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        基于β參數(shù)的變步長(zhǎng)MPPT控制研究

        2016-10-14 00:28:03李星碩文輝清
        電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2016年17期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        李星碩,文輝清,2

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        基于參數(shù)的變步長(zhǎng)MPPT控制研究

        李星碩1,文輝清1,2

        (1.西交利物浦大學(xué)電氣與電子工程系,江蘇 蘇州 215123; 2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710049)

        研究了當(dāng)前光伏系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)(MPPT)的現(xiàn)狀,針對(duì)傳統(tǒng)MPPT方法在穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能之間存在的矛盾,提出了一種改進(jìn)的基于參數(shù)的變步長(zhǎng)算法。此算法基于對(duì)b-V曲線的分析,對(duì)光照強(qiáng)度的上升和下降采用兩種不同大小的比例系數(shù),從而在動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)了快速追蹤MPP并且避免了誤判現(xiàn)象,同時(shí),在穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)了零振蕩。為了驗(yàn)證該算法的優(yōu)越性,基于Matlab/Simulink平臺(tái)對(duì)主要MPPT方法進(jìn)行仿真分析,同時(shí)基于dSPACE和太陽(yáng)能光伏陣列模擬器搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性,即能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)零振蕩及動(dòng)態(tài)過程的快速跟蹤。

        最大點(diǎn)功率點(diǎn)追蹤;變步長(zhǎng);快速追蹤;零振蕩

        0 引言

        太陽(yáng)能被全世界廣泛地認(rèn)為是一種非常重要的可持續(xù)能源[1-2]。但由于光伏陣列受到外界環(huán)境因素如光照強(qiáng)度或溫度的影響,其輸出電壓、電流呈現(xiàn)出明顯的非線性特征[1]。因此如何實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)光伏模塊的輸出功率,在任何外界環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)顯得十分重要[3-5]。

        文獻(xiàn)系統(tǒng)分析比較了各種MPPT算法[6],根據(jù)其步長(zhǎng)種類,基本可以分成兩類,即定步長(zhǎng)[7-11]、變步長(zhǎng)[12-20]。對(duì)于定步長(zhǎng)而言,常見的有擾動(dòng)觀察法(Perturb and Observe,P&O)[7-9],爬山法(Hill Climbing,HC)[9]和電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance,INC)[10-11]。定步長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn),但其缺點(diǎn)主要有以下三點(diǎn):1) 其算法存在動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的矛盾;2) 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí),其仍在MPP附近振蕩;3) 當(dāng)光照強(qiáng)度上升時(shí),其會(huì)發(fā)生誤判[11]。

        對(duì)于變步長(zhǎng)而言,由于其步長(zhǎng)大小可以根據(jù)光伏陣列的P-D曲線[12-14]或者P-V曲線[15-18]以及比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),從而解決了定步長(zhǎng)在動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的矛盾。常見的有改進(jìn)的自適應(yīng)爬山法(Modified Adaptive Hill Climbing, MAHC)[12]和變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法(Variable Step Size Incremental Conductance, VSSINC)[15]。但是,如何設(shè)置比例系數(shù)是實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)算法的一個(gè)難題[16]。如果值過大,會(huì)在MPP附近造成較大的擾動(dòng)。因此,穩(wěn)態(tài)時(shí)常選取一個(gè)比較小的值。但是,當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)靠近MPP時(shí),步長(zhǎng)會(huì)變得非常的小從而影響收斂速度;同時(shí),雖然穩(wěn)態(tài)步長(zhǎng)很小,但是系統(tǒng)仍會(huì)在MPP附近擾動(dòng),影響靜態(tài)誤差。另外,當(dāng)光照強(qiáng)度上升時(shí),其仍會(huì)發(fā)生誤判[11]。

