基于改进扰动观测法的光伏阵列最大功率点跟踪策略

低压电器（２０１１５／０．１４　Ｊ　・研究与分析・　基于改进扰动观测法的光伏阵列最大　功率点跟踪策略　罗映红　，　熊学友　，　张鹏　，　许杰田　（１．兰州交通大学自动化学院，甘肃兰州　７３００７０：　２．渭南师范学院计算机科学系，陕西渭南７１４０００）　地跟曼苎　功妻喜一　登　苎：　出　。　兰　侧母线电压竽　参考信号的实时调整环节的扰　罗映红（１９，　葶竺　常　苎　窒　行了．　比。仿真结果证明，该方法能快速、精确　：主要从　６ｌ一）。　，中图分类号光伏阵列；最　功．稳态　篓苎，提高了光伏电池的利用率。的研究。三Ｉ三　；　。：ＴＭ　６１５文献标志码：Ａ．爱点跟踪；扰动观察法　　文章编号：１００１－５５３１（２０１１）１４－００１０－０３　～　。‘。　。　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ａｒｒａｙ　Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＬＵＯ　Ｙｉｎｇｈｏｎｇ　，ＸＩＯＮＧ　Ｘｕｅｙｏｕ　，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　一，ＸＵ　Ｊｉｅｔｉａｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｅｉｎａｎ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｎａｎ　７　１４０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ（Ｐ＆Ｏ）ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｅ　ａｒｒａｙ　ｍａｘｉ－　ｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｓｙｓｔｅｍ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｕｃｃｉｎｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　Ｐ＆Ｏ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｆｕｓｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｏｓｅ　ｔｉｍｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｐ＆Ｏ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂｙ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔＯ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ａｒｒａｙ；ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）；ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖａ－　ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ　０　引　言　扰动观测法与光伏阵列的具体模型不相关，易　实现，对传感器精度要求不高，在实际中广泛应用，　光伏阵列输出特性具有非线性特征，即在一　是目前最常用的ＭＰＰＴ策略　。但是，在１３照强度　定的日照强度和模块温度下，可以工作在不同的　急剧变化的情况下，常规扰动观测法的电压控制参　输出电压，但仅在某一特定的输出电压值时其输　考信号值会发生突增或者突降，使扰动观测法的性　出功率才能达到最大值，此时，光伏阵列的工作点　能变差，甚至可能导致直流侧母线电压下降过多而　就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最　使分布式光伏电源退出运行。本文提出一种改进　大功率点。因此，在光伏发电系统中，要提高系统　的扰动观测法，能有效克服传统扰动观测法的不　的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏　足，同时还能提高系统的动态和稳态性能。　阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，　该过程即称之为最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗ・　１　扰动观测法原理　ｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）　。　扰动观测法的原理就是扰动功率变换器的占　熊学友（１９７９一），男，硕士，研究方向为电力电子技术。　张鹏（１９７９一），男，讲师，硕士，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。　一１Ｏ一　・研究与分析・　低压电器（２ＯｌｌＮｏ．１４）　空比，引起光伏阵列输出电压的变化，然后通过观　为开路电压ｆ／　的８／１０　。因此，在分布式光伏　测其后的功率变化方向，确定最大功率点（Ｍａｘｉ—　ｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）的位置。该方法的实现　阵列起动时段，直流侧电压控制参考信号取分布　式光伏阵列接入之前的开路电压的８５％，可明显　缩短分布式光伏阵列从起动到达最大功率运行点　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图ｌ所示。　图１中，在ＭＰＰ左侧，增加（减小）电池电压，导致　的时间。控制参考电压取分布式光伏阵列开路电　输出功率同方向变化；在ＭＰＰ右侧，增加（减小）　电池电压，导致输出功率反方向变化。如果功率　变化为正，则控制电压保持相同的扰动方向，以达到　ＭＰＰ；￣［Ｉ果功率变化为负，则电压扰动方向反向　。　压的８５％的目的是，确保在该控制参考电压下光　伏阵列的运行点不会落人恒流源区。　（２）增设直流侧母线电压控制参考信号的实时　调整环节。分布式光伏阵列在稳态运行时，如果日　照强度和阵列温度基本不变，直流侧母线电压也保　持不变，最大功率跟踪的精度主要取决于扰动电压　增量△。因此，只要将固定步长的扰动电压增量△　与变步长的扰动电压最小增量△取值一样，则最大　功率跟踪精度基本一致。但是，在日照强度急剧变　化的情况下，扰动观测法提供的直流侧母线电压控　制参考信号为当前实测直流侧母线电压与扰动量△　之和，不考虑日照强度急剧变化的动态过程，直接导　图１　光伏阵列输出功率特性曲线　致直流侧母线电压控制参考信号值突增或者突降。　在该动态过程中，扰动观测法盼　能很差，甚至可能　２　改进的扰动观测法　（Ｉ）采用定电压起动方式。在同样的日照强　导致直流侧母线电压下降过多，使分布式光伏阵列　退出运行。基于上述分析，对该方法增设直流侧母　度和阵列温度下，光伏阵列ＭＰＰ电压　通常约　线电压控制参考信号的实时调整环节，如图２所示。　图２直流删电压凋整流程图　如果Ｕ　（　）一Ｕ　（ｋ—１）与Ｕ　（矗）的比值在　＜一０．３，则将提供给扰动观测法的直流侧母线电压　ｌ一０．３　０．３］范围内，则不对提供给扰动观测法的　测量值调整为当前直流侧母线电压测量值的１／１．３；　当日照强度变化很小时，最大功率点处的直流侧母　直流侧母线电压测量值进行调整；如果比值＞０．３，　将提供给扰动观测法的直流侧母线电￣ＯＮ，ＪＥ量值调整　线电压基本保持不变。为了缓解日照强度持续缓慢　下降导致直流侧母线电压的持续快速下降，通过判　定在多步最大功率跟踪步长中直流侧母线电压和输　为当前直流侧母线电压测量值的１．３倍，同时，设定　该值不小于直流侧母线电压下限；如果比值　低压电器（２０１１Ｎｏ．１４）　・研究与分析・　出功率是否持续下降，如果是，则调整下一步提供给　最大功率跟踪过程中的直流侧母线电压值。　行比较，开关频率为１０　ｋＨｚ，最大功率跟踪频率　３仿真研究　为ｌ　ｋＨｚ，扰动电压增量为０．０５　Ｖ，不考虑日照强　度变化对模块温度的影响，模块温度取２９８　Ｋ。　仿真试验电路如图３所示。仿真试验使用的标准　通过Ｍａｔｌａｂ，对该方法和扰动观测法仿真进　环境下光伏模块的参数如表１所示。　们　图３仿真试验电路　表１仿真试验使用的标准环境下的光伏模块参数　内容　参数值　开路电压　／Ｖ　２１．７ｏ０　０　短路电流　／ｋＡ　３．３５０　０　最大功率Ｐｍ／Ｗ　５３．Ｏ００　０　最大功率点电压　／Ｖ　１７．４００　０　电流温度系数０　０．００２　５　辐照强度系数ｂ　Ｏ．５００　Ｏ　电压温度系数ｃ　０．００２　８　最大功率点电流，ｍ／Ａ　３．０５０　０　仿真试验时，改进扰动观测法和扰动观测法　的电压曲线、电流曲线和功率曲线的对比图如　图４一图６所示。　由图４～图６可见，日照强度经历了起动时　的１　０００　Ｗ／ｍ　突降至３００　ｗ／ｍ　，接着突增至　８００　Ｗ／ｍ　，最后以１　０００　ｗ／（１１３　・ｓ　）速度连续　缓慢（相对于仿真试验时间尺度而言）降至　４００　Ｗ／ｍ　。