无电压传感器的光伏MPPT研究
王长云+李春兰+曹成帅+汪泽
摘 要： 最大功率点跟踪在光伏阵列工作时发挥着重要作用，针对目前采用的最大功率点跟踪算法均需要计算功率，提出了一种无电压传感器的改进型控制策略。该方法基于DC?DC变换器输入电流的控制，通过变步长调节实现占空比自寻优，使光伏阵列输出最大功率，算法实现过程不需要功率计算。最后通过仿真对该方法进行验证和测试，结果表明，该方法能准确实现最大功率跟踪，同时动态响应特性和稳定性也较好。
关键词： 光伏阵列； 最大功率点跟踪； 控制策略； 自寻优
中图分类号： TN820.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0135?04
Study on photovoltaic MPPT without voltage sensor
WANG Changyun， LI Chunlan， CAO Chengshuai， WANG Ze
（College of Mechanical Engineering and Traffic， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）
Abstract： Maximum power point tracking （MPPT） plays an important role in PV array working. The power need be calculated in available MPPT algorithms， therefore an improved control strategy without any voltage sensor is presented. The method， on the basis of the control of input current of DC?DC converter， realizes the self?optimization of duty cycle by means of step size varying， and makes the PV array output maximum power， by which the power needn′t be calculated in algorithm realization process. The method was tested and verified with simulation. The simulation results show that the method can realize the maximum power tracking accurately， and has perfect dynamic response characteristic and stability.
Keywords： PV array； MPPT； control strategy； self?optimization
0 引 言
随着分布式电源发电技术的发展，光伏发电得到大规模的应用。相应的，光伏阵列控制技术成为了研究热点，而最大功率点跟踪（MPPT）技术因其可以提高光伏阵列的工作效率，得到了广泛关注。目前常用的MPPT技术主要有恒定电压法[1]、扰动观察法[2]和电导增量法[3]。恒定电压法控制策略简单易于实现，但其在外界条件变化后功率曲线会发生偏移，而无法工作在最大功率点（MPP）。扰动观察法概念清晰，简单可靠，但控制精度与响应速度存在矛盾。电导增量法需要高速的A/D采样，对硬件要求较高，实现较为困难，外界条件突变时，还可能误判。为此有研究提出包括模糊控制[4?5]、自寻优控制[6]等的改进方法。采用模糊控制对上述方法改进可以一定程度上优化策略，但跟踪效果与模糊表的选择有关，模糊表制定的优劣很大程度上取决于设计者的经验。以上MPPT技术虽各有优点，但大都需要采样光伏阵列的输出电压、电流并计算功率。为了简化电路结构，优化控制策略，本文提出一种不需要功率计算的无电压检测自寻优MPPT策略，并通过Matlab仿真验证其有效性。
2 无电压检测的MPPT策略实现
当光伏电池工作条件确定后，式（6）中[1λRo]随之确定并可视为常数，因此[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]的正负决定了[?Pi?IL]的正负。当其结果为正时，当前电感电流小于最大功率电流，系统工作在最大功率点左侧，需要减小变换器占空比至式（7）成立；反之则需要增大变换器占空比。但是，这种方法的固有缺点也使得其应用受到一定的限制：扰动步长[?α]的选择使得跟踪速度与精度间存在矛盾，[?α]较小可以提高MPPT精度，但跟踪时间会延长。对于光伏电池这类很依赖于外界环境的发电設备，时间越久，未知性越大；相反的[?α]较大可提高速度，却相对的牺牲了精度，使得跟踪的波动性变大。
根据变步长的思想[8?9]，结合第1节的原理，提出适用于无电压检测的变步长MPPT控制策略。当[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]值较大时说明距离最大功率点较远，可以采用较大步长缩短寻优时间，随着工作状态的调整，[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]不断降低，至一定区间后，可以改为小步长，改善寻优精度。传统变步长将第二段扰动设为定值，使得步长选择对控制效果影响显著，这无疑降低了控制策略的通用性。为了弥补这一缺点，本文将第二段步长改为变量，随着系统工作点逐渐接近MPP，每次的扰动步长取上一时刻扰动步长的[12]。这样不仅降低了对扰动步长选择的要求，提高了策略通用性，还实现了光伏阵列工作点越远离MPP，追踪速度越大，越接近MPP，系统振荡越小的目的。
