光伏MPPT系統(tǒng)電壓控制器的優(yōu)化研究
摘要：分析了光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。使用基于變步長電壓擾動法作為功率/電壓尋優(yōu)控制器。為實現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT響應(yīng)，重點對光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計了一種光伏MPPT電壓復(fù)合控制器，采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實現(xiàn)。通過對光伏輸出電壓控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)。確定了最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)以得到快速穩(wěn)定的MPPT控制。通過河南求同電氣科技有限公司（http://m.nb666.net）研發(fā)的微電網(wǎng)實驗平臺之光伏發(fā)電實驗系統(tǒng)上進(jìn)行實驗測試，結(jié)果表明此電壓復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。
關(guān)鍵詞：光伏MPPT；電壓控制器；微電網(wǎng)；電壓順饋；河南求同電氣，光伏模擬實驗系統(tǒng)
0 引言
光伏電池輸出功率隨光照、溫度等外部條件而時刻變化。為了提高能源利用率，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率最大，需要對光伏電池的最大功率點進(jìn)行跟蹤。目前最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法較多，主要有恒定電壓法、恒定電流法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法。
常見光伏MPPT系統(tǒng)按照能量傳遞方向大致可以分為三部分。第一部分是最大功率點尋優(yōu)控制，通過尋優(yōu)算法找到最大功率點輸出時對應(yīng)的光伏輸出電壓或者電流值。第二部分是能量輔助傳遞控制，通過DC/DC變換電路進(jìn)行能量傳遞。第三部分是能量轉(zhuǎn)化控制，通過離網(wǎng)或者并網(wǎng)型設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)壓控制，實現(xiàn)能量存儲或并入電網(wǎng)。
為了實現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT控制，本文使用基于變步長電壓擾動法作為功率/電壓尋優(yōu)控制器。分析了光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理。重點對光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計了一種光伏MPPT電壓環(huán)復(fù)合控制器，采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實現(xiàn)。通過對光伏輸出電壓控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)。確定了最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)以得到快速穩(wěn)定的MPPT控制。仿真分析結(jié)果以及試驗結(jié)果表明，此電壓環(huán)復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。
1 光伏MPPT系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
基于電壓擾動法的光伏MPPT控制器一般由功率/電壓自動尋優(yōu)控制器、光伏輸出電壓控制器兩部分構(gòu)成。光伏輸出電壓控制器由電壓誤差比較器、電壓環(huán)控制器、DC/DC變換器、負(fù)載、電壓采樣電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 基于電壓擾動法的光伏MPPT控制器結(jié)構(gòu)圖
功率/電壓自動尋優(yōu)控制器用于根據(jù)電壓擾動條件下的功率變化來確定電壓擾動的方向至尋求到最大功率點時對應(yīng)的光伏輸出電壓。
光伏輸出電壓控制器用于實現(xiàn)光伏輸出電壓控制，并保證實際電壓量快速、穩(wěn)定地跟蹤電壓給定量。
DC/DC變換器輸入為光伏電池電壓，輸出連接穩(wěn)壓負(fù)載。起到電壓轉(zhuǎn)換的作用，使得光伏輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)整，并包含光伏最大功率輸出時對應(yīng)的電壓值。最常用的為BUCK電路和BOOST電路。基于光伏電池輸出電流連續(xù)性的考慮，本文選取BOOST電路作為DC/DC變換器。
穩(wěn)壓負(fù)載有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，一般都有相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行輸出電壓穩(wěn)定控制。在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)時，DC/DC變換器與穩(wěn)壓負(fù)載一起構(gòu)成了光伏輸出電壓穩(wěn)定裝置，假設(shè)變換器輸出電壓為Vout，輸入電壓為Vin，BOOST電路調(diào)制度為D，有
