徐 旭，楊向宇

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641)

一種改進(jìn)的新型MPPT控制策略

徐 旭，楊向宇

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641)

構(gòu)建光伏電池通用模型，并用Matlab仿真得到P-U、I-U特性。目前光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤常用到的是擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法，而擾動(dòng)觀測(cè)法中對(duì)步長(zhǎng)的確定尤為重要。跟蹤過(guò)程中P-U曲線斜率改變，且最大功率點(diǎn)附近斜率接近于零，與其位置斜率相差較大，因此提出了根據(jù)P-U曲線斜率范圍來(lái)變更步長(zhǎng)的一種新的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。最后，使用Matlab/Simulink中S函數(shù)實(shí)現(xiàn)算法，從而得到仿真結(jié)果。驗(yàn)證了這種改進(jìn)的MPPT控制算法可以實(shí)現(xiàn)，有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了最大功率的快速跟蹤。所提出的算法在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法的不足，且調(diào)試簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。

光伏建模；最大功率跟蹤；變步長(zhǎng)；擾動(dòng)觀測(cè)法；控制

Abstract:Photovoltaic generic model was constructed,and theP-U,I-Ucharacteristic was got with Matlab.Perturbation and observation(P&O)algorithm and incremental conductance(INC)algorithm were the maxiumum power point tracking MPPT in photovoltaic systems.But the step size of P&O algorithm was particularly important.The slope of theP-Ucurve changed during tracking,and the slope near the maximum power point was close to zero with quite different from the other position.So a new variable step size P&O algorithm which according to the range of slope ofP-Ucurve to change the step size was proposed.Finally,this algorithm was implemented with Matlab/Simulink S-function,thereby obtaining simulation results.Verify that this improved MPPT control algorithm can be implemented,and has good dynamic performance and steady state performance,and maximum power point fast tracking is achieved.The proposed algorithm to some extent made up for the shortcomings of traditional P&O algorithm,and debugging was simple and easy to implement.

Key words:PV cell modeling;MPPT;variable step size;P&O algorithm;control

隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，世界各地都在大力發(fā)展新能源。太陽(yáng)能豐富、清潔、安全、方便，越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，也是目前廣泛探索并得到一定發(fā)展的一種可再生能源。由于受外界環(huán)境的影響較大，所有的光伏系統(tǒng)都希望在不同的溫度和光照強(qiáng)度下都能輸出當(dāng)前最大功率，使太陽(yáng)能的利用率盡可能提高。為最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池效用，必須使太陽(yáng)電池時(shí)刻都工作在最大功率點(diǎn)(MPP)，即需采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)來(lái)捕獲太陽(yáng)的最大能量。

MPPT控制本質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)尋優(yōu)過(guò)程通過(guò)采樣電流、電壓值，計(jì)算當(dāng)前功率，判斷工作點(diǎn)與峰值的位置關(guān)系，運(yùn)用相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)電壓或電流向峰值點(diǎn)靠近，最后收斂于峰附近很小的區(qū)域內(nèi)。使光伏電池在各種不同溫度和光照條件下都能自動(dòng)地、快速地輸出最大功率。

本文針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的變步長(zhǎng)擾動(dòng)法。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立光伏電池仿真模型，在此基礎(chǔ)上，著重分析比較了傳統(tǒng)P&O算法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出的方法能有效、快速地實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤[1]。

1 光伏電池建模

光伏電池是太陽(yáng)能發(fā)電的核心部件，具有將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能的功能。但由于器件本身的復(fù)雜特性，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率還較低，而且其輸出特性具有非線性，并受到環(huán)境溫度和光照的影響，使得光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步降低。

為了在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中更好地分析光伏陣列的電氣性能，更好地使其與光伏控制系統(tǒng)匹配，達(dá)到最佳的發(fā)電效果，則有必要為光伏電池建立起數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這些數(shù)學(xué)關(guān)系，來(lái)反映出光伏電池各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律[2-3]。光伏電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

根據(jù)等效電路可推出光伏電池輸出電壓U、電流I直接的關(guān)系為：

式中：Iph為光伏電池的光生電流；ID為二極管飽和電流；RP為并聯(lián)電阻；RS為串聯(lián)電阻。

實(shí)際應(yīng)用中一般采用廠家提供的基本參數(shù)：(標(biāo)準(zhǔn)條件下，即T=25 ℃，S=1000 W/m2)短路電流ISC，開(kāi)路電壓UOC，最大功率點(diǎn)電流Im，最大功率點(diǎn)電壓Um。如式(2)所示。

式中：C1、C2兩個(gè)待定系數(shù)可由式(3)所示。

假定實(shí)際工況與標(biāo)準(zhǔn)工況相比的溫度差ΔT和輻照度差ΔS分別為：

結(jié)合式(4)，式(2)中的ISC、UOC、Im、Um可分別用式(5)表示。

式中：α、β、γ的典型值分別為α=0.0025、β=0.5、γ=0.00288。根據(jù)以上公式可建立在不同溫度和不同光照條件下的光伏電池模型，仿真得出電池輸出P-U和I-U特性。

