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        一種改進(jìn)型分區(qū)域光伏MPPT控制策略的研究

        2023-02-17 07:21:44李月英左明鑫
        電源技術(shù) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:改進(jìn)型步長穩(wěn)態(tài)

        李月英,左明鑫

        (鄭州科技學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450064)

        太陽能憑借其取之不盡用之不竭且綠色無污染的特點(diǎn),成為新能源開發(fā)的重要方向之一,而光伏最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)技術(shù)就是有效利用太陽能的重要途徑。

        目前,各種MPPT 控制技術(shù)層出不窮。文獻(xiàn)[1-2]采用的定步長算法存在跟蹤精度和穩(wěn)態(tài)精度難以同時(shí)兼顧的矛盾,即步長過大,容易造成穩(wěn)態(tài)震蕩,步長過小,追蹤速度會(huì)變慢;文獻(xiàn)[3]采用自適應(yīng)面積差法避免了傳統(tǒng)算法動(dòng)靜態(tài)的矛盾,不但可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤,而且穩(wěn)態(tài)精度高;文獻(xiàn)[4-5]中提出了改進(jìn)型電導(dǎo)增量法(INC),可以實(shí)時(shí)調(diào)整跟蹤步長,同樣具有良好的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度;文獻(xiàn)[6]采用的變步長INC算法克服了動(dòng)靜態(tài)控制不可調(diào)和的矛盾;文獻(xiàn)[7]采用的群粒子算法雖然能取得不錯(cuò)的效果,但是這些算法實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)傳統(tǒng)算法的問題,本文根據(jù)光伏組件輸出電壓、電流和功率的關(guān)系,把P-U 曲線分為線性區(qū)、最大功率區(qū)和急速變化區(qū)三部分,三個(gè)區(qū)域均采用不同的步長,在離最大功率點(diǎn)(MPP)較遠(yuǎn)的時(shí)候采用大步長以快速接近MPP 點(diǎn),在MPP點(diǎn)附近,則采用小步長避免震蕩。

        1 光伏組件工程模型和工作特性曲線

        1.1 光伏組件工程模型

        光伏組件的工程模型如圖1 所示。

        圖1 光伏組件電路模型

        光伏組件的電流-電壓關(guān)系如式(1)所示。

        式中:Iph、I分別為光生電流、輸出電流;Rsh、Rs分別為旁漏電阻、串聯(lián)電阻;U為負(fù)載兩端電壓;K為玻爾茲曼常數(shù),K=1.38×10-23J/K;q為電子電荷量,q=1.6×10-19C;T、A分別為光伏電池溫度和二極管特性因子。

        標(biāo)準(zhǔn)情況下開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓(Um)、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流(Im),可以從光伏電池廠家處獲取,簡化式(1),可得式(2)~式(4)。

        1.2 光伏組件工作特性曲線

        標(biāo)準(zhǔn)情況(1 000 W/m2,25 ℃)下,得到I-U、P-U、dP/dU-U和dI/dU-U的光伏組件輸出特性曲線,如圖2 所示。

        從圖2(c)可以看出,在P-U曲線左側(cè),P-U曲線幾乎為一條斜率恒定的曲線,接近MPP 時(shí),曲線表現(xiàn)為上凹特性,在MPP 附近曲線近似為開口向下的拋物線,在MPP 的右半側(cè)曲線很陡峭,變化較急劇。因此,根據(jù)曲線輸出特性,把P-U曲線分為三個(gè)部分:線性區(qū)、最大功率區(qū)和急速變化區(qū)。

        圖2 光伏組件輸出特性曲線

        2 改進(jìn)型MPPT控制策略

        2.1 光伏曲線區(qū)域的判斷

        由圖2 可以看出,通過判斷實(shí)際工作點(diǎn)的位置,選擇不同的步長。這里根據(jù)輸出功率對(duì)輸出電壓的倒數(shù)來選擇步長,由dP/dU=I+U×dI/dU得:

        (3)如不滿足條件(1)和(2),則說明工作在最大功率區(qū)。

        2.2 不同區(qū)域的步長選擇

        (1)線性區(qū)步長選擇

        由圖2(c)可知,MPP 右側(cè)曲線斜率絕對(duì)值是左側(cè)曲線斜率絕對(duì)值的4 倍左右,由于線性區(qū)功率變化相對(duì)緩慢,因此左側(cè)要想快速追蹤MPP,步長應(yīng)設(shè)置為右側(cè)的4 倍。設(shè)急速變化區(qū)的步長為ΔU,則線性區(qū)步長為4ΔU,但是如果線性區(qū)的步長4ΔU太大,會(huì)導(dǎo)致在線性區(qū)末端處直接跨越最大功率區(qū)到急速變化區(qū),因此線性區(qū)的步長4ΔU不能大于最大功率區(qū)的跨度。

