基于自适应占空比扰动法的最大功率点跟踪控制

李一丹，王笃亭，朱显辉，康红明，卫三民

(1.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022;2.北京西电华清科技有限公司，北京 100085)

太阳能的开发利用是最终解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径［1－2］。太阳能光伏并网发电就是利用光伏电池进行光电转换，并把太阳能电池方阵发出的直流电转换成符合入网标准的交流电与电网联结。

所有的光伏系统都希望光伏电池阵列在同样日照和温度的条件下输出尽可能多的电能，以提高其发电效率，这就是太阳能电池阵列的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)。如何采用更为可靠和高效的最大功率点跟踪控制策略，使太阳能电池板更加有效地将太阳能转换为电能，是光伏发电的关键技术之一［3］。截止目前，已经提出了很多最大功率点跟踪方法，较为常用的有恒压法、扰动观测法和导纳增量法［4－7］。扰动观测法由于实现简单，需要测量的参数少，是目前光伏系统中最为常见的MPPT方法。但该方法在系统达到最大功率点后会在其左右振荡，造成较大的能量损耗。本文在此方法基础上，分析了几种扰动观测法，并提出了一种能克服上述不足的自适应占空比扰动法，采用两级变换结构的光伏发电系统实现对光伏电池阵列最大功率点跟踪。

1 光伏并网发电系统的结构

目前中国光伏发电系统的设计主要采用两级变换结构，如图1所示。发电系统包括DC/DC和DC/AC两个环节，第一级为一个BOOST电路，通过改变BOOST电路中功率开关器件的占空比，调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率点跟踪［8－10］。BOOST电路的另一个作用是对太阳能电池输出电压进行升压(因为太阳能电池阵列输出的直流电压比较低，通常低于电网电压的峰值)。第二级为高频或工频逆变器，目的是将太阳能电池输出的直流电变换成交流电，主要控制输出电流使其与电网电压同频同相，功率因数近似为1，向电网输送有功功率。

图1 两极式光伏并网发电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of a double－state grid－connected photovoltaic system

这种光伏并网发电系统结构简单、电路成熟，前后级具有独立的控制手段和目标，无需同步，可以分开设计，控制环节比较容易设计和实现。

2 太阳能光伏电池的工作特性

光伏电池是一个非线性直流电源，具有特殊的伏安特性曲线，在一定的日照强度和环境温度条件下的光伏电池伏安特性曲线如图2所示。

图2 光伏阵列在不同光照下的特性曲线Fig.2 Characteristic curves of PV module under different light intensity

从图2可以看出，光伏阵列的输出功率随着输出电压的变化而变化，只有在某一输出电压值Um时(对应曲线上的工作点M)，输出功率Pm=UmIm才能达到最大值(Pm和Um分别为太阳能电池阵列最大功率点时所对应的输出功率与电压)。一般称M点为光伏电池的最大功率点MPP。提高光伏发电系统整体效率的一个重要途径就是调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，即实现最大功率点跟踪MPPT。另一方面，太阳能光伏电池特性受光照强度和环境温度影响很大。光伏电池在任何时刻都存在一个最大功率输出的工作点，而且随着光照的变化而变化。MPPT的实质是一个自寻优的过程。

3 基于扰动观测法的MPPT方法对比

3.1 扰动观测法

扰动观测法的原理是先对光伏电池阵列施加一电压扰动，然后测量光伏电池的输出功率，将其与扰动前的功率比较，若功率变化ΔP为正，表明功率增加，则可继续施加同一方向的电压扰动，直至达到最大功率;若ΔP为负，表明功率减小，则需反方向施加电压扰动。扰动观测法跟踪情况如图3所示。

图3 扰动观察法跟踪过程示意图Fig.3 Tracking of perturb－and－observe method

这种方法简单，易于硬件实现，但是响应速度慢，并且稳态情况下，会导致光伏电池阵列的实际工作点在最大功率点附近振荡，造成功率损失。

3.2 占空比扰动法

由图3可知，当ΔP/ΔU＞0时，系统运行在最大功率点左边;当ΔP/ΔU＜0时，系统运行在最大功率点右边;当ΔP/ΔU=0时，系统运行在最大功率点。占空比扰动法是直接用DC/DC变换器的占空比D作为控制参数，建立MPPT控制器使ΔP/ΔU=0，即输出功率达到最大值。利用占空比法的光伏发电系统原理框图如图4所示［11］。MPPT控制器接收检测的光伏电池输出功率，根据MPPT算法得出相应的占空比D，以控制DC/DC变换器实现最大功率点跟踪。

图4 占空比扰动法原理框图Fig.4 Block diagram of duty cycle perturb method

3.3 自适应占空比扰动法

在占空比扰动观察法中，占空比的每次步长改变是固定的［12］。步长过大会使系统的动态响应变差，而步长过小会使系统的稳态性能变差。为了更有效地进行最大功率跟踪，本文在占空比扰动的基础上提出一种改进的自适应占空比扰动法，控制流程如图5所示。

首先设定精度E，用来判断是否达到最大功率Pm。采样第k时刻电压和电流，求出P(k)，第k时刻P－U曲线的斜率ΔP/ΔU可表示为

当ΔP/ΔU＞0时，则增大D，使输出功率逐渐增加，即第k+1时刻的D(k+1)=D(k)+(αε);当 ΔP/ΔU ＜0时，减小 D，即 D(k+1)=D(k)－(α － ε)。

图5 自适应占空比扰动算法控制流程图Fig.5 Flowchart of self－adaptive duty cycle perturbation

自适应因子ε(k)用来调节下一时刻的D。当采样点离Pm较远时，ε较小，ΔD=α－ε(k)值较大，跟踪速度较快;当采样点逐渐接近Pm时，ε逐渐变大，ΔD=α－ε(k)值越来越小，跟踪精度提高。D与P之间的关系如图6所示。由图6可以看到，P－D曲线与P－U曲线非常相似。

图6 P－D关系曲线Fig.6 P－D curve

4 最大功率点跟踪控制

第一级DC－DC变换器控制部分的控制框图如图7所示。

图7 DC－DC电路的MPPT控制框图Fig.7 Diagram of MPPT control of DC－DC converter

首先检测光伏电池阵列的电压和电流，输入到MPPT控制器，相乘得到光伏电池阵列的输出功率，根据提出的自适应占空比方法得到最大功率点的参考电压Uref。然后将得到的参考值Uref与检测的光伏电池电压相比较，差值经过一个PI环节作为调制信号，该调制信号与固定频率的三角波比较产生DC－DC电路的PWM开关控制信号。最后通过驱动电路对控制信号进行隔离放大控制DC－DC电路开关器件的状态。通过不断调节开关器件的占空比，实现光伏电池阵列最大功率的跟踪

5 结语

在扰动观察法的基础上，提出了一种改进的自适应占空比扰动法。该方法跟踪迅速，能够减少系统在最大功率点附近的振荡，提高系统的跟踪速度和精度。

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