随着扰动步长的每次减半，若不加以限制可能出现控制策略实现时实际扰动输出值[Δk]接近于零，此时扰动近乎于无，系统无法达到最大功率输出。因此需要设置极小值[ε]避免这一情况。本文取[ε=5×10-4]。
变步长判断条件的设置将会影响控制效果。如果取值过小，系统极易进入最大功率点右侧，此时最大功率判断条件为负，功率变化对扰动更加敏感，为控制带来不利；如果取值过大，则较早进入短步长扰动，追踪时间加长，无法发挥变步长的优越性。由图2可知，无论当前的功率点位于最大功率点左侧还是右侧，随着输出功率越来越接近最大功率点，PI曲线的斜率绝对值[?Pi?IL]呈逐渐减小趋势。因此，可在基本扰动观测法的基础上，添加对爬坡斜率的再判断，作为变步长交界点的判断依据。经过验证，本文变步长的判断条件设置为[?Pi?IL<tan15°]。
本文采用改进两级变速方式实现MPPT控制，其基本控制思路为：
（1） 计算[?Pi?IL]，若[?Pi?IL>tan15°]，系统采用第一级扰动步长[Δk]=Spl；
（2） 若[?Pi?IL≤tan15°]，则使每次扰动步长为上次扰动值的[12]，即[Δk+1=12Δk]；
（3） 判斷[Δk>ε]，若成立则输出扰动值为[Δk]，否则输出扰动值为[ε]。
（4） 计算[2IL（1-α）2?IL+2IL21-α?α]，若结果为正，则扰动方向不变，若结果为负，则将扰动反向。
（5） 检测系统是否工作在MPP，是，则结束扰动，否，则重复上述步骤。
无电压检测的改进型MPPT控制流程如图3所示。
3 仿真及分析
在Matlab/Simulink仿真环境下建立图4所示的结构光伏系统仿真模型。
相关仿真参数设定：直流侧电容均为500 μF，电感为5 mH，DC?DC电路为Boost型；光伏阵列短路为电流9.21 A，开路电压为21 V，最大功率电流为8.57 A，最大功率电压为17.4 V。光伏阵列工作温度设为45 ℃，输入光照强度为400 W/m2；初始占空比[α0]设为0.5。
为了说明本文提出的无电压检测的改进变步长MPPT策略控制效果的优良性，针对图4仿真电路，分别采用传统扰动观察法、无电压检测的扰动观测法及无电压检测的改进型扰动观测法，通过相应的振荡值、追踪时间比较分析。仿真结果分别如图5～图7所示。初始扰动步长均设置为0.02。
由图5～图7可知，在仿真条件相同时，传统的扰动观测法输出功率均值为83.7 W，振荡值为8 W，追踪时间为0.22 s；无电压检测MPPT输出功率均值为84.1 W，振荡值为3 W，追踪时间为0.28 s；无电压检测的改进变步长输出功率均值为84.3 W，振荡值为1.2 W，追踪时间为0.17 s。可以看出采用本文提出的无电压检测的改进变步长扰动观测法可以有效减小输出振荡，加快追踪速度。
4 结 论
本文在分析Boost型DC?DC变换器工作原理的基础上，提出了一种基于变换器输入电流控制，应用最大功率算法调节占空比，完成跟踪的无电压检测的改进型MPPT。该方法无需功率计算，当光伏阵列工作环境变化时，先采用长扰动步长加速逼近MPP，至一定范围后，每次的扰动步长改为前次扰动的[12]，以此实现越接近MPP振荡越小。通过Matlab/Simulink仿真验证了这一方法的正确性。本算法具有结构简单、成本低、追踪速度快、效率高的优点。
参考文献
[1] 汪义旺，曹丰文，张波，等.光伏发电系统最大功率点快速跟踪控制研究[J].电力电子技术，2010（10）：14?16.
[2] ZHANG Chao， ZHAO Dean， WANG Jinjing， et al. A novel two?mode MPPT method for photovoltaic power generation system [C]// Proceedings of 2009 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference. [S.l.]： IEEE， 2009： 2100?2102.
[3] 董密，杨建，彭可，等.光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制[J].中国电机工程学报，2010（21）：48?53.
[4] 徐锋.一种基于模糊控制的光伏发电系统的MPPT控制[J].电源技术，2014（1）：92?96.
[5] AREDES M A， FRANCA B W， AREDES M. Fuzzy adaptive P&O control for MPPT of a photovoltaic module [J]. Journal of power and energy engineering， 2014， 2（4）： 120?129.
[6] 徐彭涛，赵巧娥，张强，等.基于中值观测的自适应变步长MPPT算法研究[J].现代电子技术，2014，37（22）：150?152.
[7] 贺益康，潘再平.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2011：152?156.
