一種變步長擾動觀察法最大功率點跟蹤在煤礦采空區光伏發電中的應用研究

范海峰，劉國鵬

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

我國是一個產煤大國，煤炭分布區域主要集中在中西部地區，經過多年的開采形成了大面積的采空區，采空區的治理一直是個世界性難題。國內傳統的治理模式主要有填充法和采煤塌陷沉穩后再治理等方式[1-3]，這些模式面臨開發技術難度大、投入成本高以及采空區完成塌陷需要較漫長的閑置狀態等不足，不利于土地的有效利用。光伏發電技術作為提高煤礦采空區閑置土地經濟效益的一種有效的手段，逐漸受到治理者的認可和推廣[4-5]。中西部煤礦采空區大部分布在高山和丘陵地區，一天之內山區氣溫和光照強度變化幅度較大，基于光伏電池功率輸出特性在一定范圍內與外界環境溫度和光照強度存在線性變化規律[6]，最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制對于提高光伏發電的效率具有重要意義[7-10]。工程實踐中光伏發電最大功率點跟蹤控制常用的方法有擾動觀察法、定壓跟蹤法、電導增量法、人工神經網絡算法、粒子群算法等[11-16]，其中擾動觀察法因結構簡單、對硬件精度要求不高被廣泛應用在工程實踐中[17]。本文將進行變步長擾動觀察法最大功率點跟蹤在煤礦采空區光伏發電中的應用研究。

1 定步長擾動觀察法

定步長擾動觀察MPPT控制流程如圖1所示[18]。實現最大功率點跟蹤過程步長ΔU為固定值，步長值的選取十分關鍵，若選取較大的步長值，外部環境發生較大變化光伏發電MPPT響應速度快，但跟蹤精度較差；若選取較小步長值，外部環境發生較大變化光伏發電MPPT響應速度慢，但跟蹤精度高。因此，存在最大功率點跟蹤精度和響應速度無法兼顧的不足[19-21]?？紤]到山西、內蒙、陜西等產煤大省采空區多分布在山丘地帶，其外界環境因素（如光照強度和溫度）變化較大，光伏發電的發電效率會受到較大影響，因此研究傳統定步長擾動觀察法的改進對于提高采空區光伏發電效率具有重要意義。文獻[22]提出一種基于梯度尋優思想的變步長擾動觀察法，在擾動過程中按照P-U特性曲線的斜率可自動改變擾動步長，進而提高系統尋優效率，但其控制器設計較為復雜，成本較高。文獻[17]提出了一種采用PI雙層控制的新型自適應擾動觀察法，但控制器的比例系數Kp和控制器的積分系數Ki需人為來選擇。上述方法雖然對定步長問題提出了相應解決方案，但均存在不同的缺陷。

圖1 定步長擾動觀察法流程圖

2 變步長擾動觀察法

本文提出了一種變步長擾動觀察法，引入步長調節系數m，其中0.85≤m＜1，隨采樣周期次數累計步長值ΔUref呈遞減變化，即

其中，k為階段時間內的采樣次數；ΔU為初始步長值，V。

采樣次數k隨著時間呈正向線性變化，參數m、k、ΔU會越來越小，能夠較好滿足最大功率點跟蹤的精度，考慮到某一時刻外界環境（溫度和光照強度）發生較大變化，MPPT的動態特性將會下降，為了兼顧最大功率點跟蹤的精度和動態特性，實現邏輯中增加了采樣次數k清零的條件，具體是：比較第k次的采樣功率P（k）與第k-1的采樣功率P（k-1），若則采樣次數k清零，即：k=0，ΔUref=ΔU，進入下一個計算周期，P0為k清零門檻功率。改進變步長擾動觀察法流程如圖2所示。

圖2 改進擾動觀察法流程圖

改進擾動觀察法MPPT控制策略實現的效果：光伏電池板發電功率未達到最大功率之前，步長ΔUref較大能夠滿足MPPT響應速度的要求；光伏電池板發電功率達到最大功率后，步長ΔUref較小能夠滿足MPPT精度的要求。為了驗證變步長擾動觀察法可行性，可通過仿真對比來驗證改進擾動觀察法在實現MPPT過程中跟蹤精度和響應速度的優越性。

3 兩種擾動觀察法仿真分析

3.1 定步長擾動觀察法仿真

為了借助仿真來驗證變步長擾動觀察法MPPT的優越性，需要模擬煤礦采空區環境因素的變化，搭建的定步長擾動觀察法仿真模型如圖3所示，仿真模型中MPPT控制模塊如圖4所示。仿真具體參數設置：阻感負載中，

圖3 定步長擾動觀察法仿真模型

圖4 定步長擾動觀察法MPPT控制模塊

3.2 變步長擾動觀察法仿真分析

在圖3基礎上搭建變步長擾動觀察法仿真模型，在圖4模塊的基礎上搭建的變步長擾動觀察法的MPPT控制模塊如圖5所示。

圖5 變步長擾動觀察法MPPT控制模塊

為了借助仿真來驗證變步長擾動觀察法MPPT的可行性，需要模擬實際環境因素的變化，通過控制單一變量分別驗證在光照強度和環境溫度變化條件下變步長擾動觀察法與定步長擾動觀察法相比的跟蹤效果，仿真參數設定：步長ΔU為0.06 V，擾動調節系數m為0.95，采樣周期為0.002 s。設置環境溫度t為常量，取值為25 ℃，光照強度為單一變量，0.08 s時刻光照強度從1 000 W/m2降為800 W/m2，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同光照強度條件下MPPT仿真波形對比

改變環境溫度t對比分析定步長擾動觀察法和變步長擾動觀察法在實現MPPT時的優劣，設置光照強度為常量，取值為1 000 W/m2，0.08 s時刻環境溫度由25 ℃調整為35 ℃，仿真結果如圖7所示，其中圖7（a）、圖7（b）分別為傳統定步長擾動觀察法和變步長擾動觀察法MPPT跟蹤效果。

圖7 不同溫度下MPPT仿真波形對比

通過單一變量仿真對比分析可知，變步長擾動觀察最大功率點跟蹤精度明顯優于定步長擾動觀察法，最大功率點跟蹤的速動性與定步長擾動觀察法相當，因此，變步長擾動觀察法MPPT在兼顧速動性的同時最大功率點跟蹤精度優于傳統定步長擾動觀察法。

4 結論

引入步長調節系數m動態調節光伏電池板MPPT的步長值，通過仿真對比分析得出：變步長擾動觀察法在兼顧速動性的同時最大功率點跟蹤精度優于傳統定步長擾動觀察法，能夠較好滿足煤礦采空區光伏發電效率的要求。