一种变步长扰动观察法最大功率点跟踪在煤矿采空区光伏发电中的应用研究

范海峰，刘国鹏

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030006）

0 引言

我国是一个产煤大国，煤炭分布区域主要集中在中西部地区，经过多年的开采形成了大面积的采空区，采空区的治理一直是个世界性难题。国内传统的治理模式主要有填充法和采煤塌陷沉稳后再治理等方式[1-3]，这些模式面临开发技术难度大、投入成本高以及采空区完成塌陷需要较漫长的闲置状态等不足，不利于土地的有效利用。光伏发电技术作为提高煤矿采空区闲置土地经济效益的一种有效的手段，逐渐受到治理者的认可和推广[4-5]。中西部煤矿采空区大部分布在高山和丘陵地区，一天之内山区气温和光照强度变化幅度较大，基于光伏电池功率输出特性在一定范围内与外界环境温度和光照强度存在线性变化规律[6]，最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制对于提高光伏发电的效率具有重要意义[7-10]。工程实践中光伏发电最大功率点跟踪控制常用的方法有扰动观察法、定压跟踪法、电导增量法、人工神经网络算法、粒子群算法等[11-16]，其中扰动观察法因结构简单、对硬件精度要求不高被广泛应用在工程实践中[17]。本文将进行变步长扰动观察法最大功率点跟踪在煤矿采空区光伏发电中的应用研究。

1 定步长扰动观察法

定步长扰动观察MPPT控制流程如图1所示[18]。实现最大功率点跟踪过程步长ΔU为固定值，步长值的选取十分关键，若选取较大的步长值，外部环境发生较大变化光伏发电MPPT响应速度快，但跟踪精度较差；若选取较小步长值，外部环境发生较大变化光伏发电MPPT响应速度慢，但跟踪精度高。因此，存在最大功率点跟踪精度和响应速度无法兼顾的不足[19-21]。考虑到山西、内蒙、陕西等产煤大省采空区多分布在山丘地带，其外界环境因素（如光照强度和温度）变化较大，光伏发电的发电效率会受到较大影响，因此研究传统定步长扰动观察法的改进对于提高采空区光伏发电效率具有重要意义。文献[22]提出一种基于梯度寻优思想的变步长扰动观察法，在扰动过程中按照P-U特性曲线的斜率可自动改变扰动步长，进而提高系统寻优效率，但其控制器设计较为复杂，成本较高。文献[17]提出了一种采用PI双层控制的新型自适应扰动观察法，但控制器的比例系数Kp和控制器的积分系数Ki需人为来选择。上述方法虽然对定步长问题提出了相应解决方案，但均存在不同的缺陷。

图1 定步长扰动观察法流程图

2 变步长扰动观察法

本文提出了一种变步长扰动观察法，引入步长调节系数m，其中0.85≤m＜1，随采样周期次数累计步长值ΔUref呈递减变化，即

其中，k为阶段时间内的采样次数；ΔU为初始步长值，V。

采样次数k随着时间呈正向线性变化，参数m、k、ΔU会越来越小，能够较好满足最大功率点跟踪的精度，考虑到某一时刻外界环境（温度和光照强度）发生较大变化，MPPT的动态特性将会下降，为了兼顾最大功率点跟踪的精度和动态特性，实现逻辑中增加了采样次数k清零的条件，具体是：比较第k次的采样功率P（k）与第k-1的采样功率P（k-1），若则采样次数k清零，即：k=0，ΔUref=ΔU，进入下一个计算周期，P0为k清零门槛功率。改进变步长扰动观察法流程如图2所示。

图2 改进扰动观察法流程图

改进扰动观察法MPPT控制策略实现的效果：光伏电池板发电功率未达到最大功率之前，步长ΔUref较大能够满足MPPT响应速度的要求；光伏电池板发电功率达到最大功率后，步长ΔUref较小能够满足MPPT精度的要求。为了验证变步长扰动观察法可行性，可通过仿真对比来验证改进扰动观察法在实现MPPT过程中跟踪精度和响应速度的优越性。

3 两种扰动观察法仿真分析

3.1 定步长扰动观察法仿真

为了借助仿真来验证变步长扰动观察法MPPT的优越性，需要模拟煤矿采空区环境因素的变化，搭建的定步长扰动观察法仿真模型如图3所示，仿真模型中MPPT控制模块如图4所示。仿真具体参数设置：阻感负载中，

图3 定步长扰动观察法仿真模型

图4 定步长扰动观察法MPPT控制模块

3.2 变步长扰动观察法仿真分析

在图3基础上搭建变步长扰动观察法仿真模型，在图4模块的基础上搭建的变步长扰动观察法的MPPT控制模块如图5所示。

图5 变步长扰动观察法MPPT控制模块

为了借助仿真来验证变步长扰动观察法MPPT的可行性，需要模拟实际环境因素的变化，通过控制单一变量分别验证在光照强度和环境温度变化条件下变步长扰动观察法与定步长扰动观察法相比的跟踪效果，仿真参数设定：步长ΔU为0.06 V，扰动调节系数m为0.95，采样周期为0.002 s。设置环境温度t为常量，取值为25 ℃，光照强度为单一变量，0.08 s时刻光照强度从1 000 W/m2降为800 W/m2，仿真结果如图6所示。

图6 不同光照强度条件下MPPT仿真波形对比

改变环境温度t对比分析定步长扰动观察法和变步长扰动观察法在实现MPPT时的优劣，设置光照强度为常量，取值为1 000 W/m2，0.08 s时刻环境温度由25 ℃调整为35 ℃，仿真结果如图7所示，其中图7（a）、图7（b）分别为传统定步长扰动观察法和变步长扰动观察法MPPT跟踪效果。

图7 不同温度下MPPT仿真波形对比

通过单一变量仿真对比分析可知，变步长扰动观察最大功率点跟踪精度明显优于定步长扰动观察法，最大功率点跟踪的速动性与定步长扰动观察法相当，因此，变步长扰动观察法MPPT在兼顾速动性的同时最大功率点跟踪精度优于传统定步长扰动观察法。

4 结论

引入步长调节系数m动态调节光伏电池板MPPT的步长值，通过仿真对比分析得出：变步长扰动观察法在兼顾速动性的同时最大功率点跟踪精度优于传统定步长扰动观察法，能够较好满足煤矿采空区光伏发电效率的要求。