文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.036
中文引用格式: 王川川,,孫霞,錢輝,,等. 基于電壓自尋優(yōu)擾動的光伏MPPT算法[J].電子技術應用,,2016,42(7):142-145.
英文引用格式: Wang Chuanchuan,,Sun Xia,,Qian Hui,et al. Study on MPPT of self seeking optimal perturbation method[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(7):142-145.
0 引言
能源是推動世界經(jīng)濟發(fā)展和繁榮的車輪,,由于化石燃料產(chǎn)量的急劇下降,,如何尋求可替代的可再生能源成為世界各國共同聚焦的問題。作為一種無污染和取之不盡的能源,,太陽能在過去的二十年中,,已經(jīng)吸引了更多的關注。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)組裝成本太高,,提高效率才是促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵[3],,MPPT算法的改進自然成為國內(nèi)外學者研究的熱點。MPPT傳統(tǒng)使用的方法包括恒壓法,、擾動觀察法,、電導增量法等。其中擾動觀察法包括電壓擾動觀察法和占空比擾動觀察法,,該方法控制原理簡單,,但是在最大功率點附近存在嚴重的振蕩問題[1-5];電導增量法[10]精度高并通過修改邏輯判斷式可以有效減小振蕩,,但步長和閾值難以選取,,環(huán)境突變時可能會發(fā)生誤判。對于新穎的模糊控制方法,,由于直接采用了控制規(guī)則表,,所以跟蹤迅速快、波動小,、動態(tài)穩(wěn)定性好,,缺點是控制方法的設計缺乏系統(tǒng)性,對于控制目標無法定義,,周期太長,、成本較高[1],設計難度相對較大,。
在對以上傳統(tǒng)光伏MPPT分析研究的基礎上,,本文提出一種電壓自尋優(yōu)擾動MPPT算法。該算法融合了擾動觀察法,、恒定電壓法的優(yōu)點,,并結合了大步長擾動法和小步長擾動法[1],可根據(jù)外界環(huán)境變化自動調整步長,不斷更新初始最大電壓Um的值,,有效克服了文獻[1]所提擾動法由于給定電壓不準確帶來的誤跟蹤問題,。利用MATLAB/Simulink仿真平臺搭建光伏電池模型,仿真結果表明該方法具有兼顧響應速度和控制精度的優(yōu)點,,在最大功率點附近能夠實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,,提高了最大功率點的精度及穩(wěn)定性,減少能量損失[2],。
1 光伏電池數(shù)學模型
圖1所示為光伏電池等效模型電路,,并聯(lián)電阻Rsh為等效漏電阻,Rs為光伏電池等效串聯(lián)電阻,。
由電路原理易得光伏電池輸出電流為:
式中,,短路電流用Iph表示,二極管飽和導通電流為Io,,二極管常數(shù)表示為n,,q為電子所帶電荷(1.6×10-19 C),K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23 J/K),。上圖中等效漏電阻Rsh一般阻值較大,,因此通常情況下我們忽略其影響,且Rs相對于二極管導通電阻可以忽略,,簡化可得:
一般情況下Rs遠小于二極管正向導通電阻,,因此設定Iph=Isc,當處在最大功率點和開路狀態(tài)情況時,,必須要考慮電壓與電流的關系,。在最大功率點條件下:U=Um,I=Im,,開路狀態(tài)下:U=Uoc,,I=0,綜合以上對光伏電池數(shù)學模型的分析,,可化簡得到式(3):
其中:a=0.002 5/℃、b=0.5,、c=0.002 88/℃,、e為自然對數(shù)。根據(jù)所得數(shù)學模型利用MATLAB中Simulink工具搭建了光伏電池仿真模型,,如圖2,、圖3所示。
廠家提供的主要參數(shù)為Isc=3.90 A,,Uoc=21.6 V,,Im=3.45 A,Um=17.4 V,其標準功率約為60 W,。經(jīng)仿真得到在標準溫度不同光照強度及標準光照強度不同溫度的I-U,、P-U特性曲線,如圖4所示,,仿真圖形結果跟廠家提供參數(shù)一致[4-6],。
2 改進MPPT算法