[8] 胡义华，陈昊，徐瑞东，等.一种两阶段变步长最大功率点控制策略[J].电工技术学报，2010（8）：161?166.
[9] SUN Wen， ZOU Lixin， SUN Yaxiang. An improved MPPT method with variable step size for PV system [C]// Proceedings of 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. [S.l.]： IEEE， 2011： 1?4.
[10] 张俊红，魏学业，胡良.基于电路分析的串并联光伏阵列特性研究[J].计算机仿真，2016，33（2）：147?152.
摘 要： 最大功率点跟踪在光伏阵列工作时发挥着重要作用，针对目前采用的最大功率点跟踪算法均需要计算功率，提出了一种无电压传感器的改进型控制策略。该方法基于DC?DC变换器输入电流的控制，通过变步长调节实现占空比自寻优，使光伏阵列输出最大功率，算法实现过程不需要功率计算。最后通过仿真对该方法进行验证和测试，结果表明，该方法能准确实现最大功率跟踪，同时动态响应特性和稳定性也较好。
关键词： 光伏阵列； 最大功率点跟踪； 控制策略； 自寻优
中图分类号： TN820.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0135?04
Study on photovoltaic MPPT without voltage sensor
WANG Changyun， LI Chunlan， CAO Chengshuai， WANG Ze
（College of Mechanical Engineering and Traffic， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）
Abstract： Maximum power point tracking （MPPT） plays an important role in PV array working. The power need be calculated in available MPPT algorithms， therefore an improved control strategy without any voltage sensor is presented. The method， on the basis of the control of input current of DC?DC converter， realizes the self?optimization of duty cycle by means of step size varying， and makes the PV array output maximum power， by which the power needn′t be calculated in algorithm realization process. The method was tested and verified with simulation. The simulation results show that the method can realize the maximum power tracking accurately， and has perfect dynamic response characteristic and stability.
Keywords： PV array； MPPT； control strategy； self?optimization
0 引 言
随着分布式电源发电技术的发展，光伏发电得到大规模的应用。相应的，光伏阵列控制技术成为了研究热点，而最大功率点跟踪（MPPT）技术因其可以提高光伏阵列的工作效率，得到了广泛关注。目前常用的MPPT技术主要有恒定电压法[1]、扰动观察法[2]和电导增量法[3]。恒定电压法控制策略简单易于实现，但其在外界条件变化后功率曲线会发生偏移，而无法工作在最大功率点（MPP）。扰动观察法概念清晰，简单可靠，但控制精度与响应速度存在矛盾。电导增量法需要高速的A/D采样，对硬件要求较高，实现较为困难，外界条件突变时，还可能误判。为此有研究提出包括模糊控制[4?5]、自寻优控制[6]等的改进方法。采用模糊控制对上述方法改进可以一定程度上优化策略，但跟踪效果与模糊表的选择有关，模糊表制定的优劣很大程度上取决于设计者的经验。以上MPPT技术虽各有优点，但大都需要采样光伏阵列的输出电压、电流并计算功率。为了简化电路结构，优化控制策略，本文提出一种不需要功率计算的无电压检测自寻优MPPT策略，并通过Matlab仿真验证其有效性。
2 无电压检测的MPPT策略实现
当光伏电池工作条件确定后，式（6）中[1λRo]随之确定并可视为常数，因此[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]的正负决定了[?Pi?IL]的正负。当其结果为正时，当前电感电流小于最大功率电流，系统工作在最大功率点左侧，需要减小变换器占空比至式（7）成立；反之则需要增大变换器占空比。但是，这种方法的固有缺点也使得其应用受到一定的限制：扰动步长[?α]的选择使得跟踪速度与精度间存在矛盾，[?α]较小可以提高MPPT精度，但跟踪时间会延长。对于光伏电池这类很依赖于外界环境的发电設备，时间越久，未知性越大；相反的[?α]较大可提高速度，却相对的牺牲了精度，使得跟踪的波动性变大。
