光伏MPPT系统电压控制器的优化研究

文章来源：河南求同电气科技有限公司

摘要：分析了光伏MPPT系统构成及工作原理。使用基于变步长电压扰动法作为功率/电压寻优控制器。为实现快速稳定的光伏MPPT响应，重点对光伏输出电压控制器的电压环进行优化设计。设计了一种光伏MPPT电压复合控制器，采用电压顺馈+PI调节器的方法实现。通过对光伏输出电压控制器进行数学建模得到电压闭环传递函数。确定了最佳PI调节器参数以得到快速稳定的MPPT控制。通过河南求同电气科技有限公司（http://www.qtdq.com.cn）研发的微电网实验平台之光伏发电实验系统上进行实验测试，结果表明此电压复合控制器能够快速、稳定地实现光伏MPPT响应。

关键词：光伏MPPT；电压控制器；微电网；电压顺馈；河南求同电气，光伏模拟实验系统

0 引言

光伏电池输出功率随光照、温度等外部条件而时刻变化。为了提高能源利用率，实现光伏系统输出功率最大，需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪。目前最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法较多，主要有恒定电压法、恒定电流法、扰动观察法、电导增量法。

常见光伏MPPT系统按照能量传递方向大致可以分为三部分。第一部分是最大功率点寻优控制，通过寻优算法找到最大功率点输出时对应的光伏输出电压或者电流值。第二部分是能量辅助传递控制，通过DC/DC变换电路进行能量传递。第三部分是能量转化控制，通过离网或者并网型设备进行稳压控制，实现能量存储或并入电网。

为了实现快速稳定的光伏MPPT控制，本文使用基于变步长电压扰动法作为功率/电压寻优控制器。分析了光伏MPPT系统构成和工作原理。重点对光伏输出电压控制器的电压环进行优化设计。设计了一种光伏MPPT电压环复合控制器，采用电压顺馈+PI调节器的方法实现。通过对光伏输出电压控制器进行数学建模得到电压闭环传递函数。确定了最佳PI调节器参数以得到快速稳定的MPPT控制。仿真分析结果以及试验结果表明，此电压环复合控制器能够快速、稳定地实现光伏MPPT响应。

1 光伏MPPT系统构成及工作原理

基于电压扰动法的光伏MPPT控制器一般由功率/电压自动寻优控制器、光伏输出电压控制器两部分构成。光伏输出电压控制器由电压误差比较器、电压环控制器、DC/DC变换器、负载、电压采样电路构成，结构框图如图1所示。

图1 基于电压扰动法的光伏MPPT控制器结构图

功率/电压自动寻优控制器用于根据电压扰动条件下的功率变化来确定电压扰动的方向至寻求到最大功率点时对应的光伏输出电压。

光伏输出电压控制器用于实现光伏输出电压控制，并保证实际电压量快速、稳定地跟踪电压给定量。

DC/DC变换器输入为光伏电池电压，输出连接稳压负载。起到电压转换的作用，使得光伏输出电压在一定范围内可调整，并包含光伏最大功率输出时对应的电压值。最常用的为BUCK电路和BOOST电路。基于光伏电池输出电流连续性的考虑，本文选取BOOST电路作为DC/DC变换器。

稳压负载有离网型和并网型，一般都有相应设备进行输出电压稳定控制。在电感电流连续工作状态时，DC/DC变换器与稳压负载一起构成了光伏输出电压稳定装置，假设变换器输出电压为V_out，输入电压为V_in，BOOST电路调制度为D，有

(1)

由式(1)可知，通过调整调制度D即可实现对光伏电池输出电压的控制。

2 光伏MPPT系统电压环控制器的优化设计

功率/电压自动寻优控制器能够保证快速锁定最大功率点时对应的光伏输出电压。光伏输出电压控制器能够保证快速响应功率/电压自动寻优控制器的输出电压命令。本文优化设计了光伏输出电压控制器。

