改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的光伏電池MPPT控制器的應(yīng)用研究

張毅，帕孜來·馬合木提，徐立亮

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的光伏電池MPPT控制器的應(yīng)用研究

張毅，帕孜來·馬合木提，徐立亮

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

針對目前光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法跟蹤效率不高、穩(wěn)態(tài)波動(dòng)大和易誤判等缺點(diǎn)，提出基于改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的光伏電池最大功率跟蹤算法。根據(jù)光伏電池物理模型及其在工程應(yīng)用領(lǐng)域中的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink中搭建了光伏電池最大功率跟蹤器仿真模型，將傳統(tǒng)MPPT算法和3點(diǎn)權(quán)位算法進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法可以快速、穩(wěn)定、有效地跟蹤最大功率。

光伏電池；改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法；最大功率跟蹤

1 引言

針對光伏電池的非線性輸出特性，實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整其工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)處，是提高太陽能利用率的重要途徑，這一過程被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

目前比較常見的MPPT方法有：恒定電壓法（CVT）、擾動(dòng)觀察法（P&O）、電導(dǎo)增量法（IC）等［1］。然而這些算法或能量轉(zhuǎn)換效率低或穩(wěn)態(tài)誤差較大或易產(chǎn)生誤判。文獻(xiàn)［2］提出“擾動(dòng)觀察法”跟蹤光伏電池的最大輸出功率，通過比較現(xiàn)時(shí)功率與記憶功率的大小，周而復(fù)始地尋找最大功率點(diǎn)。但是此傳統(tǒng)跟蹤方法最大的缺點(diǎn)在于當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或是在最大功率附近時(shí)，它的周期仍不斷變化，這種反復(fù)擾動(dòng)容易造成光伏電池能量的損耗，降低光能的使用效率。另外，初始值和跟蹤步長的給定對其跟蹤精度以及速度有很大的影響，有時(shí)還會(huì)發(fā)生誤判現(xiàn)象。

基于此，提出基于改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的MPPT控制算法，并選取傳統(tǒng)MPPT控制方法中的擾動(dòng)觀察法和未改進(jìn)的3點(diǎn)權(quán)位法做仿真分析比較，驗(yàn)證了置入改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的MPPT控制器具有快速、穩(wěn)定和有效的最大功率跟蹤效果。

2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型與仿真模型

2.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

由圖1的電路圖可以推導(dǎo)出光伏電池通用模型［3］：

式中：I為光伏電池的輸出電流；Il為光生電流；Id為流過二極管的電流；q為單位電荷；Rs為串聯(lián)電阻；R1為并聯(lián)電阻；u為輸出電壓；K為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K；A為二極管曲線因子；T為絕對溫度（T=t+273 K）。

圖3是I—V，P—V在溫度恒為25℃，僅隨光照強(qiáng)度變化時(shí)的曲線組。由圖3可知，隨著光照強(qiáng)度的減小，最大功率點(diǎn)電流與光伏最大功率輸出都減小，光伏最大功率輸出曲線隨電壓變化發(fā)生一種類似于拋物線的變化趨勢。圖4是P—V在光照強(qiáng)度恒為800 W/m2，僅隨溫度變化時(shí)的曲線組。從以上分析可看出I—V，P—V隨溫度和光照強(qiáng)度的變化趨勢均是非線性的。

考慮到式（1）中（u+IRs）/R1遠(yuǎn)小于光伏輸出電流及Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮瑁雎裕╱+I Rs）/R1可得到其簡化模型：

2010年擴(kuò)建、改造16縣道時(shí)曾發(fā)生塌陷，但未留下資料，其位置、范圍、塌陷深度等不詳。2013年進(jìn)行治理設(shè)計(jì)時(shí)現(xiàn)場觀測，16縣道路面與附近民房沒有明顯的開裂現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)較明顯的塌陷坑(帶)。擴(kuò)建、改造縣道時(shí)，殘留的民采井(硐)絕大多數(shù)被回填。在礦區(qū)開采范圍的西部、16縣道南側(cè)，民采井(硐)分布比較密集，其位置、井(硐)直徑與深度等不詳。僅有的2個(gè)殘留民采井見表1。