        (2)急速變化區(qū)步長選擇

        由前面的分析可知,急速變化區(qū)曲線較為陡峭,因此選擇小步長為ΔU,防止在追蹤過程中使實(shí)際工作點(diǎn)在線性區(qū)和急速變化區(qū)之間來回徘徊,造成能量損失和功率波動(dòng)。

        (3)最大功率區(qū)步長選擇

        由圖2(c)可知,在最大功率區(qū)范圍內(nèi),P-U曲線近似為拋物線,在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)拋物線上選取3 個(gè)采樣點(diǎn),根據(jù)這3個(gè)采樣點(diǎn),利用牛頓差值法得到曲線函數(shù)多項(xiàng)式表達(dá)式,進(jìn)一步通過多項(xiàng)式表達(dá)式求出極值點(diǎn),即為最大功率點(diǎn)。

        選取的3 個(gè)采樣點(diǎn)分別為A1[x1,f(x1)]、A2[x2,f(x2)]和A3[x3,f(x3)],可寫出基于牛頓插值法的多項(xiàng)式公式:

        式(6)可進(jìn)一步寫出其對(duì)應(yīng)的一般式:

        式(6)求導(dǎo)可得式(7):

        可得最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為xmpp:

        由式(6)和式(11)可得,當(dāng)xmpp=-b/2a,所擬合近似拋物曲線的極大值點(diǎn)為Lmpp[-b/2a,(4ac-b2)/4a],此點(diǎn)就是MPP 的理論位置。因此,在進(jìn)入最大功率區(qū)域內(nèi)部時(shí),只需要選擇三個(gè)點(diǎn),通過擬合曲線計(jì)算,就可以直接得到給定電壓xmpp,從而精確定位出MPP。但是這三個(gè)點(diǎn)的選取不是隨意三點(diǎn),因?yàn)槿绻c(diǎn)全部位于MPP 的一側(cè)(例如全部在左側(cè)),那么擬合的曲線將計(jì)算不出MPP 對(duì)應(yīng)位置。所以,選取的三點(diǎn)要分布于MPP 的兩側(cè),就要加上三點(diǎn)的選取規(guī)則:被選取的三個(gè)點(diǎn)需要滿足情況1 或情況2。

        情況1:

        情況2:

        三個(gè)點(diǎn)只要滿足情況1 或情況2,就能利用牛頓插值來擬合曲線,從而完成計(jì)算。

        2.3 改進(jìn)型MPPT 控制策略工作原理

        實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型MPPT 控制工作原理如圖3 所示。由圖3 可知,首先初始化電壓、電流和功率及其變化量的大??;在線性區(qū)和急速變化區(qū)的擾動(dòng)方向由擾動(dòng)法來確定,如果ΔP×ΔU>0,則實(shí)際工作點(diǎn)在MPP 左側(cè),保持原擾動(dòng)方向繼續(xù)擾動(dòng);如果ΔP×ΔU<0,則實(shí)際工作點(diǎn)在MPP 右側(cè),需要向原擾動(dòng)方向的反向進(jìn)行擾動(dòng);設(shè)定功率調(diào)整最小值ηU和電壓調(diào)整最小值ηP,當(dāng)功率和電壓變化很小時(shí),可認(rèn)為已經(jīng)追到MPP,此時(shí)實(shí)際工作點(diǎn)保持原地不動(dòng);當(dāng)功率和電壓變化超過設(shè)置閾值時(shí),判斷實(shí)際工作點(diǎn)所在區(qū)域,實(shí)行區(qū)域分步長控制。

        圖3 改進(jìn)型MPPT控制流程

        (1)當(dāng)|dI/dU|<<|I/U|時(shí),判定為線性區(qū),采用大步長實(shí)現(xiàn)快速追蹤,步長大小為急速變化區(qū)的4 倍,設(shè)急速變化區(qū)步長為step,線性區(qū)采用的步長為4×step。

        (2)當(dāng)|dI/dU|>>|I/U|時(shí),判定為急速變化區(qū),采用步長step實(shí)現(xiàn)追蹤,由于急速變化區(qū)曲線較為陡峭,因此步長step不能太大。

