張 杰 李良光

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近些年來，隨著傳統(tǒng)能源日益短缺、環(huán)境問題形勢(shì)嚴(yán)峻，利用和開發(fā)新能源已經(jīng)是各國(guó)的研究重點(diǎn)。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的推動(dòng)下，大力發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電成為必然[1]。太陽(yáng)能作為優(yōu)質(zhì)的可再生能源，具有環(huán)保性、廣泛性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)潛力和開發(fā)前景巨大，已被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮了良好的作用[2]。對(duì)于已知的光伏系統(tǒng)而言，其最大功率與外界環(huán)境息息相關(guān)，如太陽(yáng)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等[3]。因此，為獲得最大功率，引入最大功率的算法十分必要。當(dāng)前，功率追蹤方法有很多，擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法是目前最常使用的兩種算法，另外還有很多人工智能算法應(yīng)用于最大功率點(diǎn)的追蹤，例如粒子群優(yōu)化算法、布谷鳥算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，智能算法雖然搜索能力強(qiáng)，能在復(fù)雜的環(huán)境中尋找最大功率點(diǎn)，但其需要多次復(fù)雜的計(jì)算，而且自尋優(yōu)時(shí)間過長(zhǎng)[4]。

在諸多算法中，擾動(dòng)觀察法需要的未知參數(shù)少，計(jì)算簡(jiǎn)單方便，找尋最大功率點(diǎn)的效率較高，能夠更好地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察往往采用固定步長(zhǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，系統(tǒng)輸出功率在最大功率點(diǎn)附近振蕩明顯，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，造成能量損失[5]。因此，本文采用變步長(zhǎng)跟蹤擾動(dòng)觀察法來改善速度與穩(wěn)定性，提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率狀態(tài)運(yùn)行下振蕩所帶來的能量損失，最后通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。

1 光伏電池的模型與特性

光伏電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，它可以將太陽(yáng)能通過電池內(nèi)部的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)換成可控且有規(guī)律的電能[6]。為了在光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中更好地分析光伏電池的特性，以及與光伏控制系統(tǒng)更好地適配，達(dá)到最佳發(fā)電效果，有必要建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。圖中的二極管D模擬光伏電池PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的分流作用，分流之后的能量輸出到負(fù)載RL，光伏電池的內(nèi)部損耗由并聯(lián)的電阻RP和串聯(lián)的電阻RS表示[7]。

圖1 光伏電池等效電路模型

由圖1可知，根據(jù)KCL定律可得：

其中：

在圖1所示的光伏電池等效電路中，串聯(lián)電阻RS較小，并聯(lián)電阻RP較大且大于串聯(lián)電阻RS，對(duì)于理想光伏電池可忽略RP的影響，所以式（1）可簡(jiǎn)化為：

式（3）中各個(gè)物理量含義如表1所示。

表1 光伏電池特性方程參數(shù)

2 光伏電池的輸出特性

在Matlab軟件中可知在溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，Uoc=36.3 V，Isc=7.84 A，RS=0.39 Ω，根據(jù)以上參數(shù)可以確定光伏電池的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系以及輸出功率與輸出電壓的關(guān)系。圖2為光伏電池I—U特性曲線，圖3為光伏電池P—U特性曲線，由圖2、圖3可知光伏電池輸出特性是非線性的，但其在運(yùn)行過程中有唯一的最大功率點(diǎn)，所以，采用最大功率點(diǎn)追蹤方法來控制光伏電池的最大功率點(diǎn)，有利于提高光伏電池的發(fā)電效率。

圖2 光伏電池I—U特性曲線

圖3 光伏電池P—U特性曲線

3 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，即在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)光伏電池的功率P和電壓V進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并給系統(tǒng)一個(gè)固定的擾動(dòng)量ΔV，圖4為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的流程圖，當(dāng)ΔP/ΔV=0時(shí)即達(dá)到光伏電池的最大功率點(diǎn)；當(dāng)ΔP/ΔV＞0時(shí)，說明此時(shí)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，需要升高電壓；反之，ΔP/ΔV＜0時(shí)，說明此時(shí)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，需要減小電壓。

圖4 擾動(dòng)觀察法流程圖

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法有控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是，擾動(dòng)步長(zhǎng)的選取直接影響追蹤的效果，選取大步長(zhǎng)時(shí)，追蹤速度快，但振蕩明顯，幅度較大；選取小步長(zhǎng)時(shí)，振蕩幅度較小，但追蹤速度緩慢[8]。所以，步長(zhǎng)的選取非常關(guān)鍵。

4 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法通常全程采取固定的擾動(dòng)步長(zhǎng)來保持追蹤最大功率點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，無法同時(shí)兼顧追蹤速度和運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。本文提出的改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，采取非固定的擾動(dòng)步長(zhǎng)來兼顧最大功率點(diǎn)追蹤的速度與穩(wěn)定性，具體是當(dāng)光伏系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)采取大步長(zhǎng)進(jìn)行擾動(dòng)以提高最大功率點(diǎn)的追蹤速度，當(dāng)臨近追蹤目標(biāo)時(shí)采取小步長(zhǎng)以減小系統(tǒng)振蕩幅度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖3可知，光伏電池P—U特性曲線的斜率不斷變化，即dP/dV在時(shí)刻變化，|dP/dV|值越小，系統(tǒng)的工作點(diǎn)越接近最大功率點(diǎn)；|dP/dV|值等于0，系統(tǒng)的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)處。根據(jù)這一特性，將|dP/dV|作為步長(zhǎng)的調(diào)整系數(shù)。取ΔV=α×β，α取值為0.1，圖5為改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法的流程圖。

圖5 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法流程圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

采用Matlab/Simulink進(jìn)行模型搭建以驗(yàn)證改進(jìn)的控制策略的可行性。將光伏電池分別接入編寫傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法和改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法的S-Function模塊中，采用PI調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)的輸出電流進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保證其穩(wěn)定性。其中子系統(tǒng)是PWM模塊，是能夠按照一定規(guī)則調(diào)制各脈沖寬度進(jìn)而改變占空比的脈寬調(diào)制器。系統(tǒng)在光照強(qiáng)度為1 000 W/m2、溫度為25℃的條件下運(yùn)行0.5 s，最終得到兩種方法的輸出功率曲線圖，再進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6、圖7為傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法與改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法的輸出功率曲線圖，二者均在0.05 s左右達(dá)到最大功率點(diǎn)，但傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法振蕩明顯，改進(jìn)的控制策略在保證追蹤速度的同時(shí)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠兼顧光伏系統(tǒng)運(yùn)行的速度與穩(wěn)定性。

圖6 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法輸出功率曲線

圖7 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法輸出功率曲線

另外，對(duì)傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法和改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法的輸出功率曲線圖截取0.26～0.27 s、功率范圍為84.4～85.2 kW的部分進(jìn)行對(duì)比，如圖8、圖9所示。從圖8中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察振蕩很大，導(dǎo)致能量損耗嚴(yán)重；如圖9所示，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法顯著減小了振蕩幅度，避免了過多的能量損失。

圖8 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法0.26～0.27 s的輸出功率曲線

圖9 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法0.26～0.27 s的輸出功率曲線

6 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的不足，提出了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，在分析光伏電池的模型和輸出特性的基礎(chǔ)上，通過Matlab/Simulink進(jìn)行建模與仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析得出，本文提出的改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法能夠兼顧追蹤速度和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有效減少能量損失，提高發(fā)電量。