根據(jù)上述的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在Matlab/Simulink中搭建光伏電池仿真模型，如圖2所示。

根據(jù)上文搭建的仿真模型，可以得到光伏電池I—V，P—V隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，分別如圖3a圖3b所示。光伏電池P—V隨溫度變化規(guī)律如圖4所示。

Cathrine Hartung， Oddvar Knustad， Kjell Wardener等人認(rèn)為，碎塊狀石墨是在冷卻緩慢、成核潛能低、CE高、以及RE和微量元素偏析情況下造成的，建議從孕育效果、Sb中和RE、阻礙碳原子擴(kuò)散，以及提高冷卻速度方面著手解決。

某煤氣化項(xiàng)目采用殼牌Hybrid下行水激冷粉煤氣化工藝，生產(chǎn)6×104 m3/h有效氣CO和H2。其中煤粉儲(chǔ)倉自身質(zhì)量約28.5 t，最大荷載75 t，該設(shè)備基礎(chǔ)支撐點(diǎn)采用4個(gè)，通過查詢稱重傳感器的選型手冊，k1=0.35， k2=0.85，k3=2.5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)方阿膠漿藥渣可以替代粗飼料飼喂驢；復(fù)方阿膠漿藥渣通過提高臟器指數(shù)、機(jī)體代謝酶、血液生化參數(shù)和抗氧化能力等改善機(jī)體機(jī)能。

圖1 光伏電池等效圖Fig.1 Equivalent figure of photovoltaic cells

2.2 光伏仿真模型

當(dāng)系統(tǒng)處于短路狀態(tài)時(shí)，電流Id和I都等于0，流過R1的電流為

圖2 光伏電池模型Fig.2 Model of photovoltaic cell

式中：S為光照強(qiáng)度，1 000 W/m2；Sref為標(biāo)準(zhǔn)測試日照強(qiáng)度，1 000 W/m2；Tref為標(biāo)準(zhǔn)測試溫度，25℃。

圖3 溫度恒為25℃時(shí)I—V，P—V曲線Fig.3 I—V and P—V curves of the constant temperature of 25 ℃

圖4 光照強(qiáng)度恒為800 W/m2時(shí)P—V曲線Fig.4 P—V curves of the constant light intensity of 800 W/m2

天脊集團(tuán)主動(dòng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，通過組織萬名農(nóng)戶回廠參觀、農(nóng)技培訓(xùn)、示范推廣等活動(dòng)，重點(diǎn)發(fā)展培育種植大戶，培訓(xùn)數(shù)萬名真正“愛農(nóng)業(yè)、愛天脊、懂技術(shù)、善經(jīng)營”的科學(xué)種植帶頭人，加大對潛在客戶、重點(diǎn)客戶的走訪頻率和服務(wù)跟進(jìn)次數(shù)，通過科學(xué)開展試驗(yàn)示范推廣，以點(diǎn)帶面、以老帶新，扎扎實(shí)實(shí)去贏得客戶、占領(lǐng)市場。

3 3點(diǎn)權(quán)位最大功率跟蹤算法

3.1 改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法工作流程

為了解決傳統(tǒng)MPPT方法穩(wěn)態(tài)誤差大與最大功率點(diǎn)跟蹤不穩(wěn)定和易誤判的問題，文中采用改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法建立光伏電池最大功率跟蹤控制器。它的主要特點(diǎn)在于，周期是固定不變的，不會(huì)因外部環(huán)境的變化而影響系統(tǒng)的輸出功率，從而系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。圖5介紹了該方法的具體工作流程。

圖5 改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法流程圖Fig.5 The flow diagram of improved threepoint weighting algorithm