(1)
由式(1)可知，通過調(diào)整調(diào)制度D即可實現(xiàn)對光伏電池輸出電壓的控制。
2 光伏MPPT系統(tǒng)電壓環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計
功率/電壓自動尋優(yōu)控制器能夠保證快速鎖定最大功率點時對應(yīng)的光伏輸出電壓。光伏輸出電壓控制器能夠保證快速響應(yīng)功率/電壓自動尋優(yōu)控制器的輸出電壓命令。本文優(yōu)化設(shè)計了光伏輸出電壓控制器。
2.1 光伏MPPT控制器的優(yōu)化設(shè)計
DC/DC變換器為光伏輸出電壓控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制量輸入(1-D)為電壓環(huán)控制器的輸出。傳統(tǒng)的電壓環(huán)控制器一般使用比例積分器(PI)、比例積分微分器(PID)兩種。合理地設(shè)計比例、積分、微分參數(shù)能夠優(yōu)化電壓控制效果，鑒于光伏MPPT控制對象以及電路拓?fù)浞浅Ｃ鞔_，本文使用PI調(diào)節(jié)器作為電壓環(huán)控制器。
由式(1)可知，在變換器接穩(wěn)壓負(fù)載情況下，BOOST電路控制量輸入(1-D)與光伏輸出電壓Vin的關(guān)系為
(2)
因此設(shè)計了一款具有光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能的控制器。順饋調(diào)節(jié)量為k?Vref /Vout (0<k<1)，k為順饋調(diào)節(jié)系數(shù)。在相同的PI調(diào)節(jié)器控制下，順饋調(diào)節(jié)能夠通過對調(diào)制度的直接調(diào)節(jié)加快電壓環(huán)響應(yīng)，調(diào)節(jié)系數(shù)據(jù)實際情況選取。原則上k越接近1，電壓順饋調(diào)節(jié)效果越明顯，順饋造成的短時不可控性也越明顯。光伏輸出電壓控制器框圖見圖2。
圖2 光伏輸出電壓控制器框圖
2.2光伏輸出電壓控制器的數(shù)學(xué)建模及參數(shù)設(shè)計
PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為kp，積分系數(shù)為ki，其傳遞函數(shù)為
(3)
DC/DC變換器相當(dāng)于一個電壓放大環(huán)節(jié)，其輸入為PI調(diào)節(jié)器的輸出及電壓順饋調(diào)節(jié)輸出之和。數(shù)值上為1-D，在光伏輸出電壓為定值情況下，可以將電壓順饋調(diào)節(jié)器輸出當(dāng)作是擾動單元來分析控制器電壓環(huán)。
可以將DC/DC變換器簡化成光伏輸出電壓放大倍數(shù)為Vout的放大器。考慮到電壓采樣和DC/DC變換器輸出之間相差一個采樣周期，因此可以將DC/DC變換器以及光伏輸出電壓等效成具有時間常數(shù)Tf (Tf為電壓環(huán)控制周期)的一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)Hs2為
(4)
電壓采樣電路一般由電壓傳感器、信號調(diào)理電路構(gòu)成，且一般采用低通濾波處理來濾除信號中的高頻干擾成分。因此可以將電壓采樣電路看成具有時間常數(shù)Tif (電壓采樣回路時間常數(shù)，具體值視實際電路來定)的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)Hs3為
(5)
通過對光伏輸出電壓控制器各組成部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以得到其基于傳遞函數(shù)的控制框圖如圖3所示。
圖3 光伏輸出電壓控制器傳遞函數(shù)框圖
由圖3，考慮到擾動項對電壓環(huán)輸出的影響在穩(wěn)態(tài)時為0，其作用能加快系統(tǒng)穩(wěn)定。首先考慮光伏輸出電壓控制器電壓閉環(huán)動態(tài)響應(yīng)情況，其傳遞函數(shù)Hs為
(6)
代入各部分傳遞函數(shù)的具體表達(dá)式得到整體傳遞函數(shù)表達(dá)式為
(7)
對于式(7)分母多項式中第二項，一階系統(tǒng)時間常數(shù)Tf、Tif比較小，可以使用它們的和作為一個時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)來等效替換，有
(8)
將式(7)代入式(6)，得到簡化后的傳遞函數(shù)為
(9)
由于零點不影響單位階躍響應(yīng)的形式，只影響各瞬態(tài)分量系數(shù)的大小。這里僅考慮式(9)中極點對傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)的影響。為了獲得良好的控制效果及確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，將此傳遞函數(shù)與典型二階系統(tǒng)表達(dá)式比較有
(10)
式中：ξ為二階系統(tǒng)阻尼系數(shù)；ωn為系統(tǒng)無阻尼振蕩圓頻率。