        (3)當(dāng)條件(1)和(2)都不滿足時(shí),說明此時(shí)進(jìn)入了最大功率區(qū),輸出此時(shí)電壓Uk,以Uk為基準(zhǔn),在0.93Uk和1.04Uk范圍內(nèi),選取滿足(U1>U2>U3)&&(P2>P1,P2>P3)或(U1<U2<U3)&&(P2>P1,P2>P2)的三個(gè)采樣點(diǎn):(U1,P1)、(U2,P2)和(U3,P3),通過這個(gè)三個(gè)采樣點(diǎn)利用牛頓插值法可以擬合出一個(gè)具有峰值的曲線。結(jié)合式(7)和式(8),得到變量a和b的值,并且一次性定位到極值點(diǎn)Lmpp[-b/2a,(4ac-b2)/4a](即MPP 處)。由于外界環(huán)境實(shí)時(shí)變化,在Lmpp[-b/2a,(4ac-b2)/4a]保持周期時(shí)間T,不斷重復(fù)圖3 中的步驟。

        3 Simulink 仿真和DSP 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

        3.1 Simulink 仿真結(jié)果分析

        在Matlab R2017a/Simulink 中搭建MPPT 仿真平臺(tái),如圖4 所示。光伏電池參數(shù):Uoc=24.1 V,Isc=14.2 A,Um=18.92 V,Im=12.24 A。標(biāo)準(zhǔn)狀況下(1 000 W/m2,25 ℃),光伏電池輸出功率為231.7 W;600 W/m2、25 ℃時(shí),輸出功率為152.8 W。Boost 電路參數(shù)設(shè)置:前級(jí)電容C=150 μF,后級(jí)電容C1=550 μF,電感L=15 mH,負(fù)載Rload=10 Ω。Simulink 仿真時(shí)間設(shè)置為1 s,功率調(diào)整最小值ηP=1 W,電壓調(diào)整最小值ηU=0.5 V。

        圖4 Simulink 仿真平臺(tái)

        在Simulink 平臺(tái)上,保持溫度為25 ℃不變,通過設(shè)置光照強(qiáng)度(S)變化來觀察輸出功率波形;光照強(qiáng)度S設(shè)置為:0~0.4 s,S=1 000 W/m2;0.4~1 s,S=600 W/m2。圖5、圖6 和圖7 分別為大步長(Step=0.6)擾動(dòng)觀察法、小步長(Step=0.01)擾動(dòng)觀察法和改進(jìn)型MPPT 算法控制條件下的Simulink 仿真輸出功率波形。

        圖5 固定大步長擾動(dòng)觀察法控制條件下的輸出功率波形

        由圖5 可以看出,當(dāng)采用大步長擾動(dòng)法時(shí),啟動(dòng)階段到達(dá)新穩(wěn)態(tài)用時(shí)0.06 s,跟蹤速度較快,穩(wěn)態(tài)震蕩較大,當(dāng)t=0.4 s時(shí),光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2,從突變開始到穩(wěn)定后,用時(shí)約為0.041 s,跟蹤速度相對(duì)較快,反應(yīng)迅速。為了對(duì)比穩(wěn)態(tài)震蕩,統(tǒng)一在0.8~0.9 s 時(shí)間段內(nèi),對(duì)波形局部放大,此時(shí)功率在138.4~149.7 W 之間震蕩,并沒有真正跟蹤到MPP,因?yàn)椴介L大,導(dǎo)致工作點(diǎn)越過MPP,反復(fù)在其左右側(cè)來回跳動(dòng)。

        由圖6 可以看出,當(dāng)采用小步長擾動(dòng)法時(shí),啟動(dòng)階段到達(dá)新穩(wěn)態(tài)用時(shí)0.13 s,跟蹤速度較慢,但穩(wěn)態(tài)震蕩較小,當(dāng)t=0.4 s 時(shí),光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2,從突變開始到穩(wěn)定后,用時(shí)約為0.07 s,跟蹤速度相對(duì)較慢。在0.8~0.9 s 時(shí)間段內(nèi),對(duì)圖6 中的波形局部放大,此時(shí)功率在147.3~151.2 W 之間波動(dòng),震蕩現(xiàn)象不明顯,基本追蹤到了MPP。

        圖6 固定小步長擾動(dòng)觀察法控制條件下的輸出功率波形

        由圖7 可以看出,當(dāng)采用改進(jìn)型MPPT 算法時(shí),啟動(dòng)階段,穩(wěn)定后用時(shí)僅為0.054 s,啟動(dòng)較快。從圖7 中波形可以看出,穩(wěn)定后波形震蕩較小,當(dāng)t=0.4 s時(shí),光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2,從突變開始到穩(wěn)定后,用時(shí)僅為0.038 s,反應(yīng)迅速。同樣,在0.8~0.9 s 時(shí)間段內(nèi),功率在149.7~152.7 W,與小步長擾動(dòng)法有著幾乎相同的穩(wěn)態(tài)效果。

