儲海兵

（江蘇昆山供電公司，昆山314100）

0 引言

隨著太陽能等常規(guī)能源的日漸枯竭，綠色環(huán)保的清潔能源日益受到人們的關(guān)注。諸如太陽能之類的可再生能源在各國得到著重發(fā)展，并被廣泛的應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)中去。

太陽能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。光伏發(fā)電是太陽能光發(fā)電的一種，它是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，是一種將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電具有節(jié)能環(huán)保、不受資源分布制約、安全可靠等很多優(yōu)點，但是由于太陽光照具有不穩(wěn)定性，受氣候、環(huán)境影響較大，因此，光伏發(fā)電也存在著很多需要解決的難題，例如如何使光伏電池始終工作在最大功率點。

光伏電池是光伏發(fā)電的一個重要組成部分，隨著太陽光照強度和溫度的不斷變化，光伏電池輸出的電壓和電流呈現(xiàn)出很強的非線性，在光照強度和溫度一定時，光伏電池具有唯一的一個最大功率點。因此，如何在外界環(huán)境不斷變化的條件下，使光伏電池的輸出功率始終保持在最大功率點處成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個亟待解決的問題。目前，為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤采用了很多控制方法，如擾動觀測法、增量電導(dǎo)法、恒壓追蹤法等[1-2]。

在眾多方法中，擾動觀察法具有實現(xiàn)簡單，跟蹤高效等特點，但是傳統(tǒng)的擾動觀察法步長固定，而步長的設(shè)置對其跟蹤速度與跟蹤精度有很大的影響。當(dāng)步長設(shè)置較小時，達到最大功率點所需要的擾動次數(shù)較多，時間較長，達到最大功率點附近時震蕩的幅度較?。划?dāng)步長設(shè)置較大時，達到最大功率點所耗費的時間較短，但達到最大功率點附近時的震蕩幅度較大。因此，如何選擇合適的步長，以獲得最快的跟蹤速度與較高的跟蹤精度成了一個重要問題。為了解決這一問題產(chǎn)生了很多改進的方法，例如變步長變占空比擾動觀察法、基于遺傳算法和擾動觀察法的MPPT 算法[3]等。在本文中，采用MATLAB/Simulink 分別對擾動觀察法、變步長變占空比擾動觀察法進行了建模仿真，并對實際仿真運行的運行結(jié)果進行了比較觀察。結(jié)果表明，變步長變占空比擾動觀察法較傳統(tǒng)的固定步長擾動觀察法在跟蹤速度和跟蹤精度方面都有了明顯的改善提高。

1 光伏電池工作特性

光伏電池的輸出功率隨著太陽光照強度、溫度和負載的變化而成非線性變換，外部條件固定時，在特定工作電壓下，功率達到最大值時，這個功率最大值點即為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）。光伏電池P-U 特性曲線如圖1 所示。

圖1 光伏電池P-U特性曲線

在使用太陽能光伏發(fā)電的過程中，為了提高系統(tǒng)的工作效率，獲得最優(yōu)的性能，需要對功率進行不斷尋優(yōu)，以使光伏電池始終工作在最大功率點附近，這個尋優(yōu)過程被稱之為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）[4]，目前，最大功率點跟蹤技術(shù)已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究熱點。

2 工作原理及系統(tǒng)建模與仿真

傳統(tǒng)的固定步長擾動觀察法及改進的擾動觀察法仿真模型包括：光伏電池（PV）模塊[5]，DC/DC 變換電路，擾動觀察法（P&O）控制器模塊,脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊。

仿真參數(shù)設(shè)定如下：環(huán)境溫度為25°C，太陽光照強度為從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2。電容C1=0.001F,電容C2=0.002F，電感L=0.003H；PWM脈沖信號周期為0.001s，零階保持器的采樣周期為0.0001s，負載R=18Ω。

系統(tǒng)的工作流程為：首先，設(shè)定太陽光照強度和環(huán)境溫度。為了更好地觀察擾動觀察法的跟蹤效果，本文中將環(huán)境溫度設(shè)為25°C，太陽光照強度設(shè)為從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2。光伏電池模塊輸出電壓U 和電流I，電壓、電流經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)化為擾動觀察法控制器所需要的信號形式輸入到擾動觀察法控制器模塊，經(jīng)過擾動控制后再將輸出的信號輸入到脈沖寬度調(diào)制模塊中去。通過脈沖寬度調(diào)制模塊，改變輸出波形的占空比。再將改變占空比之后的波形輸入至DC/DC 變換電路，通過使用DC/DC 電路，將電壓不穩(wěn)定的直流電流變成我們所需要的電壓穩(wěn)定的直流電流。將電壓值與電流值相乘，所得結(jié)果輸入到示波器，通過示波器觀察尋優(yōu)的過程。通過擾動觀察法控制器的不斷擾動，調(diào)整電壓或者占空比，最終找到最大功率點，完成最大功率點尋優(yōu)的過程。

