基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)法的MPPT研究

黃悅?cè)A，饒超平，王飛，游文娟

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)法的MPPT研究

黃悅?cè)A，饒超平，王飛，游文娟

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002)

光伏發(fā)電憑借其開發(fā)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，在眾多新能源發(fā)電中占據(jù)著重要的地位。但是該技術(shù)存在輸出功率不穩(wěn)定、光能-電能轉(zhuǎn)換率比較低等因素，在很大程度上遏制著光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展。為了提高光伏發(fā)電技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換率和穩(wěn)定其功率輸出，在分析光伏發(fā)電的模型和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的控制方法，并利用Simulink仿真軟件對(duì)該控制方法下的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真得出的最大功率點(diǎn)跟蹤曲線證明提出的改進(jìn)控制方法可以在很大程度上減少擾動(dòng)次數(shù)和跟蹤時(shí)間，有效地提高最大功率點(diǎn)的跟蹤精度和速度。

光伏發(fā)電；光電轉(zhuǎn)換率；MPPT；Simulink仿真

光伏發(fā)電在眾多新能源發(fā)電中占據(jù)著重要的地位。在光伏發(fā)電中應(yīng)用最多的控制技術(shù)是最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)，該技術(shù)的主要方法又有以下幾類：電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法、恒定電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等等。這幾種方法各有優(yōu)勢(shì)，但也都存在不足之處，例如電導(dǎo)增量法的控制比較復(fù)雜，對(duì)采樣值的精度要求很高；擾動(dòng)觀察法難以確定步長(zhǎng)，并且在最大功率點(diǎn)處會(huì)發(fā)生震蕩；恒定電壓法在溫度較高時(shí)輸出功率會(huì)嚴(yán)重偏離最大功率點(diǎn)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法復(fù)雜。為了更好地控制光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文結(jié)合擾動(dòng)觀查法和支持向量機(jī)技術(shù)提出一種改進(jìn)的MPPT算法——基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)法的MPPT算法，該算法可以通過(guò)改變擾動(dòng)觀測(cè)值的步長(zhǎng)大小迅速實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。通過(guò)搭建Simulink仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，來(lái)驗(yàn)證該改進(jìn)算法是可行的。

1 光伏電池的模型

光伏電池是把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，如圖1所示，光伏電池的等效電路相當(dāng)于是一個(gè)電流源和一個(gè)二極管并聯(lián)組成，其中電流源為光生電流；流過(guò)二極管的電流為暗電流，用表示；旁路電阻用表示，流過(guò)的電流用表示；光伏電池的輸出電流為；為光伏電池輸出電壓；為串聯(lián)電阻；為電池的負(fù)載電阻[1]。

圖1 光伏電池的等效電路

式中：為Boost升壓斬波電路開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)的占空比。根據(jù)式(2)可以看出通過(guò)改變占空比的值就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓的改變，實(shí)現(xiàn)其最大功率跟蹤。

圖2 光伏電池電壓電流輸出特性

2 光伏電池的技術(shù)參數(shù)和特性曲線

光伏電池的技術(shù)參數(shù)為：功率50 W；短路電流3.35 A；開路電壓21.6 V；最佳動(dòng)作電壓17.6 V；最佳動(dòng)作電流2.85 A；溫度25℃。

以Matlab/Simulink仿真軟件為平臺(tái)搭建起光伏電池的仿真模型和光伏電池的P-V特性曲線仿真模型。采用ode23tb剛性算法為仿真算法對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，測(cè)出光照特性曲線(圖3)、溫度特性曲線(圖4)和功率特性曲線(圖5)。

圖3 光照特性曲線(25℃，光學(xué)大氣質(zhì)量為AM 1.5)

圖4 溫度特性曲線(1 000 W/m2)

圖5 光伏電池P-V特性曲線(25℃，AM 1.5)

3 光伏發(fā)電MPPT的Simulink仿真

3.1 太陽(yáng)能系統(tǒng)擾動(dòng)觀察法仿真結(jié)果

圖6所示為搭建的光伏發(fā)電MPPT算法的Simulink仿真模型，在該模型中供電電源為光伏電池，Boost升壓電路為主電路，，開關(guān)頻率1 000 Hz，環(huán)境溫度設(shè)為25℃，采用ode23tb剛性算法進(jìn)行仿真。

圖6 光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤Matlab仿真模型

如圖6所示，將仿真模型中的開關(guān)S1調(diào)至右邊進(jìn)行MPPT跟蹤仿真。結(jié)合Matlab中的Embeded Function模塊進(jìn)行擾動(dòng)觀察法程序的編寫，設(shè)定5個(gè)計(jì)數(shù)周期采樣一次，仿真時(shí)設(shè)定光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而變化，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出在最大功率點(diǎn)附近，占空比與功率都出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這是由擾動(dòng)觀察自身缺點(diǎn)造成，因此需要對(duì)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行改進(jìn)來(lái)去掉這種震蕩現(xiàn)象。

3.2 基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)法的仿真實(shí)現(xiàn)

