基于改进占空比扰动法的光伏系统的研究
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摘 要：最大功率跟踪技术是光伏发电系统的关键技术之一。通过对经典最大功率跟踪方法的分析，以及传统占空比扰动法的比较，采用一种改进的占空比扰动法，该方法能在线调整步长，解决传统方法出现的“误判”问题，并通过仿真实验验证该方法的有效性。
中图分类号：TM614 文献标识码：A
1 引 言
持续增长的传统能源消耗和不断恶化的环境问题已经对人类未来的生存和发展构成了巨大的威胁，因此，可再生能源的应用已经得到了政府和普通民众越来越多的重视。而太阳能光伏发电具有无污染、无噪声，几乎不受地域限制等优良因素，使之成为研究的热点。在太阳能光伏发电系统中，光伏阵列将太阳能转化为直流电能，再由电力电子变换器将直流电能变换为负载需要的各种形式的电能。由于光伏阵列输出的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）特性呈非线性、具有最大功率点，而且其最大功率点随着光照和环境温度等因素变化，为了提高系统的能量转化效率，必须采用适当的最大功率点跟踪算法控制光伏发电变换器，保证系统总是运行在光伏阵列最大功率点［1-3］。
国内外的文献介绍了很多最大功率点跟踪(MPPT)的方法，经典方法有：扰动观察法、导纳增量法、智能控制法等。在实际应用中，各种方法适应的场合不一样，有着各自的优缺点。扰动观察法是通过对光伏阵列输出电压或者电流进行扰动来确定扰动的方向，此方法的优点是控制策略简单，缺点是扰动步长不容易确定，在光照突变时会出现误判。导纳增量法是在光伏阵列输出功率最大点处功率对电压的导数为零，其优点是最大功率点处振荡较小，缺点是对电压电流传感器的可靠性要求较高，对外部环境变化的响应速度慢。对于智能控制算法，包括模糊控制法和人工神经网络法，虽然智能控制算法精度较高，但仍然存在各自的缺点。模糊控制中模糊表需要根据经验来确定，在稳态时仍有一定的波动；人工神经网络算法复杂，硬件实现较困难。
扰动观察法由于算法简洁、容易实现、与光伏阵列的电气特性参数无关和跟踪效率高的特点得到了广泛应用，特别是在环境不突变的情况下，扰动观察法有极大的优势。在此基础上，一些学者对扰动观察法进行改进，提出占空比扰动法，该算法以占空比D直接作为控制参数，需要的控制循环只有一个，相比扰动观察法，控制器的设计大大简化。在占空比扰动观察法中，仍然需要对控制步长的大小进行选择。其原理类似于扰动观察法：若步长过小，则追踪时间长，影响系统的响应速度；反之，若步长过大，则输出功率出现的振荡也大，从而增大了系统的稳态误差［4-8］。在此基础上，本文对占空比扰动法进行改进，该方法能在线调整步长。
2 传统占空比扰动法
在光伏发电系统中，通常采用PWM型的DC/AC逆变器和DC/DC变换器连接光伏阵列和负载。在这种拓扑中, 控制变量就是占空比D。利用该算法的系统框图见图1。MPPT控制器通过调整占空比D输出PWM信号来控制变换器的开关管，即调整变换器的等效负载，实现MPPT。