改進(jìn)黃金分割法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

韓偉，王宏華，賈艷剛

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；2.中電電氣太陽能研究院有限公司，江蘇南京 211153)

改進(jìn)黃金分割法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

韓偉1,2，王宏華1，賈艷剛2

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100；2.中電電氣太陽能研究院有限公司，江蘇南京 211153)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤來提高系統(tǒng)的輸出功率。以光伏電池輸出非線性特性為切入點(diǎn)展開研究，分析了常規(guī)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)其最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能不佳等問題，提出了將改進(jìn)黃金分割法(IGSS)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。在Matlab/Simulink下進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果表明該方法能夠迅速準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，防止算法跟蹤方向誤判情況的發(fā)生，表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，證實(shí)了該算法的正確性和有效性。

改進(jìn)黃金分割法；光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池輸出特性具有明顯的非線性特性，在任何時(shí)刻都存在一個(gè)最大功率輸出的工作點(diǎn)，且隨著輻照度和溫度的變化而變化。所以，要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體輸出效率，就必須實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使其工作在最大功率點(diǎn)，這一過程稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)。

MPPT的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過程，即通過控制光伏電池兩端電壓來控制最大功率的輸出。目前較常采用的MPPT控制方法主要有恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法、模糊控制法等[1]。恒定電壓法受結(jié)溫影響較大，控制精度低。擾動(dòng)觀察法在MPP附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致功率損耗，在特定的情況下會(huì)判斷錯(cuò)誤。電導(dǎo)增量法對(duì)系統(tǒng)硬件的要求較高。最優(yōu)梯度法當(dāng)輻照度變化迅速時(shí)，MPP將會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。傳統(tǒng)模糊控制的隸屬度函數(shù)所特有的性質(zhì)使其在MPP附近來回?cái)[動(dòng)，仍有振蕩現(xiàn)象[2-4]。

基于此，本文對(duì)傳統(tǒng)的黃金分割法進(jìn)行改進(jìn)，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，并進(jìn)行了理論分析和系統(tǒng)的建模仿真。仿真結(jié)果表明，該算法能夠克服黃金分割算法的不足，高效準(zhǔn)確地找到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，同時(shí)有效地消除系統(tǒng)輸出功率在MPP附近存在的振蕩現(xiàn)象，從而提高了輸出功率。

1 光伏電池的模型和特性

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得光伏電池終端特性，得到實(shí)際使用的等效電路如圖1所示。

光伏電池單體的輸出電流、電壓關(guān)系如式(1)所示[5]：

圖1 光伏電池的等效電路模型

圖2 (a)相同、不同條件下U-P曲線; (b)相同、不同條件下U-P曲線

在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出功率往往同時(shí)受到溫度及輻照度變化的影響，總體而言，光伏電池的輸出功率隨著溫度的增加而產(chǎn)生減小的趨勢(shì)，光伏電池的輸出功率隨著輻照度的增加而產(chǎn)生增大的趨勢(shì)，因此光伏電池的實(shí)際輸出功率正是這兩種趨勢(shì)相互作用的結(jié)果。

2 改進(jìn)黃金分割法

2.1 黃金分割法(GSS)

圖3 黃金分割法的搜索過程

所以，在每一次的迭代過程中，由這三個(gè)所決定的搜索區(qū)域都是等比例的間距，則該算法以一個(gè)恒定的速度收斂。

式中：φ是黃金率。這就是黃金分割法的由來[8]。

2.2 改進(jìn)黃金分割法(IGSS)[9]

由分析推導(dǎo)可知：黃金分割法是在整個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行全局性搜索，前后兩次搜索區(qū)間的跳躍性較大。結(jié)合恒定電壓法可知，光伏電池MPP處的電壓約為開路電壓的0.78倍[10]，所以可以考慮縮小搜索區(qū)間。如果需要縮小到原搜索區(qū)間長(zhǎng)度的0.1%，則一般要經(jīng)過15次迭代。而事實(shí)上，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到8次時(shí)，搜索到的點(diǎn)已經(jīng)非常接近MPP，誤差范圍也非常小。因此，為了克服上述兩點(diǎn)缺陷，提高搜索效率，減少迭代次數(shù)，提出了一種改進(jìn)黃金分割法。

