基于干擾觀測(cè)法的電動(dòng)汽車光伏電池MPPT控制算法的建模與仿真

遲曉妮，賈顯通

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年汽車學(xué)院，浙江杭州 310018)

基于干擾觀測(cè)法的電動(dòng)汽車光伏電池MPPT控制算法的建模與仿真

遲曉妮，賈顯通

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年汽車學(xué)院，浙江杭州 310018)

對(duì)于太陽能電動(dòng)汽車而言，最為關(guān)鍵的是太陽能電池。最大功率點(diǎn)跟蹤是提高光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，在學(xué)術(shù)研究以及工程應(yīng)用中都具有重大的意義。利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，使用SunPower公司的SPR-305-WHT光伏組件構(gòu)建電池模型，對(duì)干擾觀測(cè)法最大功率點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行仿真研究和分析，并對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究方向做了合理的展望。

光伏發(fā)電；干擾觀測(cè)法；最大功率點(diǎn)跟蹤

0　引言

隨著環(huán)境污染及能源問題的日益嚴(yán)重，新能源汽車特別是太陽能電動(dòng)汽車成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。對(duì)于太陽能電動(dòng)汽車而言，最為關(guān)鍵的是太陽能電池。太陽能電池高效率和低價(jià)格一直是光伏開發(fā)追求的目標(biāo)，最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術(shù)是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。實(shí)驗(yàn)表明光伏電池的輸出受到環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量、地理位置等多種情況的影響，輸出具有很強(qiáng)的非線性的特征。利用MATLAB軟件中光伏組件SunPower SPR-305-WHT)來模擬電動(dòng)汽車光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤算法進(jìn)行研究。

1　太陽能光伏電池的模型和電氣特性

1.1太陽能電池模型

每個(gè)光伏電池單元的模型可以看作是一個(gè)恒電流源，然后并入一個(gè)正向的二極管。其等效簡(jiǎn)化電路模型如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的光伏電池的等效電路模型，可以得到如下光伏電池的等效電路的電壓、電流特性的數(shù)學(xué)模型[3]。

I=Iph-Id-Ish

(1)

流過二極管的電流Id可以由如下方程給出：

(2)

此外，太陽能光伏電池的漏電流Ish也可以由如下方程表示:

(3)

于是由如下方程組可以聯(lián)立推導(dǎo)出新的方程組，具體表示如下：

(4)

該方程中各個(gè)參數(shù)定義如表1所示。

表1　光伏組件模型各參數(shù)

在理想情況下，即Rs接近于0、Rsh無窮大時(shí)，得到的簡(jiǎn)化等效電路(見圖1)的數(shù)學(xué)模型為：

(5)

(6)

式中：UL為光伏電池輸出端電壓；P為光伏電池輸出功率。

1.2太陽能光伏電池的輸出特性曲線

使用的SunPower公司SPR-305-WHT光伏組件單個(gè)模型的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2　SPR-305-WHT型號(hào)的光伏電池模組的各項(xiàng)參數(shù)

對(duì)單個(gè)光伏組件進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出：特性曲線右側(cè)區(qū)域電壓較高，此時(shí)的光伏電池可以近似看成一個(gè)恒電壓源，具有明顯的低內(nèi)阻特性；而特性曲線左側(cè)區(qū)域電壓較低，此時(shí)的光伏電池可以近似看成一個(gè)恒電流源，具有明顯的高內(nèi)阻特性。由此，可以得出:對(duì)于輸出功率相同的一個(gè)光伏電池，既可以作為電壓源外接電壓型負(fù)載，又可以作為電流源外接電流型負(fù)載；曲線的頂點(diǎn)處即為光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)，而在最大功率點(diǎn)的兩側(cè)，光伏電池的輸出功率呈下降趨勢(shì)。正是利用這個(gè)特性,作者利用各類方法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。

2　控制算法及仿真

2.1最大功率點(diǎn)的跟蹤原理

太陽能電池板為非線性電源，其輸出特性通常與光照、溫度和負(fù)載R有關(guān)，在光照、溫度一定的情況下，太陽能電池板可以設(shè)置輸出不同的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某一個(gè)特殊值時(shí)，輸出功率最大。在光伏系統(tǒng)中，為了提高光伏系統(tǒng)的效率，需要實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，即系統(tǒng)要能跟蹤太陽電池輸出的最大功率點(diǎn)。而實(shí)現(xiàn)最大點(diǎn)跟蹤的方法就是通過不同的跟蹤算法來完成。

2.2干擾觀測(cè)法

先了解干擾觀測(cè)法的基本原理。如圖3所示，首先設(shè)定一個(gè)參考電壓U0，此時(shí)可以得到輸出功率為P0，然后等待一個(gè)設(shè)定好的時(shí)間間隔以后，增加或者減小電壓使其變?yōu)閁1，此時(shí)可以得到此刻的輸出功率P1，如果P1>P0，表明電壓的擾動(dòng)方向?yàn)檎较?，即說明此時(shí)的輸出功率正在逐漸靠近最大功率點(diǎn)處，輸出電壓小于Umax，則下一步的擾動(dòng)方向依然和上步相同；如果P1

根據(jù)上述原理，可以得到干擾觀測(cè)法的控制流程圖，如圖4所示。

根據(jù)控制流程圖，編寫得到的控制程序如下：

function D= PandO(Param, Enabled, V, I)

% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.

% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)

%

% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller

% V input = PV array terminal voltage (V)

% I input = PV array current (A)

%

% Param input:

Dinit = Param(1);%Initial value for D output

Dmax = Param(2);%Maximum value for D.

Dmin = Param(3);%Minimum value for D

……………………………………………………….

2.3干擾觀測(cè)法的仿真和分析

以環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度作為光伏系統(tǒng)外部參數(shù)變量，參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

此次仿真時(shí)間一共為3 s，從圖5可以看出：t=0時(shí)，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃；t=0.6 s時(shí)，光照強(qiáng)度突變?yōu)?50 W/m2，溫度依然為25 ℃；t=1.2～1.7 s時(shí)間段內(nèi)，光照強(qiáng)度由250 W/m2逐漸升為1 000 W/m2；t=2 s時(shí)，環(huán)境溫度由25 ℃突變?yōu)?5 ℃。此次仿真重點(diǎn)主要是觀察t=0、t=0.6 s以及t=2 s時(shí)刻算法的控制效果，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6所示即為利用干擾觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真結(jié)果，為了更加直白說明仿真效果，如圖7所示，對(duì)圖中3個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖7(a)，t=0時(shí)刻，從仿真結(jié)果可以看出:功率從零增加到最大功率大約需要0.06 s的時(shí)間，跟蹤速度較慢，而且跟蹤過程中功率一直處于波動(dòng)狀態(tài)。

圖7(b)，t=0.6 s時(shí)刻，從仿真結(jié)果可以看出:由于此刻光照強(qiáng)度突然降低，最大功率點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)較大波動(dòng)后重新恢復(fù)到另一個(gè)平穩(wěn)點(diǎn)，耗時(shí)大約為0.04 s，功率最大波動(dòng)幅度大約為125 kW。

圖7(c),t=2 s時(shí)刻，從仿真結(jié)果可以看出:由于此刻環(huán)境溫度的突然升高，最大功率點(diǎn)處電壓降低，從而導(dǎo)致功率降低。最大功率點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)波動(dòng)后重新恢復(fù)到另一個(gè)平穩(wěn)點(diǎn)，耗時(shí)大約為0.05 s，功率最大波動(dòng)幅度大約為25 kW。

3　結(jié)論

利用干擾觀測(cè)法對(duì)光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，并對(duì)跟蹤結(jié)果做了分析，針對(duì)環(huán)境參數(shù)中變化較大的3個(gè)特殊點(diǎn)通過具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。從以上仿真結(jié)果可以看出：這種控制算法簡(jiǎn)單有效，能夠?qū)崿F(xiàn)在太陽能電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定供電。但其不足之處在于控制精度低，就算在某一擾動(dòng)之后工作點(diǎn)到達(dá)最大功率點(diǎn)處，下一時(shí)刻的擾動(dòng)就會(huì)偏離最大功率點(diǎn)，使得光伏電池輸出功率只能在最大功率點(diǎn)附近，產(chǎn)生一定的功率損失。

為了克服該方法的缺點(diǎn)，在將來的研究中作者將在電動(dòng)汽車電池研究中嘗試采用變步長(zhǎng)的干擾觀測(cè)法，根據(jù)距離最大功率點(diǎn)的距離調(diào)節(jié)使用不同的步長(zhǎng)，以求在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度上面都有一定的提高，使得太陽能電動(dòng)汽車的動(dòng)力性得到較大的提高。

【1】趙爭(zhēng)鳴，陳劍.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

【2】杜慧,林永君,林永君.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[C]//2008系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2008.

【3】趙爭(zhēng)鳴,劉建政,孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

【4】趙慶平，姜恩華，朱旋.基于MATLAB的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(5):26-27.

Modeling and Simulation of MPPT Controlled Method for Solar Electric Vehicle Based on Perturbation and Observation Method

CHI Xiaoni,JIA Xiantong

(Youngman Automotive Institute,Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou Zhejiang 310018,China)

The most critical sect1 is the solar cell to the solar electric vehicles. And the maximum power point tracking (MPPT) technology is a key technology to improve the efficiency of photovoltaic power generation, which is of great significance in academic research and engineering applications. Using MATLAB-Simulink simulation platform and SunPower’s SPR-305-WHT PV model, a MPPT simulation model was built and analysis about MPPT based on perturbation and observotion method was done. Finally, a reasonable prospect to the research direction of MPPT method was given.

Photovetaic power generation; Matlab-Simulink; Maximum power point tracking

2015-05-20

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201430906)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014R450009)；杭州職業(yè)學(xué)院2014年度校級(jí)教師企業(yè)經(jīng)歷工程；杭州職業(yè)學(xué)院項(xiàng)目(ky201427)

遲曉妮(1979—)，女，講師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚭推囯娮蛹夹g(shù)。E-mail:chi_xiaoni@126.com。