《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法的MPPT算法研究
萊姆(中國(guó))電子有限公司
摘要: 針對(duì)以往光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximunPowerPointTracking,MPPT)算法的跟蹤速度及精確度不理想的特點(diǎn),,提出了一種新穎的變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法,,對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法存在的速度和精度的矛盾進(jìn)行優(yōu)化,。在Matlab/Similink下進(jìn)行系統(tǒng)的建模與仿真,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,。
Abstract:
Key words :

  摘要:針對(duì)以往光伏發(fā)電系統(tǒng)" title="發(fā)電系統(tǒng)">發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤" title="最大功率點(diǎn)跟蹤">最大功率點(diǎn)跟蹤    ?。∕aximunPowerPointTracking,MPPT)算法的跟蹤速度及精確度不理想的特點(diǎn),提出了一種新穎的變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法,,對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法存在的速度和精度的矛盾進(jìn)行優(yōu)化,。在Matlab/Similink下進(jìn)行系統(tǒng)的建模與仿真,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,。結(jié)果表明,,該方法能夠顯著提高M(jìn)PPT跟蹤的速度和精度。
  關(guān)鍵字:最大功率點(diǎn)跟蹤速度精度變步長(zhǎng)
  中圖分類(lèi)號(hào):TK519文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
   Abstract:For the character is ticsofunsati factory of solar photovoltaic powergener at ionsystem for the past,the maximum powerpoint tracking(MaximunPowerPointTracking,MPPT)  algorithmto track the speed an daccuracy.It propose danovel variabl estephyster esismethod tooptimize the contradiction soft hespeedand precision of the existence traditional methods.Makemodelingandsimulation,and experimental analysisin Matlab/Similinksystem. There sults show that the methodcan significantly improve the speed andprecision of MPPT tracking.
Keyword:MPPTspeedaccuracyvariablestep
  1引言

  隨著社會(huì)的發(fā)展,,能源和環(huán)境成為人們面對(duì)的緊要問(wèn)題,。太陽(yáng)能作為一種廣泛分布的清潔可再生能源有很好的應(yīng)用前景[1],其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)得到了大量研究和應(yīng)用,,在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,,光伏電池" title="光伏電池">光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外,還受使用環(huán)境如輻照度,、負(fù)載和溫度等因素的影響,。在不同的外部環(huán)境下,光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)(MaximunPowerPoint,MPP)上,。因此對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),,應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài),以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能[2],。
  目前常用的實(shí)現(xiàn)MPPT的方法有導(dǎo)納增量法,、擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法等,。導(dǎo)納增量法是利用光伏電池在MPP處輸出功率對(duì)電壓的導(dǎo)納為零來(lái)跟蹤MPP,該方法控制效果好,,控制穩(wěn)定度較高,,但是控制算法復(fù)雜,對(duì)采樣的精確度要求很高[3],。擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法是根據(jù)光伏電池的輸出功率的變化趨勢(shì)來(lái)擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓,,使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。但振蕩和誤判問(wèn)題的存在,,使系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn),,造成了能量損失[2]。
  綜上所述,,以傳統(tǒng)擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法為基礎(chǔ)提出的變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法不但在克服最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中的振蕩和誤判方面均有較好的性能,,且能兼顧到速度和精度的要求,,更加準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn),,從而提高光伏系統(tǒng)" title="光伏系統(tǒng)">光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。
  2光伏電池特性分析
  2.1光伏電池的等效電路
  光伏電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積平面二極管,,可以用圖1的單二極管等效電路來(lái)描述,。圖中RL是光伏電池的外接負(fù)載,負(fù)載電壓(亦即光伏電池的輸出電壓)為UL,,負(fù)載電流為IL,。
 (1)

  式中:ISC為光子在光伏電池中激發(fā)的電流;IDO為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流,;q為電子的電荷,,1.6×10-19C;RS為串聯(lián)電阻(由電池的體電阻,、表面電阻,、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間電阻所組成),;A為一個(gè)常數(shù)因子(正偏電壓大時(shí)A值為1),;K為玻爾茲曼常數(shù),1.38×10-23J/K;Rsh為并聯(lián)電阻(有硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的),。
2.2光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及輸出特性
  一般光伏電池,,串聯(lián)電阻Rs很小,并聯(lián)電阻Rsh很大,,在進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì),,理想光伏電池的特性為:


,即
  (2)
  設(shè)在參考條件下,Isc為其短路電流,,Uoc為其開(kāi)路電壓,,Im,Um為最大功率點(diǎn)電流和電壓,,則當(dāng)光伏陣列的電壓為Vpv時(shí),其對(duì)應(yīng)的電流為Ipv,
  根據(jù)光電池廠(chǎng)提供的Im,Um,Isc,Uoc等參數(shù)就可以確定該光伏電池的輸出特性,,但是由于廠(chǎng)商提供的這些參數(shù)一般是在標(biāo)準(zhǔn)溫度(Tref=25℃)和標(biāo)準(zhǔn)日照功率?。⊿ref=1000W/m2)下的測(cè)試結(jié)果,在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行補(bǔ)償[4],可以根據(jù)[2]得到:

  其中:

 

  基于式(3),,我們使用Matlab搭建了光伏電池的仿真模型如圖2所示,。參數(shù)為:電流變化溫度系數(shù)a=0.015Amps/℃,電壓變化溫度系數(shù)b=0.700V/℃,
Isc=5.45A,Uoc=22.2V,Im=4.95A,Um=17.2V。

  圖2光伏陣列Matlab仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  封裝后的PV模塊如下:

  模擬光照強(qiáng)度從1000W/m2遞變到200W/m2時(shí)系統(tǒng)的輸出性能,,如圖4所示,。

          圖4給定光照曲線(xiàn)下光伏陣列的輸出特性
  由圖可知,光伏器件輸出功率Ppv與輸出電壓Upv,電流Ipv呈非線(xiàn)性關(guān)系,,在不同的環(huán)境即溫度,,日照強(qiáng)度下,光伏器件存在唯一最大輸出功率點(diǎn),。當(dāng)光伏器件置于室外環(huán)境時(shí),,由于外部環(huán)境不斷改變光伏器件最大功率也隨之改變。
  3變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)
  工作點(diǎn)到達(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí),,對(duì)于定步長(zhǎng)的擾動(dòng)方式,,會(huì)出現(xiàn)工作點(diǎn)跨過(guò)最大功率點(diǎn)的情形,但改變擾動(dòng)方向后,,工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓的差值還是小于步長(zhǎng),,無(wú)法達(dá)到最大功率點(diǎn),這種由于擾動(dòng)步長(zhǎng)一定所導(dǎo)致的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)兩側(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情形,,就是擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的振蕩現(xiàn)象,。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),光伏電池的輸出功率特性曲線(xiàn)也發(fā)生變化,,會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)工作點(diǎn)序列位于不同的Ppv-Upv特性曲線(xiàn)上的情形,。此時(shí)對(duì)于不同的Ppv-Upv特性曲線(xiàn)上的工作點(diǎn)繼續(xù)使用針對(duì)于固定特性曲線(xiàn)的判據(jù),就會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)方向與實(shí)際功率變化趨勢(shì)相反的情形,,就是擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的誤判現(xiàn)象,。
  3.1變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法原理
  從控制角度而言,抑制振蕩可以采用具有非線(xiàn)性特性的滯環(huán)控制策略,,針對(duì)光伏電池的Ppv-Upv特性,,其滯環(huán)控制環(huán)節(jié)如圖5所示。

  當(dāng)功率在所設(shè)的滯環(huán)內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),,光伏電池的工作點(diǎn)電壓保持不變,,只有當(dāng)功率的波動(dòng)量超出所設(shè)的滯環(huán)時(shí),才按照一定的規(guī)律改變工作點(diǎn)電壓,??梢?jiàn)滯環(huán)的引入,,可以有效地抑制擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的振蕩現(xiàn)象。實(shí)際上可以將誤判看成是外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)的一種動(dòng)態(tài)的振蕩過(guò)程,,因此該方法也可以克服擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的誤判現(xiàn)象,。
  3.2系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
  雖然滯環(huán)比較法可以較大程度地避免振蕩和誤判現(xiàn)象,但如果步長(zhǎng)過(guò)大,,工作點(diǎn)可能會(huì)停在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域,,如果步長(zhǎng)過(guò)小,在新一輪開(kāi)始搜索時(shí),,工作點(diǎn)會(huì)在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間地搜索,,因此速度和精度的矛盾依然存在,采用變步長(zhǎng)的滯環(huán)比較法便可以解決這一矛盾,,具體流程圖如圖6,。