        為了能夠克服定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)算法的缺點(diǎn)并有效利用其優(yōu)點(diǎn),本文提出一種改進(jìn)的基于參數(shù)的變步長(zhǎng)算法。此算法包括兩個(gè)部分,即改進(jìn)的Beta法和改進(jìn)的P&O法。相較于傳統(tǒng)的Beta法[19-20],改進(jìn)的Beta法基于對(duì)bV曲線分析,對(duì)光照強(qiáng)度上升和下降采用兩種不同大小的比例系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)追蹤并且避免誤判現(xiàn)象。改進(jìn)的P&O法基于傳統(tǒng)的P&O法的三點(diǎn)振蕩模式來確定三點(diǎn)的中值點(diǎn)并將其固定,從而消除了擾動(dòng)減少了功率損耗。

        為了驗(yàn)證本算法的優(yōu)越性,本文首先在Matlab/ Simulink平臺(tái)下對(duì)本算法與傳統(tǒng)的定步長(zhǎng)的P&O法、傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)VSSINC法以及傳統(tǒng)的Beta法進(jìn)行系統(tǒng)比較,然后利用dSPACE和太陽(yáng)能陣列模擬器搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比,驗(yàn)證了本算法的優(yōu)越性。

        1 基于b參數(shù)的MPPT算法原理

        不同于一般的MPPT算法,本文提出的MPPT算法是追蹤一個(gè)中間變量而不是功率的變化,其如式(1)所示。

        式中:、分別為PV的輸出電壓和電流;是一個(gè)常數(shù)可通過=q/(sAK)求出。其流程圖如圖1所示。

        在主算法中,首先根據(jù)式(1)求出的值,然后根據(jù)的值判斷是否在min和max的范圍內(nèi),流程如圖1(a)所示。如果的值不在此范圍內(nèi),即說明此時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP,則切換至改進(jìn)的Beta法中,如圖1(b)所示。反之即說明系統(tǒng)工作點(diǎn)靠近MPP,則算法切換至改進(jìn)的P&O法中,流程如圖1(c)所示。

        圖1 基于b參數(shù)的MPPT算法流程圖

        1.1 改進(jìn)的Beta法

        采用此MPPT算法時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)隨光照強(qiáng)度的變化如圖2所示,當(dāng)光照強(qiáng)度穩(wěn)定在1 000 W/m2,系統(tǒng)工作在MPP點(diǎn)A,即負(fù)載線1(load line 1)與I-V曲線上的交點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度突然下降到400 W/m2時(shí),系統(tǒng)工作點(diǎn)應(yīng)仍在負(fù)載線1上。此時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)立即從點(diǎn)A切換到負(fù)載線1與光照強(qiáng)度在400 W/m2所對(duì)應(yīng)I-V曲線的交點(diǎn)B上。在其相對(duì)的b-V曲線,此時(shí)點(diǎn)B的B要大于max,即點(diǎn)B位于min和max的范圍外。因此當(dāng)光照強(qiáng)度下降時(shí),步長(zhǎng)Δ可計(jì)算為

        同理,當(dāng)光照強(qiáng)度從400 W/m2上升到1 000 W/m2時(shí),系統(tǒng)工作點(diǎn)將從點(diǎn)C立即切換到點(diǎn)D,并且點(diǎn)D的D要小于min,即點(diǎn)D位于min和max的范圍外。因此當(dāng)光照強(qiáng)度上升時(shí),設(shè)置不同的比例系數(shù)2,步長(zhǎng)Δ可計(jì)算為

        (3)

        圖2 在I-V曲線上的負(fù)載線和其對(duì)應(yīng)的b-V曲線

        不同于傳統(tǒng)的Beta法,改進(jìn)的Beta法在光照強(qiáng)度下降和上升時(shí)分別使用了不同的步長(zhǎng)比例系數(shù),即1和2,用來調(diào)節(jié)步長(zhǎng)以避免步長(zhǎng)過大或過小。因此改進(jìn)的Beta法要比傳統(tǒng)的Beta法追蹤速度更快。同時(shí),由于可以根據(jù)值位置來判斷光照強(qiáng)度上升還是下降,因而可以避免誤判。

