一種自適應變步長光伏MPPT跟蹤算法

山東科技大學電氣與自動化工程學院 謝明明 董明燕 王永立

一種自適應變步長光伏MPPT跟蹤算法

山東科技大學電氣與自動化工程學院 謝明明 董明燕 王永立

由于傳統(tǒng)的光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤（Maximun Power Point Tracking，MPPT）算法具有跟蹤速度慢和不穩(wěn)定等缺點，本文闡述了一種改進型的自動適配可變步長的跟蹤算法，并在Matlab/Simulink 下進行系統(tǒng)的仿真建模和分析，仿真結果表明該算法在外界光照強度明顯變化時能夠快速準確的跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點，且能消除功率振蕩現(xiàn)象。

光伏電池；最大功率點跟蹤；變步長；光照強度變化；仿真

1 引言

隨著社會的發(fā)展,由石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)能源開發(fā)和利用而導致的環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益凸顯,而太陽能作為一種新型清潔能源得到了高度關注和迅速發(fā)展。光伏電池板是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能來源,光伏電池模塊的輸出功率隨外界環(huán)境的溫度、自然光照的強度等條件的變化而相應變化,其輸出特性曲線為非線性曲線[1]。因此,就要對光伏電池陣列MPP進行跟蹤,實時調(diào)整好其工作點,以提高系統(tǒng)的整體輸出效率。

當前,關于MPPT的研究方法有多種,包含擾動觀察法、電導增量法、爬山法、恒給定電壓算法、光伏電池開路電壓法、曲線擬合法、查表法、滑?？刂品ā⒓纳娙菽Ｐ头?、模糊控制技術等[2]。本文是基于 Matlab的仿真平臺下建立的光伏電池的仿真模型,通過仿真實現(xiàn)了光伏電池工作狀況的模擬,并繪制出了在日照強度與環(huán)境溫度突變的工況下光伏電池的工作特性曲線,通過對其工作特性曲線分析,提出了改進的干擾觀察法,并在Simulink平臺下做了仿真,仿真的結果表明該方法在日照強度劇烈變化時能快速穩(wěn)定的跟蹤最大功率點。

2 光伏電池建模

2.1 光伏電池的仿真建模

光伏電池是用半導體材料制作成的,考慮材料的電阻特性以及損耗等因素,光伏電池的電路模型可等效成一個二極管與一個具有內(nèi)電阻的電流源并聯(lián),等效電路如圖1所示[3,4]。

圖1 光伏電池的電路模型圖

其中,I為流過負載的電流;Iph為光生電流;Ish為光伏電池的漏電流;Id為流過二極管的電流。

Io為二極管內(nèi)的反向飽和電流;n為二極管的理想因子,取值為1～2,一般取1.2左右;q為電子電荷量();k為玻爾茲曼常數(shù)();T為光伏電池的絕對溫度(+273K); Rs為一片光伏電池內(nèi)部串聯(lián)等效電阻。

Rs為一片光伏電池內(nèi)部并聯(lián)等效電阻。

將Id和Ish帶入上式可得:

由上式可得,光伏電池輸出U和I的大小跟外界環(huán)境因素有關。

2.2 光伏電池的特性曲線

基于上述關系式,在Matlab平臺上搭建光伏電池板的仿真模型[6]。當日照強度為1000,電池板溫度分別為298K、323K、353K時,輸出仿真特性曲線如下圖2、圖3所示;當電池板溫度為298K,日照強度分別為800、1000、1200時,輸出仿真特性曲線如圖4、圖5所示。

圖2 S=1000不同溫度下的一組曲線

圖6 傳統(tǒng)的干擾觀察法MPPT仿真模塊

圖7 電導增量法MPPT仿真模塊

圖3 S=1000不同溫度下的一組曲線

圖4 T=298K不同光照強度下的一組曲線

3 MPPT控制模型

根據(jù)上述仿真結果可見,光伏電池的兩組輸出特性曲線均有較強的非線性,且在一定的環(huán)境下總有一個最大的功率點存在。MPPT本質是通過一定的控制算法實時動態(tài)檢測光伏電池的輸出功率P,根據(jù)P的變化判斷下一步的擾動方向,其方法是采用一定的控制算法估計光伏電池在當前情況下可能輸出的最大功率,并通過改變此時的系統(tǒng)阻抗值來達到輸出最大功率的要求[7]。本文在 Matlab/ Simulink仿真環(huán)境下搭建仿真模型,采用一種改進型干擾觀察法,在日照強度與環(huán)境溫度突變時,與傳統(tǒng)的干擾觀察法和電導增量法對最大功率點的跟蹤進行比較。

