山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 謝明明 董明燕 王永立

一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)光伏MPPT跟蹤算法

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 謝明明 董明燕 王永立

由于傳統(tǒng)的光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximun Power Point Tracking，MPPT）算法具有跟蹤速度慢和不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，本文闡述了一種改進(jìn)型的自動(dòng)適配可變步長(zhǎng)的跟蹤算法，并在Matlab/Simulink 下進(jìn)行系統(tǒng)的仿真建模和分析，仿真結(jié)果表明該算法在外界光照強(qiáng)度明顯變化時(shí)能夠快速準(zhǔn)確的跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，且能消除功率振蕩現(xiàn)象。

光伏電池；最大功率點(diǎn)跟蹤；變步長(zhǎng)；光照強(qiáng)度變化；仿真

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,由石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)能源開發(fā)和利用而導(dǎo)致的環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益凸顯,而太陽能作為一種新型清潔能源得到了高度關(guān)注和迅速發(fā)展。光伏電池板是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能來源,光伏電池模塊的輸出功率隨外界環(huán)境的溫度、自然光照的強(qiáng)度等條件的變化而相應(yīng)變化,其輸出特性曲線為非線性曲線[1]。因此,就要對(duì)光伏電池陣列MPP進(jìn)行跟蹤,實(shí)時(shí)調(diào)整好其工作點(diǎn),以提高系統(tǒng)的整體輸出效率。

當(dāng)前,關(guān)于MPPT的研究方法有多種,包含擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、爬山法、恒給定電壓算法、光伏電池開路電壓法、曲線擬合法、查表法、滑?？刂品?、寄生電容模型法、模糊控制技術(shù)等[2]。本文是基于 Matlab的仿真平臺(tái)下建立的光伏電池的仿真模型,通過仿真實(shí)現(xiàn)了光伏電池工作狀況的模擬,并繪制出了在日照強(qiáng)度與環(huán)境溫度突變的工況下光伏電池的工作特性曲線,通過對(duì)其工作特性曲線分析,提出了改進(jìn)的干擾觀察法,并在Simulink平臺(tái)下做了仿真,仿真的結(jié)果表明該方法在日照強(qiáng)度劇烈變化時(shí)能快速穩(wěn)定的跟蹤最大功率點(diǎn)。

2 光伏電池建模

2.1 光伏電池的仿真建模

光伏電池是用半導(dǎo)體材料制作成的,考慮材料的電阻特性以及損耗等因素,光伏電池的電路模型可等效成一個(gè)二極管與一個(gè)具有內(nèi)電阻的電流源并聯(lián),等效電路如圖1所示[3,4]。

圖1 光伏電池的電路模型圖

其中,I為流過負(fù)載的電流;Iph為光生電流;Ish為光伏電池的漏電流;Id為流過二極管的電流。

Io為二極管內(nèi)的反向飽和電流;n為二極管的理想因子,取值為1～2,一般取1.2左右;q為電子電荷量();k為玻爾茲曼常數(shù)();T為光伏電池的絕對(duì)溫度(+273K); Rs為一片光伏電池內(nèi)部串聯(lián)等效電阻。

Rs為一片光伏電池內(nèi)部并聯(lián)等效電阻。

將Id和Ish帶入上式可得:

由上式可得,光伏電池輸出U和I的大小跟外界環(huán)境因素有關(guān)。

2.2 光伏電池的特性曲線

基于上述關(guān)系式,在Matlab平臺(tái)上搭建光伏電池板的仿真模型[6]。當(dāng)日照強(qiáng)度為1000,電池板溫度分別為298K、323K、353K時(shí),輸出仿真特性曲線如下圖2、圖3所示;當(dāng)電池板溫度為298K,日照強(qiáng)度分別為800、1000、1200時(shí),輸出仿真特性曲線如圖4、圖5所示。

