光伏发电系统中的一种改进型扰动观察法

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(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元，由其组成的光伏阵列决定了光伏系统的额定发电量。由于光伏电池有着复杂的非线性输出特性[1]，外界的日照强度、温度对光伏电池的输出电压及电流造成的影响较大。当日照强度、温度的变化时，系统工作点亦随之改变，如果不对工作点进行调整，势必造成系统的功率损失。因此，为了将光能最大限度地转化为电能，应当对光伏阵列进行最大功率跟踪(Maximum Power point Tracking，MPPT)，使其始终工作在最大功率点。

传统的MPPT方法有扰动观察法、恒定电压法、电导增量法。其中扰动观察法简单可靠，易于实现且对传感器的精度要求不高。但由于该方法始终对输出电压施加扰动，因此会造成功率振荡，扰动步长的选择不能兼顾跟踪速度和精度[2]。恒定电压法控制过程简单，可靠性较高，具备较好的稳定性，缺点是忽略了环境温度对电池开路电压的影响，对环境的适应性很差[3]。增量电导法具备良好的跟随性能和较高的准确性。不过该方法对传感器的精度要求比较高，实现起来比较难[4]。

本文建立了光伏电池工程用数学模型，针对扰动观察法中步长的选择不能兼顾跟踪速度与精度这个缺点提出了一种具有快速定位功能的MPPT方法。

2 光伏电池工程用数学模型及其特性仿真

2.1 电池的工程用数学模型

光伏电池常用的等效电路图[5]如图1所示。

图1 日照下光伏电池的等效电路图

图1中Isc是标准光照强度下太阳能电池的短路电流；Io是P-N结的总扩散电流，电流方向与短路电流方向相反；Rsh是并联电阻；I是太阳能电池输出电流；Rs是串联电阻；U是太阳能电池输出电压。一般情况下，光伏电池厂家为用户提供四个参数，分别为光伏电池达到最大功率时的输出电压(Um)、输出电流(Im)、标准测试条件下的开路电压(Uoc)、短路电流(Isc)。在满足一定精度情况下可利用这几个参数建立实用的工程数学模型，根据等效电路图及电子学理论，光伏电池的I-U方程可表示为：

I={1-C1[exp((U+dU)/C2Uoc)-1]}Isc+dI

(1)

式中，C1=(1-Im/Isc)exp(-Um/C2Uoc)

(2)

(3)

dT=T-Tref

(4)

dU=bdT+RsdI

(5)

dI=(S/Sref-1)Isc+a*s/SrefdT

(6)

式中,a、b分别为参考日照强度下的电流温度系数、电压温度系数；S为日照强度；T为温度。

2.2 电池的输出特性仿真

日照强度和温度是影响太阳能电池输出特性的两个重要因素。为了检验上述光伏电池数学模型的正确性，以下对标准条件下电池的I-U与P-U曲线进行仿真。图2为电池的输出特性曲线图，其中标准测试条件下(Tref=298K,Sref=1000W/m2)电池参数选取为Um=34.8V、Im=7.47A、Pm=260W、Uoc=43.6V、Isc=7.9A。a、b分别取0.0025、0.5。

图2 标准条件下光伏电池的特性曲线

如图2所示光伏电池的输出功率可达到最大值，此时的光伏电池输出功率就是最大功率Pm，输出电流称为最大功率点电流Im，输出电压称为最大功率点电压Um。

3 利用Boost电路实现MPPT的机理

本文使用Boost升压电路对光伏电池组件的最大功率点进行跟踪，其具体电路结构图如图3所示。

图3 光伏电池与Boost变换器连接图

图3中的太阳能电池的输出电压和直流母线电压的关系如式(7)所示。把MPPT控制器输出的占空比参考值Dref和三角波进行比较，可以得到开关管的触发脉冲，从而可对太阳能电池的输出电压进行扰动，使光伏阵列的输出功率改变。由占空比参考值和三角波之间的几何关系可推导出如式(8)所示的实际占空比与占空比参考值之间的关系.把式(8)代入(7)可得到占空比参考值与输出电压的关系，如式(9)所示，这就是通过直接扰动占空比进行MPPT的原理。

Upv=(1-D)Udc

(7)

(8)

(9)

4 改进的扰动观察法

本文所提的改进扰动观察法的控制过程主要包括三个部分，分别为历史信息库的建立、当前气象信息与历史信息比对后快速定位、小步长的扰动观察。

(1)历史信息库的建立

太阳能电池输出的最大功率点随着日照强度和环境温度的变化而变化，某个特定的日照强度和温度值都有其对应的最大功率点电压，通过直接扰动占空比使输出电压等于最大功率点电压即可实现最大功率跟踪。如图4所示，以某地区的历史最低温度Tmin、历史最高温度Tmax、最小日照强度Smin、最大日照强度Smax为界限，由四个界限围成的区域称为“历史气象信息区”。从该区中选取适量较具有代表性的日照强度值S和室外温度值T，根据这些外部环境值绘制出相应的P-U曲线，由曲线可得到某日照强度和温度下光伏电池的最大功率点电压Um，由式(7)又可求取Boost升压电路中开关管对应的占空比Dm，记录好各个坐标点的S、T、Um、Dm的值，这些不同的坐标点及其附带的信息形成一个如表1所示的信息库，表中，Smin≤Si≤Smax，Tmin≤Tj≤Tmax。信息库中的采集的信息越多，实时的外界环境量与信息库进行比对后所得到的Um、Dm值更接近实际值，考虑到MPPT控制器运算速度，信息库中的信息亦不宜过多。

