基于扰动观察法的Boost电路实现光伏阵列的MPPT策略

聃坡论坛　民营科技２０１２年第１０期　基于扰动观察法的Ｂｏｏｓｔ电路实现光伏阵列的　ＭＰＰＴ　策略　高原　（秦皇岛市引青管理局，河北秦皇岛０６６００１）　摘要：由于光伏阵列输出特性具有非线性，为了提高光伏发电系统的输出效率，需要对其进行最大功率点跟踪（ＭＰＩｙｒ），提出了　基于扰动观察法的最大功率点跟踪方法。该控制方法以光伏输出功率的变化为判断依据，通过对光伏电池的输出电压进行调节．从而　实现最大功率点跟踪。　关键词：光伏阵列发电；最大功率点跟踪；扰动观察法　太阳能作为一种无污染、可再生的能源，日益受到人们的关　可对这一特性进行分析。其中ｕ、Ｔ、Ｇ作为输人，Ｉ、Ｐ作为输出。建　注，光伏发电在未来的供电系统中扮演着重要的角色＿１ｌ。但是，光　立输入变量Ｕ在０￣２５Ｖ之间，温度Ｔ＝２５￣Ｃ，日照强度　伏发电由于其核心光伏阵列具有非线性的输出特性，受光照强　Ｇ＝１０００Ｗ／ＩＩＩ２的仿真模型如图２所示。　度、环境温度和负载的影响较大导致输出功率不稳定，发电效率　降低。因此如何进一步提高光伏阵列的转换效率，充分利用其转　换的能量实现最大功率跟踪，一直是光伏发电系统研究的一项重　要课题。　由于电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性　发生较大的变化，为了提高光伏系统的效率，充分利用光伏阵列　产生的能量，因此需要光伏阵列的输出始终保持最大，系统要求　实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。要解决此问题可在光伏阵列　与负载之间加入最大功率点跟踪装置，即ＭＰＰＴ。由于光伏发电系　统在拓扑结构、负载特性等方面的差异，光伏阵列最大功率跟踪　¨　的方法也多种多样。目前比较常见的控制方法有扰动观察法　（Ｐｅｒｕｒｈａｔｉｏｎ＆Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｐ＆Ｏ）、恒定电压法（ＣＶＴ）、电导增量法、　模糊逻辑控制法等。其中，扰动观察法应用最多，但是传统的扰动　图２光伏阵列Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型　观察法在跟踪精度和响应速度上始终存在着矛盾，使得系统不能　采用Ｕ、Ｔ、Ｇ作为输入，Ｉ、Ｐ为输出。输入变量ｕ在０—２５Ｖ之　兼顾两者达到最佳控制效果。　间，温度Ｔ＝２５℃和１５　ｏＣ、日照强度分别为在６００　１０００Ｗ／ｍｚ，得到　１　扰动观察法原理　光伏阵列的Ｉ—Ｖ、Ｐ—Ｖ关系如图３、４。　扰动观测法的原理就是扰动功率变换器的占空比，引起光伏　从图３可以看出，在日照强度和温度一定时光伏阵列伏安特　阵列输出电压的变化，然后通过观测其后的功率变化方向，确定　性曲线具有强烈的非线性，它既非恒压源，也非恒流源，也不可能　最大功率点（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）的位置。该方法的实现　为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流　与光伏阵列的具体模型不相关。该光伏阵列输出功率特性曲线如　在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下　图１所示。图１中，在ＭＰＰ左侧，增加（减小）电池电压，导致输出　降率很大。可以看到，光伏阵列的开路电压，短路电流在日照强度　功率同方向变化；在ＭＰＰ右侧，增加（减Ｉ１－０电池电压，导致输出功　不变的情况下都会受到温度变化的影响：开路电压将随温度的升　率反方向变化。如果功率变化为正，则控制电压保持相同的扰动　高而降低，而短路电流将随温度升高而略有增加。在温度恒定不　方向，以达到ＭＰＰ；如果功率变化为负，则电压扰动方向反向　。　变的情况下，日照强度越大，光伏阵列的输出电流越大，而开路电　在不同光照强度下，光伏电池Ｐ—ｖ特性曲线如图１所示。由　压的变化不大。　图１的光伏电池Ｐ—Ｖ曲线可以看出，在最大功率点　的两侧，　斜率ｄＰ／ｄＶ的符号不同，其中ｄＰ和ｄＶ分别代表光伏电池的输出　ｌ～　＼　＼　—、　１　２６…１　功率和输出电压的变化，扰动观察法就是利用以上特性来实现最　＼　大功率点跟踪的控制策略。　ｌ　ｌ　　Ｉ、＼、＼　　一、　｝　　｝＼Ｉ　ｒ　＼｜　、输　、　＼｜ｆ｜Ｉｉ　　Ｌ　—　、　ｍ　｝？　功　ｌ　｛｜　燃　、　埘　《　光伏电脏　Ｐ　图１光伏电池功率电压曲线　ｆ　２光伏阵列特性　下面运用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对该光伏电池阵列进行仿真。