2.1 光伏MPPT控制器的优化设计

DC/DC变换器为光伏输出电压控制器的执行机构，其控制量输入(1-D)为电压环控制器的输出。传统的电压环控制器一般使用比例积分器(PI)、比例积分微分器(PID)两种。合理地设计比例、积分、微分参数能够优化电压控制效果，鉴于光伏MPPT控制对象以及电路拓扑非常明确，本文使用PI调节器作为电压环控制器。

由式(1)可知，在变换器接稳压负载情况下，BOOST电路控制量输入(1-D)与光伏输出电压V_in的关系为

(2)

因此设计了一款具有光伏输出电压顺馈调节功能的控制器。顺馈调节量为k•V_ref/V_out (0<k<1)，k为顺馈调节系数。在相同的PI调节器控制下，顺馈调节能够通过对调制度的直接调节加快电压环响应，调节系数据实际情况选取。原则上k越接近1，电压顺馈调节效果越明显，顺馈造成的短时不可控性也越明显。光伏输出电压控制器框图见图2。

图2 光伏输出电压控制器框图

2.2光伏输出电压控制器的数学建模及参数设计

PI调节器比例系数为k_p，积分系数为k_i，其传递函数为

(3)

DC/DC变换器相当于一个电压放大环节，其输入为PI调节器的输出及电压顺馈调节输出之和。数值上为1-D，在光伏输出电压为定值情况下，可以将电压顺馈调节器输出当作是扰动单元来分析控制器电压环。

可以将DC/DC变换器简化成光伏输出电压放大倍数为V_out的放大器。考虑到电压采样和DC/DC变换器输出之间相差一个采样周期，因此可以将DC/DC变换器以及光伏输出电压等效成具有时间常数T_f(T_f为电压环控制周期)的一阶惯性环节，传递函数Hs2为

(4)

电压采样电路一般由电压传感器、信号调理电路构成，且一般采用低通滤波处理来滤除信号中的高频干扰成分。因此可以将电压采样电路看成具有时间常数T_if(电压采样回路时间常数，具体值视实际电路来定)的一阶惯性环节，其传递函数Hs3为

(5)

通过对光伏输出电压控制器各组成部分进行数学建模，可以得到其基于传递函数的控制框图如图3所示。

图3 光伏输出电压控制器传递函数框图

由图3，考虑到扰动项对电压环输出的影响在稳态时为0，其作用能加快系统稳定。首先考虑光伏输出电压控制器电压闭环动态响应情况，其传递函数Hs为

(6)

代入各部分传递函数的具体表达式得到整体传递函数表达式为

(7)

对于式(7)分母多项式中第二项，一阶系统时间常数T_f、T_if比较小，可以使用它们的和作为一个时间常数的一阶惯性环节来等效替换，有

(8)

将式(7)代入式(6)，得到简化后的传递函数为

(9)

由于零点不影响单位阶跃响应的形式，只影响各瞬态分量系数的大小。这里仅考虑式(9)中极点对传递函数阶跃响应的影响。为了获得良好的控制效果及确定PI调节器参数，将此传递函数与典型二阶系统表达式比较有

(10)

式中：ξ为二阶系统阻尼系数；ω_n为系统无阻尼振荡圆频率。

由式(10)得到PI调节器的参数为

(11)

3 光伏MPPT控制器的仿真分析

3.1 仿真电路设计及控制参数确定

功率/电压自动寻优控制器使用“基于电压扰动寻优控制策略”来确定最大功率点时对应的光伏输出电压参考值。

光伏电池组件使用输出功率最大为1 000 W的戴维南等效电路替代。DC/DC变换器输出接电池储能系统进行电压稳定，稳定输出电压为V_out=400 V。依据电流纹波控制量设计电抗器电感量，使用电感值为5 mH。

确定电压环PI调节器参数。电压环控制周期T_f=0.000 125 s，电压采样处理电路时间常数T_if=0.000 075 s；电压环无阻尼振荡圆频率取ω_n=2 000 rad/s；为了使输出电压响应快速、稳定，系统阻尼系数取ξ=1。代入式(11)得到电压环控制器PI调节器参数k_p =0.002，k_i =2。