图4 某地区具有代表性的历史气象信息

S1S2…SiT1Um11、Dm11Um21、Dm21…Umi1、Dmi1T2Um12、Dm12Um22、Dm22…Umi2、Dmi2︙︙︙︙︙TjUm1j、Dm1jUm2j、Dm2j…Umij、Dmij

(2)信息比对后的快速定位

将当前环境的光照强度、温度值与历史信息库中的光照强度、温度值进行比对，如图5所示由于一天之中光照强度的变化较温度的变化大，因此在与信息库比对时，应先从信息库中选出最接近当前光照强度的点，然后再从这些点中选出最接近当前温度的那个点，此点即为最吻合的点。在历史信息库中找到最吻合当前光照强度和温度的点，该点的Um、Dm可大致认为是当前环境下光伏电池的最大功率点电压及其对应的占空比。若当前电池输出电压与Um相差较大则直接扰动Boost升压电路的占空比使电池输出电压迅速定位到Um,这样输出功率就达到最大功率附近，这个步骤仅仅是对最大功率的粗略跟踪，并非最终结果。

图5 信息的比对过程图

(3)小步长的扰动观察

经过快速定位后，太阳能电池的输出功率并不一定就达到了最大值，由于外界的光照强度和温度值是连续变量，所建立的历史信息库并不能囊括所有的光强值、温度值而只能选取一些较具代表性气象信息。由于此时电池的输出功率已经达到最大功率附近，因此可以小步长扰动进行第二步的精细跟踪，使输出功率趋于最大功率。

图6 改进的MPPT方法流程图

图6为改进的MPPT方法流程图。具体过程为将工作时采样到的日照强度S、温度T与历史信息库进行比对，得出当前日照强度和温度下光伏电池的近似的最大功率点电压Um，当工作电压Uk与近似最大功率点电压Um之间的距离大于给定的电压误差时，将Dref设置为Um对应的参考值Dm，使太阳能电池的输出电压迅速趋于Um，此时的输出功率相应达到最大功率附近，这是对最大功率的“粗跟踪”，这个过程极大提高了MPPT的跟踪速度。因为扰动观察法简单可靠、容易实现及对传感器要求不高，因此随后采用扰动观察法以一个很小的步长对工作点进行扰动，使电池的输出功率逐渐达到最大功率，这是对最大功率的“细跟踪”。“粗跟踪”使工作点迅速达到最大功率附近，“细跟踪”进一步提高跟踪的精度。由于“细跟踪”是在光太阳能电池工作点接近最大功率点才启用的，因此可以一个很小的步长进行扰动，这样就解决了传统的扰动观察法不能兼顾跟踪速度和精度这个问题。

5 仿真分析

为验证上述改进的MPPT方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建图3所示的电路图进行建模仿真，光伏电池的数学模型采用工程用数学模型，电池组件参数采用欧贝黎新能源科技股份有限公司生产的Eptech156P-260/72型光伏电池组件(标准测试条件下短路电流ISC=7.9A，开路电压Uoc=43.6V，工作电流Im=7.47A，工作电压Um=34.8V)。以下对日照强度变化下光伏电池的MPPT情况进行仿真。

图7是太阳能电池温度恒为25℃，日照强度从1000W/m2→900W/m2→800W/m2时光伏电池输出端的波形图，图7(a)是日照强度变化曲线图，图7(b)是光伏电池的输出电压图，图7(c)是光伏电池的输出电流图，图7(d)为输出功率图。从上图可看出，当日射强度变化时本研究所提出的MPPT方法能够对最大功率进行实时跟踪。

6 总结

本文首先建立了光伏电池的工程用数学模型并对其输出特性曲线进行了仿真，仿真结果检验了该数学模型的正确性。针对传统的扰动观察法中步长的选择不可兼顾跟踪速度与精度这个缺点提出了改进的扰动观察法，并在Matlab/Simulink仿真平台下对改进的方法进行了仿真，结果表明改进的扰动观察法能快速跟踪光伏电池的最大功率并可使光伏电池在最大功率点处的振荡很小。

图7 日照强度变化时(温度恒为25℃)电池各输出量的波形

[1] 王飞，余世杰，苏建徽，等.采用最大功率点跟踪的光伏并网逆变器研究.电力电子技术，2004,38(5)：4-5.

[2] N.Femia,G.Petron,G.Spagnuolo,et al.Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(4):963-973.

[3] Masoum MA S，Dehbonei H，Fuchs E E Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltageand current-based maximum power-point tracking.IEEE Transactions OnEnergy Conversion 2002；17(4)：514-522.

[4] 周林，武剑，栗秋华，等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术，2008，34(6)：1145-1154.

[5] 赵福鑫,魏彦章.太阳电池及其应用[M].北京:国防工业出版社,1985.