        1.2 改進(jìn)的P&O法

        傳統(tǒng)的P&O法在穩(wěn)態(tài)呈現(xiàn)出三點(diǎn)振蕩的模式,如圖3(a)所示,其中p為系統(tǒng)采樣周期,每4個(gè)p則為一個(gè)振蕩周期。每個(gè)振蕩周期中,最常出現(xiàn)的點(diǎn)即為中值點(diǎn),如mid。同時(shí),中值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率mid是三點(diǎn)振蕩中最大的一個(gè)。因此,改進(jìn)的P&O法如圖3(b)所示,其目的是在穩(wěn)態(tài)找出三點(diǎn)振蕩的中值點(diǎn)并將其固定,從而消除振蕩使得輸出功率維持在最大。

        為了能更好地理解改進(jìn)的P&O法,其工作原理如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),計(jì)數(shù)器Counter一直為零。當(dāng)系統(tǒng)首次發(fā)現(xiàn)中值點(diǎn)mid,即滿足圖1(c)中條件2=4或1=3時(shí),計(jì)數(shù)器Counter自加同時(shí)繼續(xù)擾動(dòng)。當(dāng)Counter大于等于4時(shí),即認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的三點(diǎn)振蕩狀態(tài),故進(jìn)入休息模式并停止擾動(dòng),即步長(zhǎng)為零。

        圖4 改進(jìn)的P&O法的原理

        當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),應(yīng)停止休息模式并開始擾動(dòng)。如果光照強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化,系統(tǒng)工作點(diǎn)的值將會(huì)在min和max的范圍外,此時(shí)Counter會(huì)被清零從而跳出休息模式,如圖1(b)所示。

        由于實(shí)際中可能發(fā)生光照強(qiáng)度出現(xiàn)微小的變化或是采樣出現(xiàn)誤差,為了避免此類情況,在進(jìn)入休息模式前,設(shè)置條件

        式中:Δ為功率變化;為限制條件(threshold)。當(dāng)條件(4)被滿足時(shí),則擾動(dòng)重新開始并將Counter清零,否則仍維持在休息模式下。

        2 仿真結(jié)果及分析

        為了能夠驗(yàn)證所提算法的優(yōu)越性,基于仿真軟件Matlab/Simulink搭建了一個(gè)完整的帶MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng),如圖5所示,其包括一個(gè)光伏組件、Boost升壓電路和MPPT算法模塊。光伏組件選用Solarex公司的 MSX-60W。Boost電路工作在連續(xù)模式下,其輸入電容為470 μF,電感為1 mH,輸出電容為47 μF,開關(guān)頻率為10 kHz,負(fù)載為30 Ω。

        圖5 Matlab/Simulink中帶MPPT功能的光伏系統(tǒng)電路圖

        圖6為仿真波形,初始光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,在0.5 s時(shí)光照強(qiáng)度下降到400 W/m2,然后在2.5 s再次上升到1 000 W/m2。

        通過對(duì)圖6(a)~(d)的比較可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的P&O法,不僅動(dòng)態(tài)追蹤速度慢,而且在光照強(qiáng)度上升時(shí)發(fā)生誤判現(xiàn)象,在穩(wěn)態(tài)時(shí)占空比有明顯振蕩,仿真結(jié)果如圖6(a)所示。與傳統(tǒng)的P&O法相比,VSSINC法在光照強(qiáng)度上升時(shí)追蹤速度較快,且在穩(wěn)態(tài)時(shí)占空比振蕩較小,仿真結(jié)果如圖6(b)所示。但當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)靠近MPP時(shí),其步長(zhǎng)變小導(dǎo)致收斂速度變慢,尤其體現(xiàn)在光照強(qiáng)度下降時(shí)。同時(shí)當(dāng)光照強(qiáng)度上升時(shí),其仍會(huì)發(fā)生誤判。傳統(tǒng)的Beta法采用固定的比例系數(shù),步長(zhǎng)較小,因此追蹤速度較慢,如圖6(c)所示。同時(shí)其在靠近MPP時(shí)采用傳統(tǒng)的P&O法,故在穩(wěn)態(tài)時(shí)其仍有振蕩。與上述方法相比,本文提出的算法不僅追蹤速度較快,而且不會(huì)發(fā)生誤判,在穩(wěn)態(tài)時(shí)也沒有占空比和功率的振蕩,仿真結(jié)果如圖6(d)所示。