3.2 改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法工作原理

文章基于改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法，取輸入為光伏電池的電流與電壓，輸出為占空比的增量。3點(diǎn)權(quán)位法在每次判斷時(shí)依據(jù)相鄰時(shí)刻的3點(diǎn)功率進(jìn)行判別，從而決定下一周期的走向。取目前周期為Dn，此時(shí)對應(yīng)的光伏出力為P（k）作為B點(diǎn)；周期Dn-ΔD時(shí)測得的光伏出力是P（k-1）作為A點(diǎn)，斜率大于0時(shí)權(quán)位值U取1；當(dāng)斜率等于0時(shí)權(quán)位值U取0；當(dāng)斜率小于0時(shí)權(quán)位值U取-1。將測得的直線AB，BC斜率的位權(quán)值相加并取值為W，文章考慮到相鄰時(shí)間間隔光伏出力的0斜率變化，為了減少算法循環(huán)進(jìn)行的次數(shù)，更有效地跟蹤光伏出力變化，W取值為-2，2，0，-1，1。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］提出的3點(diǎn)權(quán)位法，是需要測量風(fēng)力機(jī)3個(gè)點(diǎn)A，B，C的功率值，計(jì)算BA及CB間的斜率，進(jìn)而計(jì)算其權(quán)位值以確定下一個(gè)責(zé)任周期的大小。雖算法簡單，但未考慮斜率為0的情況，循環(huán)判斷次數(shù)較多，容易發(fā)生誤判。

具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)W>0時(shí)，光伏出力處于增大的趨勢，為了使光伏出力達(dá)到最大值，下一個(gè)周期取值Dn+ΔD；當(dāng)W=0時(shí)，光伏出力達(dá)到了最大值，下一個(gè)周期取值Dn；當(dāng)W<0時(shí)，光伏出力處于減小的趨勢，為了使光伏出力達(dá)到最大值，下一個(gè)周期取值Dn-ΔD。斜率變化時(shí)的權(quán)值取值和跟蹤周期變化如表1所示。搭建的跟蹤器仿真模型見圖6。表中“+”代表Tn+1=Dn+ΔD，“-”代表Tn+1=Dn-ΔD，“—”表示Tn+1=Dn。

表1 跟蹤周期變化Tab.1 The change of tracking cycles

圖6 跟蹤器仿真模型Fig.6 The model of tracker simulation

4 基于升壓斬波電路的MPPT仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建的帶有MPPT控制器的光伏系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 帶有MPPT控制器的光伏系統(tǒng)仿真模型Fig.7 The simulation model of photovoltaic system with MPPT controller

先將擾動(dòng)觀察法與改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法置入MPPT控制器進(jìn)行仿真比較，其仿真曲線分別如圖8、圖9所示。由前文可知溫度變化對光伏電池功率的影響比光照強(qiáng)度較小，此處采取恒光照強(qiáng)度，僅溫度變化來進(jìn)行仿真。為了更好地看出跟蹤器的響應(yīng)時(shí)間，仿真時(shí)間采取1 s，圖8、圖9是光照強(qiáng)度恒定為800 W/m2，溫度依次為15℃，25℃，35℃，45℃時(shí)，分別采用擾動(dòng)觀察法與改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法得出的最大功率跟蹤曲線。然后將傳統(tǒng)3點(diǎn)權(quán)位法與改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法置MPPT控制器進(jìn)行仿真比較，其仿真曲線如圖10所示，為了便于觀察，此處采取恒溫，僅光照強(qiáng)度發(fā)生變化進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間設(shè)置為1.2 s。圖10是溫度恒定為25℃，光照強(qiáng)度依次為1 000 W/m2，900W/m2，800 W/m2，700 W/m2時(shí)，分別采用傳統(tǒng)3點(diǎn)權(quán)位法與改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法得出的最大功率跟蹤曲線。

圖8 擾動(dòng)觀察法MPPT跟蹤圖Fig.8 The MPPT following figure of disturbance observation

圖9 改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法MPPT跟蹤圖Fig.9 The MPPT following figure of improved three-point weighting algorithm

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)外界溫度發(fā)生3次變化時(shí)，基于改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的跟蹤器能較好地跟蹤最大功率點(diǎn)的變化，并很快達(dá)到穩(wěn)定；而基于擾動(dòng)觀察法的跟蹤器則在溫度發(fā)生變化的瞬間，不能很快跟蹤到最大功率點(diǎn)，反而產(chǎn)生較大波動(dòng)。