  圖6變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法流程圖
  其原理如下:
  在太陽(yáng)能電池P-V特性曲線(xiàn)頂點(diǎn)附近從左至右依次取C,A,B三點(diǎn),設(shè)變化標(biāo)志m,擾動(dòng)量為n,PC,PA,PB對(duì)應(yīng)于A,B,C三點(diǎn)的功率,規(guī)定當(dāng)PB≥PA時(shí),m=1,PB  (1).m=2,PB≥PA&PA≥PC,增加擾動(dòng)量,,增加步長(zhǎng),,令n=2n;
  (2).m=0,PCPA,達(dá)到最大點(diǎn);
  (3).m=-2,PB  4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
  為了驗(yàn)證所提出方法的正確性,,把MPPT控制系統(tǒng)串入Boost變換器電路中,,在Matlab/Simulink仿真軟件下搭建的仿真模型中,編寫(xiě)S函數(shù)作為MPPT的控制模塊,,對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,MPPT的仿真模型如圖7所示,。為了形成對(duì)比,,對(duì)采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法和變步長(zhǎng)的滯環(huán)比較法MPPT控制方法進(jìn)行了仿真

  根據(jù)圖7的光伏系統(tǒng)仿真模型,,分別在MPPT模塊應(yīng)用擾動(dòng)觀(guān)察法和變步長(zhǎng)的滯環(huán)比較法對(duì)外界條件變化后的某一瞬間進(jìn)行仿真,,如圖8,圖9所示。由圖8可以看出擾動(dòng)觀(guān)察法在0.004s左右即可達(dá)到最大功率點(diǎn),,波形在往后的范圍內(nèi)處于震蕩較明顯的情況,。而圖9的變滯環(huán)比較法在0.00025s處即已達(dá)到最大功率點(diǎn)且波動(dòng)比較小,說(shuō)明變步長(zhǎng)的滯環(huán)比較法的確在原來(lái)擾動(dòng)觀(guān)察法的基礎(chǔ)上無(wú)論是從精度還是速度方面都有了一定程度的改進(jìn),,從而提高了光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率,。

  5結(jié)論
  本文對(duì)光伏電池特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析,針對(duì)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問(wèn)題進(jìn)行了研究,,提出了基于擾動(dòng)觀(guān)察法的變步長(zhǎng)滯環(huán)比較法,。變步長(zhǎng)的滯環(huán)比較法的最大優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)雙向擾動(dòng)確認(rèn)的方法來(lái)保證擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的動(dòng)作可靠性,,以避免誤判的發(fā)生,同時(shí)在搜索過(guò)程中不斷調(diào)整搜索的步長(zhǎng),,也有效的抑制了最大功率點(diǎn)附近的振蕩,。仿真結(jié)果表明,該算法具有很好的跟蹤速度和精度,,是一種比較理想的控制方法,,但是穩(wěn)定性方面還需要改進(jìn)。
  6參考文獻(xiàn)
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  [2]張興,,曹仁賢.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.1.
  [3]張超,,何湘寧.短路電流結(jié)合擾動(dòng)觀(guān)察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(20):98-102.
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  [5]張超,,何湘寧,,趙德安.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長(zhǎng)MPPT控制策略研究[J].電力電子技術(shù),2009,10(43):47-49.


  作者簡(jiǎn)介:
  [1]徐高晶(1982-),,男(漢族),,江蘇啟東人,碩士,,南京理工大學(xué),,電力工程師(中級(jí))從事電力電子,電源,,逆變器等相關(guān)研發(fā)工作,。
  [2]陳婷(1986-),女(漢族),,河南駐馬店人,,碩士,南京工業(yè)大學(xué),,在讀,,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。
  [1]徐韜(1980-)男(漢族),,江蘇南京人,,本科,電力工程師(初級(jí))從事電源系統(tǒng)控制,,監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)工作,。

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