根据变步长的思想[8?9]，结合第1节的原理，提出适用于无电压检测的变步长MPPT控制策略。当[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]值较大时说明距离最大功率点较远，可以采用较大步长缩短寻优时间，随着工作状态的调整，[2IL（1-α）2+2IL21-α?α?IL]不断降低，至一定区间后，可以改为小步长，改善寻优精度。传统变步长将第二段扰动设为定值，使得步长选择对控制效果影响显著，这无疑降低了控制策略的通用性。为了弥补这一缺点，本文将第二段步长改为变量，随着系统工作点逐渐接近MPP，每次的扰动步长取上一时刻扰动步长的[12]。这样不仅降低了对扰动步长选择的要求，提高了策略通用性，还实现了光伏阵列工作点越远离MPP，追踪速度越大，越接近MPP，系统振荡越小的目的。
随着扰动步长的每次减半，若不加以限制可能出现控制策略实现时实际扰动输出值[Δk]接近于零，此时扰动近乎于无，系统无法达到最大功率输出。因此需要设置极小值[ε]避免这一情况。本文取[ε=5×10-4]。
变步长判断条件的设置将会影响控制效果。如果取值过小，系统极易进入最大功率点右侧，此时最大功率判断条件为负，功率变化对扰动更加敏感，为控制带来不利；如果取值过大，则较早进入短步长扰动，追踪时间加长，无法发挥变步长的优越性。由图2可知，无论当前的功率点位于最大功率点左侧还是右侧，随着输出功率越来越接近最大功率点，PI曲线的斜率绝对值[?Pi?IL]呈逐渐减小趋势。因此，可在基本扰动观测法的基础上，添加对爬坡斜率的再判断，作为变步长交界点的判断依据。经过验证，本文变步长的判断条件设置为[?Pi?IL<tan15°]。
本文采用改进两级变速方式实现MPPT控制，其基本控制思路为：
（1） 计算[?Pi?IL]，若[?Pi?IL>tan15°]，系统采用第一级扰动步长[Δk]=Spl；
（2） 若[?Pi?IL≤tan15°]，则使每次扰动步长为上次扰动值的[12]，即[Δk+1=12Δk]；
（3） 判斷[Δk>ε]，若成立则输出扰动值为[Δk]，否则输出扰动值为[ε]。
（4） 计算[2IL（1-α）2?IL+2IL21-α?α]，若结果为正，则扰动方向不变，若结果为负，则将扰动反向。
（5） 检测系统是否工作在MPP，是，则结束扰动，否，则重复上述步骤。
无电压检测的改进型MPPT控制流程如图3所示。
3 仿真及分析
在Matlab/Simulink仿真环境下建立图4所示的结构光伏系统仿真模型。
相关仿真参数设定：直流侧电容均为500 μF，电感为5 mH，DC?DC电路为Boost型；光伏阵列短路为电流9.21 A，开路电压为21 V，最大功率电流为8.57 A，最大功率电压为17.4 V。光伏阵列工作温度设为45 ℃，输入光照强度为400 W/m2；初始占空比[α0]设为0.5。
为了说明本文提出的无电压检测的改进变步长MPPT策略控制效果的优良性，针对图4仿真电路，分别采用传统扰动观察法、无电压检测的扰动观测法及无电压检测的改进型扰动观测法，通过相应的振荡值、追踪时间比较分析。仿真结果分别如图5～图7所示。初始扰动步长均设置为0.02。
由图5～图7可知，在仿真条件相同时，传统的扰动观测法输出功率均值为83.7 W，振荡值为8 W，追踪时间为0.22 s；无电压检测MPPT输出功率均值为84.1 W，振荡值为3 W，追踪时间为0.28 s；无电压检测的改进变步长输出功率均值为84.3 W，振荡值为1.2 W，追踪时间为0.17 s。可以看出采用本文提出的无电压检测的改进变步长扰动观测法可以有效减小输出振荡，加快追踪速度。
4 结 论
本文在分析Boost型DC?DC变换器工作原理的基础上，提出了一种基于变换器输入电流控制，应用最大功率算法调节占空比，完成跟踪的无电压检测的改进型MPPT。该方法无需功率计算，当光伏阵列工作环境变化时，先采用长扰动步长加速逼近MPP，至一定范围后，每次的扰动步长改为前次扰动的[12]，以此实现越接近MPP振荡越小。通过Matlab/Simulink仿真验证了这一方法的正确性。本算法具有结构简单、成本低、追踪速度快、效率高的优点。
参考文献
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[6] 徐彭涛，赵巧娥，张强，等.基于中值观测的自适应变步长MPPT算法研究[J].现代电子技术，2014，37（22）：150?152.
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[8] 胡义华，陈昊，徐瑞东，等.一种两阶段变步长最大功率点控制策略[J].电工技术学报，2010（8）：161?166.
[9] SUN Wen， ZOU Lixin， SUN Yaxiang. An improved MPPT method with variable step size for PV system [C]// Proceedings of 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. [S.l.]： IEEE， 2011： 1?4.
[10] 张俊红，魏学业，胡良.基于电路分析的串并联光伏阵列特性研究[J].计算机仿真，2016，33（2）：147?152.
