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(zhǎng)電壓擾動(dòng)法作為功率/電壓尋優(yōu)控制器。為實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT響應(yīng)，重點(diǎn)對(duì)光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。通過對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)之光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明此電壓復(fù)合控制器能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)刻變化。為了提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率最大，需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。目前最大功率點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)尋優(yōu)控制，通過尋優(yōu)算法找到最大功率點(diǎn)輸出時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)或并入電網(wǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的光伏MPPT控制，本文使用基于變步長(zhǎng)電壓擾動(dòng)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(diǎn)對(duì)光伏輸出電壓控制器的電壓環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。通過對(duì)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(yàn)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(shí)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(dòng)法的光伏MPPT控制器一般由功率/電壓自動(dòng)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(dòng)法的光伏MPPT控制器結(jié)構(gòu)圖

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器用于根據(jù)電壓擾動(dòng)條件下的功率變化來確定電壓擾動(dòng)的方向至尋求到最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏輸出電壓。

光伏輸出電壓控制器用于實(shí)現(xiàn)光伏輸出電壓控制，并保證實(shí)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(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值。最常用的為BUCK電路和BOOST電路?；诠夥姵剌敵鲭娏鬟B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(shí)，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V_out，輸入電壓為V_in，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器能夠保證快速鎖定最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)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(dòng)尋優(yōu)控制器的輸出電壓命令。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)

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(jì)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(duì)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V_in的關(guān)系為

  (2)

因此設(shè)計(jì)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?V_ref /V_out (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(duì)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(shí)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(shí)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(jì)

PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為k_p，積分系數(shù)為k_i，其傳遞函數(shù)為   

  (3)

DC/DC變換器相當(dāng)于一個(gè)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(dòng)單元來分析控制器電壓環(huán)。

可以將DC/DC變換器簡(jiǎn)化成光伏輸出電壓放大倍數(shù)為V_out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(gè)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(shí)間常數(shù)T_f (T_f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(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，且一般采用低通濾波處理來濾除信號(hào)中的高頻干擾成分。因此可以將電壓采樣電路看成具有時(shí)間常數(shù)T_if (電壓采樣回路時(shí)間常數(shù)，具體值視實(shí)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(duì)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(dòng)項(xiàng)對(duì)電壓環(huán)輸出的影響在穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dòng)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(duì)于式(7)分母多項(xiàng)式中第二項(xiàng)，一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T_f、T_if比較小，可以使用它們的和作為一個(gè)時(shí)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(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為

 (9)

由于零點(diǎn)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(diǎn)對(duì)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)；ω_n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(jì)及控制參數(shù)確定

功率/電壓自動(dòng)尋優(yōu)控制器使用“基于電壓擾動(dòng)尋優(yōu)控制策略”來確定最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定輸出電壓為V_out=400?V。依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計(jì)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T_f=0.000 125?s，電壓采樣處理電路時(shí)間常數(shù)T_if=0.000 075?s；電壓環(huán)無阻尼振蕩圓頻率取ω_n=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)k_p =0.002，k_i =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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)功率輸出曲線

圖5 使用電壓順饋調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)，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(shí)，大大縮短了MPPT跟蹤時(shí)間。整個(gè)過程快速、穩(wěn)定、無超調(diào)。

4  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(tái)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 河南求同電氣光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

依據(jù)電流紋波控制量設(shè)計(jì)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(shí)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)k_p =0.002，k_i =2。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)定光照條件。模擬真實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(jì)。

5  結(jié)論

光伏MPPT系統(tǒng)電壓環(huán)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過以下方案實(shí)現(xiàn)：

1) 通過對(duì)基于電壓擾動(dòng)法的光伏MPPT系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行控制器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

http://m.nb666.net