －Ｖ ｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ图 ２ 光伏电池 Ｐ －Ｖ 特性曲线Ｆｉ ｇ． ２ Ｐ －Ｖ ｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ图 ３ 光伏电池 Ｉ －Ｖ 特性曲线Ｆｉ ｇ． ３ Ｉ －Ｖ ｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ图 ４ 光伏电池 Ｐ －Ｖ 特性曲线Ｆｉ ｇ． ４ Ｐ －Ｖ ｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆＰ Ｖ ｃｅｌ ｌ ｓ图 ５ 扰动观察法控制流程图Ｆｉ ｇ． ５ Ｃ ｏｎｔ ｒ ｏｌｆ ｌ ｏｗ ｃｈａｒ ｔｏｆｐｅｒ ｔ ｕｒ ｂａｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｏｂｓｅｒ ｖａｔ ｉ ｏｎ ｍ ｅｔ ｈｏｄ２０１０． ２ Ｖ ｏｌ ． ３４ Ｎ ｏ． ２研 究 与 设 计１８８和电流随温度变化的情况也严格符合上述光伏电池的输出特ｃｈａｎｇｅ研 究 与 设 计２０１０． ２ Ｖ ｏｌ ． ３４ Ｎ ｏ． ２１８９４ 实验研究以仿真模型为基础建立实验平台，该实验平台主要由 TI公司的 TMS320LF2407A 型号 DSP 芯片 、 光伏电池 、 Boost 变换电路构成 。图 13 给出了温度不变 (25 ℃ )、 光照从 1 000 W/m2 突增到1 500 W/m 2 时光伏电池的输出电压和电流波形 。可见基于本文设计的改进扰动观察法的光伏发电系统较好地跟踪了光伏电池的最大功率点，实验结果和上述理论及仿真分析吻合， 较好地验证了本算法的可行性和精确性 。５ 结束语本文针对扰动观察法步长难确定和光伏电池最大功率点两侧具有非对称性的特点， 提出了一种改进扰动观察法 。 该方法能在外界环境变化的情况下， 保证光伏电池快速 、 精确地跟踪最大功率点，在最大功率点附近的振荡极小，稳态精度较高 。 仿真和实验结果均表明了该方法的可行性和精确性 。参考文献：[1] 冯垛生 . 太阳能发电原理与应用 [M]. 北京： 人民邮电出版社，2007: 1-10.[2] 崔岩， 蔡炳煌， 李大勇， 等 . 太阳能光伏系统 MPPT 控制算法的对比研究 [J]. 太阳能学报， 2006, 27(6) ： 535-538.[3] 张超， 何湘宁 . 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用 [J]. 中国电机工程学报， 2006, 26(20) ： 98-101.[4] 茹美琴， 余世杰， 苏建徽 . 带有 MPPT 功能的光伏阵列 Matlab 通用仿真模型 [J]. 系统仿真学报， 2005, 17(5): 1248-1251.[5] LIU Xue-jun, LOPES L A C. An improved pertubation and observa-tion maximum power point tracking algorithithm for PV arrays[J].IEEE 35th Annual, 2004, 3: 2005-2010 .015010050P/W3001020V/V64I/A 50.00 0.100.05 0.15t /s1 5001 000R=1 000 W/m á R =1 300 W/m áR=1 500 W/m áR/(Wm-á)图 １１ 光照突变时电池输出功率 、 电压 、 电流波形Ｆｉ ｇ． １１ Ｗ ａｖｅｆ ｏｒ ｍ ｏｆｏｕｔ ｐｕｔｐｏｗ ｅｒ ，ｖｏｌ ｔ ａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒ ｒ ｅｎｔｕｎｄｅｒｓｕｄｄｅｎ ｉ ｌ ｌ ｕｍ ｉ ｎａｔ ｉ ｏｎ015010050P/W3001020V/V64I/A 50.00 0.100.05 0.15t /sR=50 ?4020R/? R=40 ?R=25 ?图 １２ 负载突变时电池输出功率 、 电压 、 电流波形Ｆｉ ｇ． １２ Ｗ ａｖｅｆ ｏｒ ｍ ｏｆｏｕｔ ｐｕｔｐｏｗ ｅｒ ，ｖｏｌ ｔ ａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒ ｒ ｅｎｔｕｎｄｅｒｓｕｄｄｅｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆｌ ｏａｄ图 １３ 日照强度突变时实验波形Ｆｉ ｇ． １３ Ｅ ｘｐｅｒ ｉ ｍ ｅｎｔ ａｌｒ ｅｓｕｌ ｔ ｓ ｏｆｓｕｄｄｅｎ ｉ ｌ ｌ ｕｍ ｉ ｎａｔ ｉ ｏｎ２０１０． ２ Ｖ ｏｌ ． ３４ Ｎ ｏ． ２研 究 与 设 计