溫度不變 (T=25℃)，仿真參數(shù)為：ISC=3.8 A、UOC=22 V、Im=3.5 A、Um=17.7 V，光照強(qiáng)度改變條件下仿真模型的輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 仿真模型P-U、I-U曲線

2 MPPT控制策略

光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，其輸出功率會(huì)隨著溫度和光照強(qiáng)度的變化而變化且存在最大功率點(diǎn)。要充分利用太陽(yáng)能發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。最常見(jiàn)的光伏電池最大功率跟蹤方法有恒定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法[4-6]。

2.1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法(又稱爬山法)

擾動(dòng)法的原理是每隔一段時(shí)間增加或減少輸出電壓 (定步長(zhǎng)算法中電壓每次該變量相同)，并觀測(cè)輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的輸出電壓是增大還是減小。這種控制方法簡(jiǎn)單，常用的硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)，但響應(yīng)速度慢，適用于光照強(qiáng)度變化非常緩慢的場(chǎng)合。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓會(huì)在最大功率點(diǎn)反復(fù)擺動(dòng)，造成功率損耗，且功率損耗與擾動(dòng)步長(zhǎng)有直接關(guān)系；當(dāng)光照快速變化時(shí)，跟蹤算法有可能失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。該算法流程圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)擾動(dòng)算法流程圖

2.2 改進(jìn)后的擾動(dòng)觀測(cè)法

通過(guò)采樣，可以得到當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的電流差值ΔI和電壓差值 ΔV，可計(jì)算得 ΔP,即可得 ΔP×ΔV，ΔP/ΔV。判斷擾動(dòng)方向和步長(zhǎng)關(guān)系如圖4所示。通過(guò)判斷ΔP×ΔV的正負(fù)來(lái)確定此時(shí)功率點(diǎn)的位置，進(jìn)而確定下一步擾動(dòng)方向，向最大功率點(diǎn)逼近；如果ΔP×ΔV=0表明在最大功率點(diǎn)處；如果ΔP×ΔV＞0表明最大功率點(diǎn)在當(dāng)前工作點(diǎn)右側(cè)；如果ΔP×ΔV＜0表明最大功率點(diǎn)在當(dāng)前工作點(diǎn)左側(cè)。根據(jù)ΔP/ΔV值的大小來(lái)確定擾動(dòng)步長(zhǎng)，通過(guò)設(shè)定k值確定步長(zhǎng)切換的區(qū)間。在P-U曲線上最大功率點(diǎn)附近時(shí)，k很??；如果 |ΔP/ΔV|＞k，說(shuō)明此時(shí)的工作點(diǎn)不在最大功率點(diǎn)附近，擾動(dòng)步長(zhǎng)Vstp=Vstp1；反之，在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，擾動(dòng)步長(zhǎng)Vstp=Vstp2。Vstp1的值是固定的，相對(duì)比較大，可以使系統(tǒng)快速收斂于最大功率點(diǎn)附近，Vstp2的值是變化的，相對(duì)比較小，隨著越接近最大功率點(diǎn)，Vstp2值越接近于0，表達(dá)式為：

式中：C為常數(shù)，Vstp為前一時(shí)刻步長(zhǎng)大小。這樣，Vstp2根據(jù)位置自動(dòng)改變步長(zhǎng)大小，確保在最大功率點(diǎn)附近擺動(dòng)幅度較小，電壓波動(dòng)較小[7-8]。算法流程圖如圖5所示。

圖4 判斷擾動(dòng)方向和步長(zhǎng)關(guān)系圖

圖5 改進(jìn)的新型擾動(dòng)算法流程圖

3 最大功率跟蹤控制的仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境下，基于BOOST電路，利用前面搭建的PV模型建立光伏發(fā)電仿真系統(tǒng)。對(duì)改進(jìn)的新型算法進(jìn)行仿真。MPPT控制模塊采用S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖6所示，為了更好驗(yàn)證新型算法控制效果，在t=0.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度從800 W/m2瞬時(shí)增大至1200 W/m2。

圖6 采用改進(jìn)的算法的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)太陽(yáng)電池的特點(diǎn)，將改進(jìn)的擾動(dòng)法應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT過(guò)程中，通過(guò)仿真驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT，在外界環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下，這種控制具有良好的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在MPP；當(dāng)外界環(huán)境突變時(shí)，這種算法能準(zhǔn)確地、快速地跟蹤到太陽(yáng)電池的MPP，具有良好的快速性?？梢?jiàn)，這種算法使得光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

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New and improved MPPT control strategy

XU Xu,YANG Xiang-yu
(South China University of Technology,School of Electric Power,Guangzhou Guangdong 510641,China)

TM 615

A

1002-087X(2017)09-1353-03

2017-02-08

徐旭(1990—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)；楊向宇(1963—)，男，湖北省人，教授，主要研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。