圖5 T=298K不同光照強度下的一組曲線

3.1 傳統(tǒng)的干擾觀察法

傳統(tǒng)的干擾觀察法的本質是通過擾動增減光伏電池的輸出電壓,觀察其輸出功率的變化情況,若輸出功率增加,下一次擾動保持原來的增減方向,若輸出功率減少,下一次擾動改變原來的增減方向,直至使光伏電池輸出最大功率[8]。在Simulink中搭建仿真模型如圖6所示。

3.2 電導增量法

圖8 改進的干擾觀察法MPPT仿真模塊

電導增量法實質上是通過對比光伏電池模塊電導值與其瞬時值的大小來控制控制信號的輸出,即在光伏電池的特性曲線上存在一最大功率點,此處斜率為0[10]。

由上式推導得∶

如圖7所示。

3.3 改進的干擾觀察法

對于boost變化器有:

圖9 傳統(tǒng)的干擾觀察法仿真結果

圖10 電導增量法仿真結果

圖11 改進的干擾觀察法仿真結果

4 三種仿真結果及分析

5 結論

［1］傅望,周林,郭珂,等.光伏電池工程用數(shù)學模型研究［J］.電工技術報,2011,26(10):211-216.

［2］Rekioua D,等著,楊立勇,毛鵬譯.光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化:建模、仿真和控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2014.

［3］萬曉鳳,張燕飛,余運俊,康利平.光伏電池工程數(shù)學模型的比較研究［J］.計算機仿真,2014,31(3):113-117.

［4］蔡文皓,李云,馬晶,張曉.基于模糊控制的光伏電池MPPT仿真研究［J］.電源技術,2013,37(12):2144-2146,2173.

［5］周又玲,杜鋒,湯全武,白勇.MATLAB在電氣信息類專業(yè)中的應用［M］.北京:清華大學出版社,2011.

［6］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)仿真學報,2005,17(5):1248-1251.

［7］紀芳.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術的研究［D］.山東:山東大學碩士學位論文,2010.

［8］姚光輝.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計及MPPT技術研究［D］.浙江:浙江大學碩士專業(yè)學位論文,2014.

［9］魏臻珠,曹曉璐,楊海波.基于Simulink的光伏電池最大功率點跟蹤方法仿真研究［J］.水電能源科學,2013,31(12): 254-256.

［10］LIU Fangrui,DUAN Shanxu,LIU Fei.A variable step size INC MPPT method for PV systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2922-2628.

表7-事件標志寄存器使用說明

4.3 中斷通道映射

將INTC2中斷事件映射到CPU的INT15。通過設置Interrupt Mux Register 3(INTMUX3)寄存器,將INTC中斷事件映射到CPU的INT15中,寄存器使用說明參考圖7。即:

INTMUX3=0x00000002 〈〈 0x18。

其中0x00000002為EVT2的物理地址。

4.4 主機事 件映射

由于主機事件映射關系是一一對應關系,因此處理不需要進行編程設置。

5 小結

本文主要分析KeyStone DSP中斷系統(tǒng)原理以及中斷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

參考文獻

［1］TMS320TCI6614 Communication Infrastructure KeyStone Soc, http://www.ti.com.

［2］KeyStone Architecture Interrupt Controller(INTC)User Guide,http://www.ti.com.

［3］C66x CorePac User Guide (Rev.A),http://www. ti.com.

［4］GPIO for KeyStone Devices Users Guide,http://www. ti.com.

謝明明（1986-），女，山東菏澤人，山東科技大學碩士在讀，研究方向：電力電子及其應用。