圖2 S=1000不同溫度下的一組曲線

圖6 傳統(tǒng)的干擾觀察法MPPT仿真模塊

圖7 電導(dǎo)增量法MPPT仿真模塊

圖3 S=1000不同溫度下的一組曲線

圖4 T=298K不同光照強(qiáng)度下的一組曲線

3 MPPT控制模型

根據(jù)上述仿真結(jié)果可見,光伏電池的兩組輸出特性曲線均有較強(qiáng)的非線性,且在一定的環(huán)境下總有一個(gè)最大的功率點(diǎn)存在。MPPT本質(zhì)是通過一定的控制算法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)光伏電池的輸出功率P,根據(jù)P的變化判斷下一步的擾動(dòng)方向,其方法是采用一定的控制算法估計(jì)光伏電池在當(dāng)前情況下可能輸出的最大功率,并通過改變此時(shí)的系統(tǒng)阻抗值來達(dá)到輸出最大功率的要求[7]。本文在 Matlab/ Simulink仿真環(huán)境下搭建仿真模型,采用一種改進(jìn)型干擾觀察法,在日照強(qiáng)度與環(huán)境溫度突變時(shí),與傳統(tǒng)的干擾觀察法和電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤進(jìn)行比較。

圖5 T=298K不同光照強(qiáng)度下的一組曲線

3.1 傳統(tǒng)的干擾觀察法

傳統(tǒng)的干擾觀察法的本質(zhì)是通過擾動(dòng)增減光伏電池的輸出電壓,觀察其輸出功率的變化情況,若輸出功率增加,下一次擾動(dòng)保持原來的增減方向,若輸出功率減少,下一次擾動(dòng)改變?cè)瓉淼脑鰷p方向,直至使光伏電池輸出最大功率[8]。在Simulink中搭建仿真模型如圖6所示。

3.2 電導(dǎo)增量法

圖8 改進(jìn)的干擾觀察法MPPT仿真模塊

電導(dǎo)增量法實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)比光伏電池模塊電導(dǎo)值與其瞬時(shí)值的大小來控制控制信號(hào)的輸出,即在光伏電池的特性曲線上存在一最大功率點(diǎn),此處斜率為0[10]。

由上式推導(dǎo)得∶

如圖7所示。

3.3 改進(jìn)的干擾觀察法

對(duì)于boost變化器有:

圖9 傳統(tǒng)的干擾觀察法仿真結(jié)果

圖10 電導(dǎo)增量法仿真結(jié)果

圖11 改進(jìn)的干擾觀察法仿真結(jié)果

4 三種仿真結(jié)果及分析

5 結(jié)論

［1］傅望,周林,郭珂,等.光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型研究［J］.電工技術(shù)報(bào),2011,26(10):211-216.

［2］Rekioua D,等著,楊立勇,毛鵬譯.光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化:建模、仿真和控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

［3］萬曉鳳,張燕飛,余運(yùn)俊,康利平.光伏電池工程數(shù)學(xué)模型的比較研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(3):113-117.

［4］蔡文皓,李云,馬晶,張曉.基于模糊控制的光伏電池MPPT仿真研究［J］.電源技術(shù),2013,37(12):2144-2146,2173.

［5］周又玲,杜鋒,湯全武,白勇.MATLAB在電氣信息類專業(yè)中的應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2011.

［6］茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(5):1248-1251.

［7］紀(jì)芳.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的研究［D］.山東:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

［8］姚光輝.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MPPT技術(shù)研究［D］.浙江:浙江大學(xué)碩士專業(yè)學(xué)位論文,2014.

［9］魏臻珠,曹曉璐,楊海波.基于Simulink的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法仿真研究［J］.水電能源科學(xué),2013,31(12): 254-256.

［10］LIU Fangrui,DUAN Shanxu,LIU Fei.A variable step size INC MPPT method for PV systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2922-2628.

表7-事件標(biāo)志寄存器使用說明

4.3 中斷通道映射

將INTC2中斷事件映射到CPU的INT15。通過設(shè)置Interrupt Mux Register 3(INTMUX3)寄存器,將INTC中斷事件映射到CPU的INT15中,寄存器使用說明參考圖7。即:

INTMUX3=0x00000002 〈〈 0x18。

其中0x00000002為EVT2的物理地址。

4.4 主機(jī)事 件映射

由于主機(jī)事件映射關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此處理不需要進(jìn)行編程設(shè)置。

5 小結(jié)

本文主要分析KeyStone DSP中斷系統(tǒng)原理以及中斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)

［1］TMS320TCI6614 Communication Infrastructure KeyStone Soc, http://www.ti.com.

［2］KeyStone Architecture Interrupt Controller(INTC)User Guide,http://www.ti.com.

［3］C66x CorePac User Guide (Rev.A),http://www. ti.com.

［4］GPIO for KeyStone Devices Users Guide,http://www. ti.com.

謝明明（1986-），女，山東菏澤人，山東科技大學(xué)碩士在讀，研究方向：電力電子及其應(yīng)用。