3 仿真及其分析

根據(jù)公式，利用Matlab/Simulink建立光伏仿真模型。其中光伏電池的常數(shù)模塊通常采用供應(yīng)商所提供的重要參數(shù)值，此處設(shè)置oc=44.4 V、m=36.52 V、sc=5.4 A、m=4.81 A。用一個(gè)幅值從0 V逐漸升至50 V的線性信號(hào)源模擬電壓的變化。分別采用GSS和IGSS算法進(jìn)行仿真研究，仿真波形如圖5、圖6所示。表1為兩種方法搜索結(jié)果對(duì)比。

表1 兩種方法搜索結(jié)果對(duì)比

為了衡量?jī)煞N搜索模型的有效性和精確性，使用誤差如式(7)來評(píng)價(jià)模型中每個(gè)步驟的搜索效果。

圖4 改進(jìn)黃金分割法的流程圖

圖5 GSS的搜索過程

圖6 IGSS的搜索過程

由仿真結(jié)果可見，采用提出的改進(jìn)算法不僅能夠減少迭代次數(shù)，而且能夠快速穩(wěn)定在MPP附近。

4 結(jié)論

將IGSS算法應(yīng)用于光伏電池的MPPT中，運(yùn)用仿真軟件Matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，分別將兩種算法對(duì)光伏電池的最大輸出功率進(jìn)行仿真，并比較了兩者的控制效果。結(jié)果充分說明了IGSS算法能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的MPP，減少系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)振蕩的能量損失，提高了光伏電池的輸出效率。

[1]王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[2]黃舒予，牟龍華，石林.自適應(yīng)變步長(zhǎng)MPPT[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011(5):26-30.

[3]盧靜，翟海清，劉純.光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)方法研究[J].華東電力,2010,38(4):563-567.

[4]HU J,ZHANG J C,WU H B.A novel MPPT control algorithm based on numerical calculation for PV generation system[C]//IEEE 6thInternational of Power Electronics and Motion Control Confer ence.US:IEEE,2009:2103-2107.

[5]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.

[6]陳玉蓮，李俊文，高波.基于MATLAB的黃金分割法的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(35):96.

[7]劉艷.關(guān)于黃金分割法的幾點(diǎn)討論[J].機(jī)電技術(shù),2006(1):13-14.

[8]張矛盾，張淼，王鋒，等.基于隔離式Cuk電路的黃金分割法MPPT[J].陜西電力,2009(9):1-5.

[9]張雨虹，劉玉民，張一楊.基于黃金分割法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào),2007(7):77-82.

[10]宋巨龍，錢富才.基于黃金分割法的全局最優(yōu)化方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005(4):94-95.

Improved golden section search application in maximum power point tracking of photovoltaic power generation

HAN Wei1,2,WANG Hong-hua1,JIA Yan-gang2

The output power of the photovoltaic system was increased by tracking of the maximum power point.The output nonlinear characteristics were taken as the starting point of research.The advantages and disadvantages of the conventional algorithms were analyzed.The problems,such as poor dynamic and steady-state performance of the maximum power point tracking(MPPT),were considered.The improved golden section search(IGSS)was applied to the photovoltaic power generation system.After modeling and simulation in Matlab/Simulink,the results indicate that quickly and accurately tracking the maximum power point of photovoltaic cells can be achieved,and the occurrence of the algorithm to track the direction of misjudgment of the situation can be prevented.Good dynamic and steady state characteristics were put up.The correctness and validity of the algorithm were confirmed.

improved golden section search(IGSS);photovoltaic power generation;maximum power point tracking (MPPT)

TM 615

A

1002-087 X(2014)02-0282-04

2013-06-20

江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CXZZ12_0228)；國際科技合作項(xiàng)目(2009DFA61130)

韓偉(1986—)，男，江蘇省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微網(wǎng)。