        圖7 改進(jìn)型MPPT控制條件下的輸出功率波形

        3.2 基于TMS320F28379S 平臺(tái)驗(yàn)證

        基于TMS320F28379S 平臺(tái)搭建了基于Boost 電路的10 kW 光伏系統(tǒng)。Boost 參數(shù)如下:前級(jí)電容C=1 mF,后級(jí)電容C1=1.3 mF,L=2.2 mH,Boost 功率管開關(guān)頻率f=40 kHz。為了便于比較,設(shè)置曲線1(Uoc=334 V,曲線適配比FF=0.75,Umpp=250 V,Pmpp=10 kW)和曲線2(Uoc=680 V,F(xiàn)F=0.75,Umpp=510 V,Pmpp=10 kW),在直流源上把曲線1 切換到曲線2。圖8 所示為三種不同控制條件下的輸出結(jié)果。

        圖8(a):固定大步長ΔU=10 V,曲線1 切換到曲線2,從曲線1 對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)到達(dá)曲線2 對(duì)應(yīng)的新穩(wěn)態(tài)用時(shí)約為0.61 s,追蹤相對(duì)速度較快,兩種曲線下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài),輸出電壓和電流有一定的震蕩,振幅較大。

        圖8(b):固定小步長ΔU=5 V,曲線1 切換到曲線2,從曲線1 對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)到達(dá)曲線2 對(duì)應(yīng)的新穩(wěn)態(tài)用時(shí)約為1.2 s,追蹤速度較慢,反應(yīng)遲鈍,兩種曲線下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài),輸出電壓和電流震蕩小,穩(wěn)態(tài)精度相對(duì)較高。

        圖8(c):在改進(jìn)型控制算法條件下,由曲線1 切換到曲線2 后,從曲線1 對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)到達(dá)曲線2 對(duì)應(yīng)的新穩(wěn)態(tài)用時(shí)僅僅為0.48 s,追蹤速度快,有著和固定大步長擾動(dòng)法相近的動(dòng)態(tài)特性;在保留大步長良好的動(dòng)態(tài)特性基礎(chǔ)上,穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓和電流波形穩(wěn)態(tài)精度較高。

        圖8 三種不同控制條件下的輸出結(jié)果

        由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:

        (1)仿真平臺(tái),通過判斷|dI/dU|和|I/U|的關(guān)系,來確定實(shí)際工作點(diǎn)所在的區(qū)域。開始啟動(dòng)階段,固定大步長擾動(dòng)法、固定小步長擾動(dòng)法和改進(jìn)型MPPT 算法分別用時(shí)0.06、0.13 和0.054 s,固定大步長擾動(dòng)法和改進(jìn)型MPPT 算法具有相近的動(dòng)態(tài)特性,跟蹤速度比小步長擾動(dòng)法提升了一倍左右。穩(wěn)態(tài)方面,改進(jìn)型算法穩(wěn)態(tài)震蕩范圍(149.7~152.7 W),幅度為3 W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固定大步長擾動(dòng)法穩(wěn)態(tài)震蕩范圍(138.4~149.7 W),幅度為11.3 W。

        (2)基于TMS320F28379S 實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在曲線突然切換時(shí),固定大步長擾動(dòng)法、固定小步長擾動(dòng)法和改進(jìn)型MPPT 算法分別用時(shí)0.61、1.2 和0.48 s,見表1。穩(wěn)態(tài)方面,改進(jìn)型算法穩(wěn)態(tài)震蕩范圍(9 800~9 980 W),幅度為180 W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固定大步長擾動(dòng)法穩(wěn)態(tài)震蕩范圍(9 315~9 910 W),幅度為595 W;固定小步長擾動(dòng)法穩(wěn)態(tài)震蕩范圍(9 678~9 969 W),震蕩幅度為291 W,但追蹤速度較慢。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知改進(jìn)算法兼顧了跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度。

        表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三種算法對(duì)比

        4 結(jié)論

        仿真和實(shí)驗(yàn)表明:本文所提出的改進(jìn)型MPPT 策略通過分區(qū)域分步長控制,在線性區(qū)和急速變化區(qū),根據(jù)曲線特性,選取步長快速,進(jìn)入最大功率區(qū),保證了跟蹤速度,即動(dòng)態(tài)特性;在最大功率區(qū),基于三個(gè)采樣點(diǎn),利用牛頓插值法擬合曲線一步計(jì)算出最大功率點(diǎn),從而避免了穩(wěn)態(tài)震蕩;解決了傳統(tǒng)控制算法對(duì)目標(biāo)控制動(dòng)靜態(tài)難以兼顧的矛盾。

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