3.2.1 基于擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)MPPT算法

為了解決擾動(dòng)觀察法造成的震蕩現(xiàn)象，本文提出了改進(jìn)的MPPT控制算法——基于SVM的改進(jìn)擾動(dòng)法：

(1)確定輸入、輸出量(也就是確定訓(xùn)練樣本)，假設(shè)訓(xùn)練樣

圖7 占空比變化曲線(25℃，AM 1.5)

圖8 功率變化曲線(25℃，AM 1.5)

(2)利用式(3)對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：

(3)選擇式(4)所示的徑向基核函數(shù)和決策函數(shù)，確定懲罰因子和核參數(shù)σ的值：

(4)對(duì)上述歸一化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，計(jì)算出在不同的光照條件下光伏電池的最佳動(dòng)作電壓值，并繪制出最佳電壓的回歸預(yù)測(cè)表。

(5)當(dāng)光照條件發(fā)生變化時(shí)，先在預(yù)測(cè)表中查找該光照強(qiáng)度下光伏電池對(duì)應(yīng)的最佳動(dòng)作電壓，并對(duì)該電壓值進(jìn)行跟蹤，通過(guò)擾動(dòng)觀察法確定該電壓值是否達(dá)到了最大功率點(diǎn)，如果預(yù)測(cè)的值和擾動(dòng)法得到的尋優(yōu)值存在5%的誤差，那么就利用表中與當(dāng)前光照強(qiáng)度最接近的最佳動(dòng)作電壓指直接跟蹤，并利用擾動(dòng)法來(lái)確定最佳動(dòng)作電壓，將新數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練數(shù)據(jù)重新進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2.2 基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)觀察法MPPT控制算法的仿真

選擇溫度為25℃，光學(xué)大氣質(zhì)量為AM 1.5時(shí)，不同光照強(qiáng)度下的10個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)(通過(guò)Matlab光伏電池模型仿真實(shí)驗(yàn)得到)，如表1所示。

根據(jù)改進(jìn)算法建立SVM預(yù)測(cè)模型，利用LIBSVM進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，得到如表2所示的SVW回歸預(yù)測(cè)分析。通過(guò)查表確定占空比的初值和10組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，根據(jù)SVM預(yù)測(cè)的動(dòng)作電壓值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的占空比，得到SVW預(yù)測(cè)后最佳動(dòng)作電壓對(duì)應(yīng)占空比值，如表3所示。

圖9所示為原始數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均方差=3.893×10－4。利用改進(jìn)的算法進(jìn)行仿真計(jì)算[3]，得到如圖10所示的最大功率跟蹤曲線。

表1 不同光照強(qiáng)度下的最佳動(dòng)作電壓

表2 SVW回歸預(yù)測(cè)分析結(jié)果

表3 SVW預(yù)測(cè)后最佳動(dòng)作電壓對(duì)應(yīng)占空比值

圖9 SVM預(yù)測(cè)最佳動(dòng)作電壓曲線

對(duì)比圖10和圖8可以看出基于SVM的改進(jìn)擾動(dòng)觀測(cè)法在很大程度上縮短了最大功率點(diǎn)的跟蹤時(shí)間，并基本上消除了跟蹤震蕩現(xiàn)象，減少了擾動(dòng)次數(shù)，提高了最大功率點(diǎn)的跟蹤精度和速度，提升了光伏發(fā)電的性能，驗(yàn)證了該改進(jìn)算法的正確性。

圖10 SVM算法下最大功率跟蹤曲線(25℃，AM 1.5)

4 總結(jié)

在光伏電池工程應(yīng)用中常用的數(shù)學(xué)模型與電路模型的基礎(chǔ)上建立光伏電池模型，通過(guò)Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真分析。在擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)算法，改進(jìn)后的算法能根據(jù)功率變化關(guān)系自動(dòng)決定占空比變化的幅度，更快地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，在最大功率點(diǎn)附近震蕩時(shí)，能快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)其震蕩閉鎖。

[1]曹倩茹.光伏點(diǎn)的最大功率跟蹤研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2006.

[2]馬秀娟，吳佳宇.光伏電池最大功率跟蹤算法的研究[J].電源世界，2009(6)：7-8.

[3]黃先偉，張淼.參數(shù)辨識(shí)在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].陜西電力，2009(1)：3-6.

MPPT study of perturbation method based on modified SVM

HUANG Yue-hua,RAO Chao-ping,WANG Fei,YOU Wen-juan

The development of photovoltaic power generation with its simple,convenient installation and maintenance and other advantages,was widely used,and played an important role in a number of new energy power generation. But unstable power output and low light-electricity conversion rate were existed.The further development of photovoltaic power generation was greatly restricted.In order to improve the photoelectric conversion rate and stabilize the output power of photovoltaic power generation,in the analysis of the model and the maximum power point tracking(MPPT)technology,an improved control method was proposed,and the simulation and analysis was carried out using the Simulink simulation software of photovoltaic power generation system on the control methods. The maximum power point simulation result shows that the improved tracking curves show that the number of disturbance and tracking of time can be reduced to a great extent,and the maximum power point tracking accuracy and speed could be effectively improved.

photovoltaic power generation;photoelectric conversion rate;MPPT;Simulink simulation

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0529-04

2014-08-06

黃悅?cè)A(1972—)，男，湖北省人，教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、檢測(cè)與自動(dòng)化裝置、電工材料、智能電網(wǎng)及其裝備。