傳統(tǒng)擾動觀測法原理簡單、實現(xiàn)容易,,但在最大功率點處波形震蕩明顯且經(jīng)常出現(xiàn)誤跟蹤,,從而導致出現(xiàn)嚴重的功率損失問題。此外,,若擾動步長越大,,穩(wěn)態(tài)時振蕩范圍越大,能量損失越嚴重,,如果擾動步長太小,,對于外界環(huán)境的變化不能做出快速響應[6]。為了兼顧跟蹤速度和精度的要求,,本文融合了擾動觀察法,、恒定電壓法的優(yōu)點,并結合了大步長擾動法和小步長擾動法,,提出了一種電壓自尋優(yōu)擾動觀察法,。該方法首先根據(jù)恒定電壓法原理,即當溫度一定時,,光伏電池的最大功率點近似排列成一條直線,,如果近似用一條垂線代替這條直線,即保持電壓為恒定值,,則光伏電池的最大功率輸出點近似等于某一恒定電壓Um[9],,然后測算采樣點電壓Uk與Um的差值,判斷兩個電壓差的絕對值與Δm,、Δs的關系,。若|Uk-Um|>Δm時選擇大步長ΔUm進行擾動,若|Uk-Um|<Δs則選擇小步長ΔUs進行擾動,,反之以常規(guī)步長ΔUc進行擾動,。由于恒定電壓法選擇的Um為近似值,當外界環(huán)境變化很大時會產(chǎn)生較大誤差,,因此在每跟蹤到一個最大功率點時要更新給定電壓Um的值,,即Pk-Pk-1=0時,Um=Uk,。這樣既能保證算法的快速跟蹤效果,,又提高了精確度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電壓自尋優(yōu)擾動法的算法流程圖如圖5所示。
具體控制過程如下:
(1)首先對光照強度S,、電池板溫度T,、電壓Uk、電流信號Ik進行采樣,。然后根據(jù)恒定電壓法原理得出初始給定電壓Um的值,,再對參數(shù)Δm、Δs,、ΔUm,、ΔUs、ΔUc進行初始化,。
(2)判斷采集到的電壓Uk跟Um的關系,,如若|Uk-Um|>Δm時,選擇大步長擾動,,即ΔUk=ΔUm,,若|Uk-Um|<Δs則選擇小步長ΔUs進行擾動,即Uk=ΔUs,,否則以常規(guī)步長ΔUc進行擾動,。這樣判據(jù)過程可以在保證精度的前提下,提高跟蹤速率,。
(3)判斷當前功率與前一點功率大小,,若Pk-Pk-1=0,說明跟蹤到了在當前環(huán)境條件下的最大功率點,,把此刻的電壓值Uk賦予全局變量Um,,即Um=Uk。當外界環(huán)境條件變化時,,電壓將以新的Um值為中心擾動逼近,,可有效提高跟蹤精度。
(4)通過判斷dP*dU的正負來決定采取正向擾動還是反向擾動[9],,若dP*dU>0,,說明此時采樣點位于最大功率點的左側,要采用正向擾動,,即Uk+1=Uk+ΔUk,,若dP*dU<0,此時采樣點位于最大功率點右側,,采取反向擾動,即Uk+1=Uk-ΔUk,。
3 系統(tǒng)仿真分析
根據(jù)如上所述基于電壓自尋優(yōu)擾動MPPT算法搭建了控制仿真模型,,boost電路電感值為10 mH,電容值為40 μF,負載電阻值為30 Ω,,算法設置為ode45(Dormand-Prince),,仿真時間為0.6 s,最大步長為0.01,。本實驗不僅比較了傳統(tǒng)電壓擾動法和本文提出的改進型電壓擾動法的仿真波形,,還觀察分析了當外界環(huán)境T、S分別變換及同時變化時輸出功率波形的變化,。
傳統(tǒng)擾動觀測法及本文提出的自尋優(yōu)擾動觀測法在標準狀況25 ℃,,1 000 W/m2下輸出功率仿真波形如圖6所示。
由圖6可知傳統(tǒng)擾動觀測法約在0.02 s時跟蹤到最大功率點,,而自尋優(yōu)擾動法約在0.009 s跟蹤到最大功率點,,跟蹤速度得到大幅度提高,且明顯減低了波形震蕩,。
圖7所示為當外界環(huán)境變化時,,輸出功率變化波形圖,其中圖7(a)為光照強度S保持1 000 W/m2不變,,而溫度在0.3 s時由25 ℃升高到40 ℃時仿真波形圖,,而圖7(b)是相同光照強度下溫度在0.3 s降低到15 ℃波形圖。圖7(c)是溫度保持25 ℃不變,,光照強度在0.4 s由1 000 W/m2降低到800 W/m2時的仿真波形,,圖7(d)是在同樣溫度下光照強度升高到1 200 W/m2時波形。圖7(e)為溫度在0.3 s由25 ℃升高到40 ℃,,而光照強度在0.4 s由1 000 W/m2降低到800 W/m2時的仿真波形圖,。
由圖7可知當溫度升高時,輸出功率略有下降,,溫度降低時,,輸出功率略有升高。光照強度降低時輸出功率降低很大,,光照強度增強時,,輸出功率大幅度升高。因此溫度對功率的影響相對較小,,光照強度對光伏電池的輸出功率影響相對較大,。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動觀測法對外界環(huán)境變化時能做出及時快速的追蹤,且波形畸變率小,。
4 結論
光能的有效利用是解決能源危機的有效措施之一,,最大功率點跟蹤技術(MPPT)又是提高光能利用效率的關鍵。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動觀測法融合了恒定電壓法,、擾動觀察法的優(yōu)點,,克服以往初始電壓值給定不變的缺點,,并結合了大步長擾動法和小步長擾動法,理論分析可行,,并根據(jù)原理搭建了Simulink仿真模型,,驗證了該方法動態(tài)響應速度快、波形震蕩較小,、跟蹤精度高,,具有很高的工程實用價值。
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