        圖6 仿真比較各種MPPT方法

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        圖7為MPPT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其包括一個(gè)太陽(yáng)能陣列模擬器,Boost升壓電路和dSPACE控制器。實(shí)驗(yàn)將全面系統(tǒng)地比較多個(gè)MPPT方法,為保證所有MPPT方法都在同一個(gè)條件運(yùn)行,因此實(shí)驗(yàn)中采用Chroma公司的可編程直流電源62000H模擬光伏模塊輸出。dSPACE作為MPPT算法的控制平臺(tái),用來負(fù)責(zé)光伏電壓電流采樣以及MPPT算法實(shí)現(xiàn)。Boost電路參數(shù)與仿真相同。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,其初始光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,在50 s時(shí)光照強(qiáng)度下降到400 W/m2,然后在250 s再次上升到1 000 W/m2。通過對(duì)圖8(a)~(d)的比較可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真得到的結(jié)果,即本文所提出的MPPT算法不僅追蹤速度快,沒有誤判,而且在穩(wěn)態(tài)沒有振蕩。

        圖7 MPPT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

        圖8 實(shí)驗(yàn)比較各種MPPT方法

        4 結(jié)論

        本文采用基于參數(shù)的變步長(zhǎng)MPPT算法,其包括改進(jìn)的Beta法和改進(jìn)的P&O法。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生快速變化時(shí),改進(jìn)的Beta法可以實(shí)現(xiàn)快速的追蹤。同時(shí)改進(jìn)的P&O法可以在穩(wěn)態(tài)找出三點(diǎn)振蕩的中值點(diǎn)并將其固定,從而消除振蕩使得輸出功率維持在最大。通過對(duì)本算法與傳統(tǒng)的定步長(zhǎng)的P&O法、傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)VSSINC法以及傳統(tǒng)的Beta法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,證明了本算法的優(yōu)越性。

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        (編輯 魏小麗)

        Research on an improved-based variable step MPPT algorithm

        LI Xingshuo1, WEN Huiqing1, 2

        (1. Dept of Electrical & Electronic Engineering, Xi’an Jiaotong-Liverpool University, Suzhou 215123, China; 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

        The current research on maximum power point tracking (MPPT) methods for photovoltaic power system application is reviewed. In order to solve the tradeoff between the steady-state efficiency and dynamic efficiency for the conventional MPPT algorithms, this paper proposes an improved β-based variable step MPPT method. Based on the curve ofb-V, the proposed method utilizes two different scaling factors for the solar irradiation increasing and decreasing. Therefore, the proposed method realizes the fast tracking MPP and eliminates misjudgments during the transient stage. Furthermore, the proposed method also realizes zero oscillation during the steady-state stage. In order to show the advantages of the propose method, the simulation analysis of main MPPT methods is carried out in Matlab/Simulink. Furthermore, an experimental prototype by using dSPACE and Solar Array Emulator is built and tested. The simulation and experimental results verify the advantages of the proposed algorithm including zero oscillation in steady state and fast tracking for dynamics. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407145) and the State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (No. EIPE15203).

        maximum power point tracking (MPPT); variable step; fast tracking MPP; zero oscillation

        10.7667/PSPC151656

        國(guó)家自然科學(xué)基金(51407145);電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(EIPE15203)資助

        2015-09-16;

        2015-10-28

        李星碩(1989-),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c光伏發(fā)電;E-mail:Xingshuo.Li@xjtlu.edu.cn 文輝清(1979-),男,通信作者,博士,副教授,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車、電力電子變換及可再生能源技術(shù)。E-mail:Huiqing.Wen@xjtlu.edu.cn

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