為有效針對商漁船碰撞事故，中山海事局多項(xiàng)并舉防范風(fēng)險(xiǎn)。通過開展防范商漁船碰撞的專項(xiàng)整治行動(dòng)、集中開展安全意識(shí)教育，將海事監(jiān)管與幫扶脫貧工作相結(jié)合，創(chuàng)新“履職+扶貧”工作法等，有效破解了頑疾。今年以來中山海事轄區(qū)沒有發(fā)生商漁船碰撞的統(tǒng)計(jì)口徑事故，防范商漁船碰撞工作取得了階段成效。同時(shí)，中山海事局不斷強(qiáng)化管控，開展防范船碰橋治理行動(dòng)，協(xié)助地方政府開展岸線整治和臨時(shí)裝卸點(diǎn)綜合治理行動(dòng)。探索建立區(qū)域防治船舶污染水域環(huán)境聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制。牽頭組織編制了《西江水域船舶航行指南》。該指南內(nèi)容豐富，可讀性強(qiáng)，為航行西江的船舶提供了很好的航行指引，能切實(shí)預(yù)防事故發(fā)生，有效推動(dòng)了“平安西江”的建設(shè)。

圖10 改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法MPPT跟蹤圖Fig.10 The MPPT following figure of improved three-point weighting algorithm

由圖10可以看出，在光照發(fā)生突變時(shí)，改進(jìn)的3點(diǎn)權(quán)位法使系統(tǒng)達(dá)到最大功率的時(shí)間較傳統(tǒng)方法快。由此可以得出，改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法較傳統(tǒng)方法有較小的響應(yīng)時(shí)間并且在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)能夠較好地跟蹤其變化。

5 結(jié)論

文章在Matlab/Simulink中搭建了光伏電池模型并對其輸出特性進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模型的合理性。提出基于改進(jìn)3點(diǎn)權(quán)位法的最大功率跟蹤控制器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，該方法能夠較好地跟蹤到光伏電池輸出特性的最大功率點(diǎn)，對提高太陽能的利用率有一定的參考價(jià)值。

［1］ 劉萌，孫少華，杜之正，等.改進(jìn)電導(dǎo)增量法的光伏電池MPPT仿真［J］.山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012，15（6）：17-20.

［2］ 程啟明，程尹曼.光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法的發(fā)展研究［J］.華東電力，2009，37（8）：1300-1306.

［3］ 李潔，劉蘊(yùn)達(dá).光伏電池和MPPT控制器的仿真模型［J］.電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì)，2012，36（12）：1836-1839.

［4］ 李朋.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤及控制器的研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2011.

［5］ 魏學(xué)業(yè)，王立華.光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］ 陶寧波.一種基于新型MPPT算法的嵌入式太陽能光伏逆變器［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

［7］ 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

修改稿日期：2015-02-04

Photovoltaic Battery MPPT Controller Simulation Applied Research with Improvement on Three Point Weighting Algorithm

ZHANG Yi，Pazilai·Mahemuti，XU Li-liang
（College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi830047，Xinjiang，China）

Due to the disadvantages such as low tracking efficiency，big steady-state wave motion and high erroneous judgement of the current photovoltaic maximum power point tracking algorithm，the photovoltaic maximum power tracking algorithm which is based on the improved three point weighting was proposed.According to the physical model of the photovoltaic cell and its mathematical model in the engineering applications，the simulation model of the photovoltaic maxmum power point tracking was built using Matlab/Simulink and made a comparison between the traditional MPPT algorithm and three point weighting algorithm.The simulation results show that the improved three point weighting algorithm can track the maximum power quickly，steadily and efficiently.

photovoltaic cells；improved three point weighting algorithm；maximum power point tracking（MPPT）

TM615

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61364010）

張毅（1989-），女，碩士研究生，Email：641380669@qq.com

2014-08-19