可见，改进扰动观测法采用ＣＶＴ起　动，能明显缩短跟踪到最大功率点的时间；在日照　强度突降和突增时，能快速找到最大功率点，很快　就重新稳定运行，不再出现直流母线电压突降和　突增的现象，在日照强度连续缓慢下降时明显缓　解了直流母线电压持续过快下降的状况，且当日　照强度稳定下来时，改进扰动观测法控制的直流　母线电压能平缓过渡到新的最大功率点电压。同　图６改进扰动观测法和扰动观测法功率曲线　样，无论在光伏陈列起动的过程还是在日照强度　（下转第１６页）　～１２～　低压电器［２０１１Ｎｏ．１４）　・智能电器・　表２短延时反时限动作时间测试结果　达到比较高的试验精度；同时，具有实时输入　整定值、低电平检测、离线脱扣等功能。本设计　简单、紧凑、成本低廉，具有抗干扰性能高、发热量　低等优点，现已实现批量生产，具有较高的实用　价值。　【参考文献】　王汝文，宋政湘．电器智能化原理与应用［Ｍ］．北　京：电子工业出版社，２００９．　表３瞬动动作时间测试结果　ＧＢ　１４０４８．２—２０ｏ８低压开关设备和控制设备第２　部分：断路器［Ｓ］．２００８．　实　实际动作啊ｍ　ＧＢ　１４０４８．４—２Ｏ１０低压开关设备和控制设备第４・　１部分：机电式接触器和电动机起动器报批稿［ｓ］．　６００　２５～３５　３５　２０１０．　ＧＢ／Ｔ　２２７１０－－２００８低压断路器用电子式控制器　８００　２５—３５　３３　¨　１Ｊ］Ｊ］Ｊ］ｊ［ｓ］．２００８．　］Ｊ　］Ｊ　１Ｊ１　０００　２５—３５　３３　西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．３Ⅵ’　１　２００　２５～３５　３２　系列塑壳断路器产品样本［Ｇ］．　沈红卫．基于单片机的智能系统设计与实现［Ｍ］．　北京：电子工业出版社，２００５．　４　结　语　何立民．单片机应用文集［Ｍ］．北京：北京航空航天　通过上述分析可知，本设计可以有效实现过　大学出版社，２００１．　收稿日期：２０１１－０３－２８　载长延时、短路短延时、瞬动、接地故障等保护，　（上接第１２页）　突降和突增过程，以及在日照强度缓慢下降过程，　４４：７６９－７７３．　改进扰动观测法都能比扰动观测法更好地利用日　王飞，余世杰，苏建徽，等．太阳能光伏并网发电系　照，提供更多的输出功率。可见，改进的扰动观测　统研究［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（５）：７２－７４，９１．　法实现简单，且仅在扰动观测法中增加一个电压　ＡＰＰＬＥＢＡＵＭ　Ｊ．Ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｄｉ・　调整环节，具有明显的优点。　ｆｅｅｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｍ　Ｅｎ－　ｅｒｇｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９８７，ＥＣ－２，５３４－５４１．　４　结　语　ＸＩＡＯ　Ｗ．ＬＩＮＤ　Ｍ　Ｇ　Ｊ，ＤＵＮＦＯＲＤ　Ｗ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅ－　ａｌ—ｔｉｍｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔｓ　ｉｎ　本文提出了一种通过追踪直流侧母线电压控　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｅ．　制参考信号的实际调整环节的扰动观察算法，并　１ｅｃｔｒｏｎ．．２００６，５３（４）：１０１７—１０２６．　与常规的扰动观察法进行对比。仿真结果证明，　张超，何湘宁．短路电流结合扰动观察法在光伏发　该方法能快速、精确地跟踪最大功率点，稳态精度　电最大功率点跟踪控制中的应用［Ｊ］．中国电机工　较高，提高了光伏陈列的利用率。　程学报，２００６，２６（２０）：９８－１０２．　吴理博，赵争鸣，刘建政，等．具有无功补偿功能的　【参考文献】　单级式三相光伏并网系统［Ｊ］．电工技术学报，　［１］ＥＮＳＬＩＮ　Ｊ　Ｈ　Ｒ，ＷＯＬＦ　Ｍ　Ｓ，ＳＮＹＭＡＮ　Ｄ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．　２００６。２１（１）：２８－３２．　收稿日期：２０１０—１２—０１　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，１９９７，　］Ｊ