由式(10)得到PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為
(11)
3 光伏MPPT控制器的仿真分析
3.1 仿真電路設(shè)計及控制參數(shù)確定
功率/電壓自動尋優(yōu)控制器使用“基于電壓擾動尋優(yōu)控制策略”來確定最大功率點時對應(yīng)的光伏輸出電壓參考值。
光伏電池組件使用輸出功率最大為1?000?W的戴維南等效電路替代。DC/DC變換器輸出接電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定輸出電壓為Vout=400?V。依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計電抗器電感量，使用電感值為5?mH。
確定電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。電壓環(huán)控制周期Tf=0.000 125?s，電壓采樣處理電路時間常數(shù)Tif=0.000 075?s；電壓環(huán)無阻尼振蕩圓頻率取ωn=2 000?rad/s；為了使輸出電壓響應(yīng)快速、穩(wěn)定，系統(tǒng)阻尼系數(shù)取ξ=1。代入式(11)得到電壓環(huán)控制器PI調(diào)節(jié)器參數(shù)kp =0.002，ki =2。
3.2 最大功率跟蹤效果仿真分析
使用Matlab軟件進(jìn)行仿真模型搭建以及仿真分析。模型搭建好后進(jìn)行光伏MPPT控制仿真，選擇最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，在沒有使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能時光伏電池輸出功率曲線如圖4所示。
由圖4可知，使用最佳PI調(diào)節(jié)器參數(shù)使得光伏輸出功率經(jīng)過0.14 s達(dá)到最大值。整個過程穩(wěn)定基本無超調(diào)。
使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能，并取調(diào)節(jié)參數(shù)k=0.5時，光伏電池輸出功率曲線如圖5所示
圖4 使用最佳PI參數(shù)時功率輸出曲線
圖5 使用電壓順饋調(diào)節(jié)時功率輸出曲線
由圖5可知，使用光伏輸出電壓順饋調(diào)節(jié)功能，并取調(diào)節(jié)參數(shù)k=0.5時，光伏電池輸出功率經(jīng)過0.025 s達(dá)到最大值。相比于沒有添加電壓順饋調(diào)節(jié)時，大大縮短了MPPT跟蹤時間。整個過程快速、穩(wěn)定、無超調(diào)。
4 實驗驗證
搭建實驗平臺，使用的光伏電池組件由10只單體串聯(lián)構(gòu)成(單體最大功率輸出為100 W，開路電壓為20?V)。電能變換平臺采用河南求同電氣科技有限公司（http://m.nb666.net/）的微電網(wǎng)之光伏發(fā)電實驗系統(tǒng)，如圖6所示。
圖6 河南求同電氣光伏發(fā)電實驗系統(tǒng)
依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計電抗器電感量，使用電感值5 mH。選擇電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方案實現(xiàn)光伏MPPT電壓環(huán)控制，順饋調(diào)節(jié)參數(shù)k=0.5，據(jù)式(11)取得最佳PI參數(shù)kp =0.002，ki =2。
在實驗平臺上設(shè)定光照條件。模擬真實光照下光伏電池板的輸出如圖7所示。
圖7 光伏組件光照模擬輸出
多云天氣條件下，云層遮擋太陽前后使用上位機(jī)軟件實時錄波光伏組件輸出功率波形如圖8所示。
圖8 云層遮擋前后光伏組件功率輸出
由圖8可見，在云層遮擋住太陽之前，光伏組件輸出功率為960 W。云層遮擋發(fā)生時刻為0.049 s，云層遮擋后，光伏輸出功率經(jīng)過約0.026 s后輸出功率達(dá)到穩(wěn)定值590 W。功率響應(yīng)快速、穩(wěn)定、基本無超調(diào)，與仿真結(jié)果基本一致，符合預(yù)期設(shè)計。
5 結(jié)論
光伏MPPT系統(tǒng)電壓環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計，通過以下方案實現(xiàn)：
1) 通過對基于電壓擾動法的光伏MPPT系統(tǒng)分析，設(shè)計了一種光伏MPPT電壓環(huán)復(fù)合控制器。
2) 電壓環(huán)復(fù)合控制器采用電壓順饋+PI調(diào)節(jié)器的方法實現(xiàn)。
3) 基于優(yōu)化控制器響應(yīng)目的，確定了最佳電壓順饋系數(shù)和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。
通過河南求同電氣微電網(wǎng)實驗平臺進(jìn)行控制器的實驗驗證。結(jié)果表明，此電壓環(huán)復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)光伏MPPT響應(yīng)。
附圖 河南求同電氣科技有限公司微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)
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