扰动观测法的基本原理及实践应用

图6-6 扰动观测法MPPT过程示意

a）增大电压后需继续采用增大电压扰动的过程 b）增大电压后需采用减小电压扰动的过程 c）减小电压后需继续采用减小电压扰动的过程 d）减小电压后需采用增大电压扰动的过程

众所周知，一般正常条件下，光伏电池P-U特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，这一特点为采用扰动观测法来寻找最大功率点提供了条件，而扰动观测法实际上采用了步进搜索的思路，即从起始状态开始，每次对输入信号做一有限变化，然后测量由于输入信号变化引起输出变化的大小及方向，待方向辨别后，再控制被控对象的输入按需要的方向调节，从而实现自寻最优控制。将步进搜索应用于光伏系统的MPPT控制时，就是所称的扰动观测法。如图6-6所示，当负载特性与光伏电池特性的交点在最大功率点左侧时，MPPT控制会使交点处的电压升高；而当交点在最大功率点右侧时，MPPT控制会使交点处的电压下降，如果持续这样的搜索过程，最终可使系统跟踪光伏电池的最大功率点运行。即使用ΔP/ΔU代替dP/dU，期望得出的工作点满足ΔP/ΔU≈0，即为最大功率点。

为讨论方便，假定辐照度、温度等环境条件不变，并设U₁、I₁为第一次光伏电池的电压、电流调整值，P₁为对应的输出功率，U、I为当前光伏电池的电压、电流检测值，P为对应的输出功率，ΔU为电压调整步长，ΔP=P₁-P为电压调整前后的输出功率差。图6-6显示了扰动观测法的MPPT过程，具体描述如下：

1）当增大参考电压U（U₁=U+ΔU）时，若P₁＞P，表明当前工作点位于最大功率点的左侧，此时系统应保持增大参考电压的扰动方式，即U₂=U+ΔU，其中U₂为第二次调整后的电压值，如图6-6a所示。

2）当增大参考电压U（U₁=U+ΔU）时，若P₁＜P时，表明当前工作点位于最大功率点的右侧，此时系统应采用减小参考电压的扰动方式，即U₂=U-ΔU，如图6-6b所示。(www.xing528.com)

3）当减小参考电压U（U₁=U-ΔU）时，若P₁＞P时，表明工作点位于最大功率点的右侧，系统应保持减小参考电压的扰动方式，即U₂=U-ΔU，如图6-6c所示。

4）当减小参考电压U（U₁=U-ΔU）时，若P₁＜P时，表明工作点位于最大功率点的左侧，此时系统应采用增大参考电压的扰动方式，即U₂=U+ΔU，如图6-6d所示。

可见，扰动观测法就是按照以图6-6所示的过程反复进行输出电压扰动，并使其电压的变化不断使光伏电池输出功率朝大的方向改变，直到工作点接近最大功率点。扰动观测法按每次扰动的电压变化量是否固定，可以分为定步长扰动观测法和变步长扰动观测法两类，定步长扰动观测法的流程图如图6-7所示。

图6-7 定步长扰动观测法的流程图

以上分析可知，扰动观测法具有控制概念清晰、简单、被测参数少等优点，因此被普遍地应用于实际光伏系统的MPPT控制。值得注意的是，在扰动观测法中，电压初始值及扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响。