光伏　＼　＼　己　１０　＇弓　２０　弱　∞　阵列利用太阳能发电，因此其输出电流、输出电压自然受到外界　输出电压ｌｖ）　气候因素如温度、日照强度等的影响，根据Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真结果　图３光伏阵列电压／电流特性曲线　０　民营科技２０１２年第１０期　科技论坛　１　５一１　２５　ｌ　　１２Ｉ）将雷蔼纂　｛己　∞　∞　∞　柏　船　／／、　／　／　／／一　１　龟　／　／一　／　／／　／／　　／　窗中建立阻抗变换关系的仿真模型，用建立的光伏阵列仿真模型　建立如图６的仿真系统，模拟日照辐射强度为６００Ｗ／ｍ　，环境温度　为２５℃时，负载为ｉ００，通过调整占空比Ｄ在ｌ０，ｌ１变化时光伏阵　列输出特性。设置仿真参数后，运行仿真可得到罔７（ａ）的波形网，　从曲线图可以看　Ｄ在Ｉｏ，Ｉ１变化时，光伏阵列的输　功率存在一　个最大值，即Ｄ约为０．７７。由式（１）可计算此时的等效电阻为：　Ｒｌ＝ＲＩ　Ｘ（Ｉ－Ｄ）２－１００×（Ｉ一０．７７）　＝５．２９ｎ　（２）　此部分是将由太阳能电池板转化过来的电能最大限度的输　送到蓄电池装置和供负载使用，通过电路设计和算法控制能提高　光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率输出而　进行最大功率点跟踪。　／　／　：｜　７　。　／　＼　＼　图４光伏阵列功率／电压特性曲线　从图４光伏阵列的Ｐ—Ｖ特性曲线中可以看ｍ，在日照强度和　温度一定时，每个曲线都有一个最大值，这就是光伏阵列的最大　功率点。温度恒定时，日照强度越大，其输出功率越大。在日照强　度恒定的情况下，温度的上升，会造成光伏电池输出功率的减小，　因此Ｔ作环境的温度将会直接影响到光伏电池的效率。　仿真模型是建立在光伏电池工作原理的基础上的物理机制　的光伏阵列仿真模型，能准确的反映其物理特性，同时，模型的相　图６光伏阵列ＭＰＰＴ原理仿真模型　关电气参数与实际参数严格对应，仿真精度高。研究光伏阵列的　使ＲＬ＝１０ｆ￣，可得到图７（ｂ）的波形图，这时最大功率发生在Ｄ　仿真模型，有助于理解租掌握光伏阵列的物理特性和输出特性，　为０．２７处。同样由式（１）计算此时的等效电阻为：　了解和掌握影响光伏阵列输出特性的各个因素，把这些特性用于　Ｒ’＝ＲＩ　ｘ（１－Ｄ）２＝１０×（１－０．７７）２－＝５．３ｎ　（３）　电路和系统仿真中，有助于更加充分了解和发挥光伏阵列在光伏　可见，当光伏阵列带不同负载时，可以通过调节占空比Ｄ，利　发电系统中的应用。　用Ｂｏｏｓｔ变换电路的阻抗变换特性来达到最佳匹配的目的，使光　３　Ｂｏｏｓｔ电路实现光伏阵列ＭＰＰＴ　伏阵列工作在最大功率点。　无论是独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，这些光伏　发电系统存在一个共性：光伏阵列并不是理想和容易控制的电　源，充分利用光伏阵列性能的有效方法，是在光伏阵列和负载之　间加人ＭＰＹ］＇装置，而几乎所有的ＭＰＹｒ装置都是由电力电子装　置构成的。目前对实现光伏发电ＭＰＰＴ控制的仿真模型研究都是　在建立光伏阵列仿真模型的基础上，添加电力电子器件或者通过　状态空间法表示来建立其电路仿真模型的。于是，这里在分析　Ｂｏｏｓｔ电路原理的基础上，建立了基于Ｂｏｏｓｔ电路阻抗变换的实现　光伏阵列ＭＰＰＴ的仿真模型。利用该模型不需要精确的内部电路　特性和相关参数，就可以实时模拟光伏阵列及其ＭＰＰＴ的实现。　当光伏阵列接Ｂｏｏｓｔ变换电路时，如图５，考虑Ｂｏｏｓｔ电路输　…负载为纯电阻的情况，如果变换电路的效率为１００％，根据Ｂｏｏｓｔ　（ａ）Ｒ—　１００ｎ　（ｂ）ＲＩ＿１０ｎ　电路输入输出功率相等，在忽略Ｂｏｏｓｔ电路电感的自身电阻的情　图７光伏阵列仿真波形　况下，Ｂｏｏｓｔ电路的等效输入阻抗可用公式表示：　在占空比干扰观察法中，调整占空比Ｄ时仍然存在调整步长　Ｒ’＝Ｒ　Ｘ（１一Ｄ）　（１）　大小的问题：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特　其中Ｒ’为Ｂｏｏｓｔ电路等效输入阻抗，Ｄ为开关占空比，Ｒ　为　性；步长过大，输　功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳　负载阻抗。从式（１）可知，Ｄ越大，Ｂｏｏｓｔ电路输入阻抗就越小。当改　态误差变大，存在跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度　变Ｂｏｏｓｔ电路开关占空比，使得其等效输入阻抗与光伏输出阻抗　的问题。基于此提出了一种白适应的扰动法，通过加入步长的自　相匹配，则光伏阵列将输出最大功率。　动在线调整器得到解决，该方法与传统扰动法相比较，一方面保　持了扰动法的思想，同时扰动幅度的大小根据系统］二作点的不同　而不同，体现了自适应的思想，既提高了系统的快速性，也提高＿『　系统的准确性和稳定性。其设计流程如图７所示。　４结论　扰动观察法由于实现简单，是目前光伏系统中较为常用的　ＭＰＰＴ方法。它通过对光伏阵列输出电压，输出电流的检测，得到　图５　Ｂｏｏｓｔ电路阻抗变换　当前的输出功率，再与前一时刻的输出功率进行比较，来确定电　根据Ｂｏｏｓｔ电路的阻抗变换关系，在Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｅｒｕｌｉｎｋ模型　压的干扰方向。本课题根据独立光伏系统的应用（下转１６４页）