2.1 擾動觀察法原理及仿真模型

擾動觀察法的原理是對光伏電池輸出的電壓進行不斷擾動調(diào)整，通過比較擾動前后功率值的大小，不斷調(diào)整擾動方向，最終找到最大功率點。在最大功率點尋優(yōu)過程中，若功率值較前一時刻增大，說明電壓調(diào)整的方向正確，則繼續(xù)按照原方向?qū)﹄妷哼M行擾動；若功率值較前一時刻減小，說明電壓調(diào)整的方向錯誤，則改為采用與原方向相反的擾動。

擾動觀察法的算法流程圖如圖2 所示。

圖2 擾動觀察法的算法流程圖

基于擾動觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型如圖3 所示。

圖3 基于擾動觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 仿真模型

2.2 變步長變占空比擾動觀察法原理及仿真模型

變步長變占空比擾動觀察法的原理是每隔一定的時間對光伏電池的占空比進行變步長的擾動，使占空比增加或減少，與此同時，同時對輸出功率進行觀測，通過比較功率值的變化方向決定下一步的擾動方向，最終實現(xiàn)最大功率點尋優(yōu)的目的。

圖4 基于變步長變占空比擾動觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型

變步長變占空比擾動觀察法的仿真模型在基于擾動觀察控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 仿真模型的基礎(chǔ)上對P&O 模塊與PWM 模塊進行了改進，將固定步長固定占空比的擾動形式變?yōu)樽儾介L變占空比的擾動形式[6-8]。

本文所采用的變步長變占空比擾動觀察法的思路為將電壓、電流相乘，獲得功率P。通過P 的變化方向，來對占空比進行變步長擾動。若功率值較前一時刻增大，說明占空比調(diào)整的方向正確，則采用大步長來改動占空比，將步長值設(shè)置為0.01，占空比擾動方向不變；若功率值較前一時刻減小，說明占空比調(diào)整的方向錯誤，則改為采用小步長來改動占空比，將步長值設(shè)置為0.001，占空比擾動方向設(shè)置為與原擾動方向相反。其仿真模型如圖4 所示。

2.4 仿真結(jié)果

傳統(tǒng)的固定步長擾動觀察法仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于擾動觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真結(jié)果

如圖5 所示，日照強度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時，仿真分別于0.25 秒、2.12 秒、4.14 秒左右達到穩(wěn)定，達到穩(wěn)定時，該光照強度下的輸出功率最大值分別為190W、151W、107W 左右。達到穩(wěn)定后，曲線在一定的范圍內(nèi)來回震蕩。

如圖6 所示，日照強度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時，仿真分別于0.02 秒、2.03 秒、4.06 秒左右達到穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定后保持在一個恒定的值上，無震蕩，不會有多余的能量損失。

圖6 基于變步長變占空比擾動觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型

3 結(jié)語

本文對擾動觀察法及變步長變占空比擾動觀察法的跟蹤原理進行了分析，并據(jù)此對兩種方法建立MATLAB/Simulink 仿真模型進行仿真實驗。通過仿真實驗，獲得了最大功率跟蹤的尋優(yōu)曲線，將獲得的尋優(yōu)曲線進行了對比，進一步說明變步長變占空比擾動觀察法較之傳統(tǒng)的固定步長擾動觀察法更加具有優(yōu)越性。

在環(huán)境溫度為25°C，太陽光照強度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時，采用固定步長擾動觀察法在經(jīng)過一段時間的尋優(yōu)后能夠達到最優(yōu)值，并在最優(yōu)值附近不斷震蕩，雖然震蕩步長設(shè)置合理時，震蕩的幅度不會很大，但也會產(chǎn)生一定的不必要的能量損失；采用變步長變占空比擾動觀察法時，能夠在很短時間內(nèi)達到最優(yōu)值，并且在達到最優(yōu)值時穩(wěn)定在一個固定的數(shù)值，不發(fā)生震蕩，因此不會產(chǎn)生能量損失。仿真結(jié)果表明：采用變步長變占空比擾動觀察法時系統(tǒng)的動態(tài)性能良好，能夠很好地適應(yīng)不斷變化的外界環(huán)境，在太陽光照強度變化較大時，能夠快速尋找到最大功率點，使系統(tǒng)工作在最大功率點處，具有很好的實用價值。