基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的光伏陣列MPPT

楊秋霞，　王海臣，張　，姜培培(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的光伏陣列MPPT

以太陽能發(fā)電最大功率跟蹤單元為研究對象，采用改進(jìn)電導(dǎo)增量法，通過理論分析和Matlab模型仿真的方法，對光伏陣列的最大功率跟蹤(MPPT)性能進(jìn)行分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，改進(jìn)的電導(dǎo)增量法具有良好的控制精度，加入恒壓啟動過程后，使新算法兼具快速的跟蹤效果。

太陽能發(fā)電；MPPT算法；電導(dǎo)增量法；變步長；恒壓啟動

新能源的研究與發(fā)展已經(jīng)成為了當(dāng)今世界最重要的課題之一，太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源越來越受到人們的關(guān)注。太陽能具有波動性和隨機(jī)性，為了高效利用太陽能，研究人員提出了最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者做了大量關(guān)于MPPT算法的研究，較經(jīng)典的有固定電壓法(CVT)、擾動觀察法(P＆amp;O)、電導(dǎo)增量法(INC)、模糊邏輯控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等。各種控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在上述研究基礎(chǔ)上提出了變步長電導(dǎo)增量法，并加入恒壓啟動，對算法進(jìn)行改進(jìn)，仿真結(jié)果表明新算法能同時(shí)實(shí)現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)和減小穩(wěn)態(tài)震蕩兩者的最優(yōu)化，提高M(jìn)PPT精度和速度。

1 光伏電池模型

1.1光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

光伏電池屬于半導(dǎo)體光電器件，光輻射到光伏電池直接產(chǎn)生電能。依據(jù)電子學(xué)理論，得到光伏電池的等效電路如圖1所示。

其電流表達(dá)式為：

圖1　　光伏電池等效電路

式中：Iph為光生電流；I0為光電池反向飽和電流；n為二極管因子；k為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電量；Rs為光電池串聯(lián)電阻；Rsh為光電池并聯(lián)電阻。

文獻(xiàn)[1]給出了面向工程實(shí)際的光伏電池簡化數(shù)學(xué)模型：

由此可見，本模型只需輸入電池技術(shù)參數(shù)Isc、Uoc、Im、Um，就可以得出C1和C2。

當(dāng)光照強(qiáng)度S(W/m2)及電池溫度θ(℃)變化，太陽電池的輸出功率會發(fā)生變化。為了方便計(jì)算，電池溫度由大氣溫度和光照擬合：

下面一組公式得到任意時(shí)刻光伏電池的V-I特性：

式中：θ為任意時(shí)刻光伏電池的溫度；Δθ為任意時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下光伏電池的溫度差；S為任意時(shí)刻的光照；ΔS為任意時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下光照差；Isc'為任意時(shí)刻短路電流；Voc'為任意時(shí)刻開路電壓；Im'為任意時(shí)刻輸出最大功率對應(yīng)的最大輸出電流；Vm'為任意時(shí)刻輸出最大功率對應(yīng)的最大輸出電壓。

Isc'、Voc'、Im'、Vm'代入式(1)、式(2)、式(3)就可以得到任意環(huán)境條件下光伏電池的V-I特性。

1.2光伏電池陣列仿真模型

根據(jù)1.1節(jié)中的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，在Matlab的Simulink中搭建太陽電池仿真模型。模塊內(nèi)部封裝了參數(shù)Isc'、Voc'、Im'、Vm'?？梢酝ㄟ^點(diǎn)擊光伏電池的封裝模塊，如圖2，設(shè)置上述參數(shù)，通過更改不同的溫度和光強(qiáng)來模擬不同的V-I特性。

圖2　光伏電池封裝模型

1.3仿真結(jié)果

運(yùn)用上述模型對STP0950S-36型號光伏電池進(jìn)行仿真，其主要參數(shù)見表1。

??????/W 　94 ????????????????????????? ????????? ????/A 　4.8 ?????????/V 　21.7 ?????????/A 　4.5 ????/V 　24.2 ????????/(mA?? ????????/(V??

在標(biāo)準(zhǔn)參考條件下(1 000 W/m2，25℃)光伏電池仿真結(jié)果如圖3所示。圖3符合1.1節(jié)中建立的物理模型，從而驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖4為不同光照強(qiáng)度及溫度下的P-U曲線。

通過圖4仿真結(jié)果可知，光伏電池輸出特性具有嚴(yán)重非線性，而且受光照強(qiáng)度和溫度影響明顯。溫度和光照一定時(shí)，光伏電池存在一個(gè)特定的最大功率點(diǎn)，且溫度一定時(shí)，最大功率點(diǎn)與光強(qiáng)成正比；光強(qiáng)一定時(shí)，最大功率點(diǎn)和溫度成反比。

為了使光伏電池盡可能工作在最大功率點(diǎn)，需要在光伏發(fā)電系統(tǒng)中施加一個(gè)MPPT控制策略，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載與光伏電池間的最佳匹配。0

圖3　標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池I-U、P-U曲線

圖4　不同條件下光伏電池P-U曲線

2 最大功率跟蹤

2.1電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是目前常用的最大功率跟蹤控制方法之一，它是通過比較光伏電池瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)的變化量來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。由光伏電池P-U曲線可見，最大功率點(diǎn)處于曲線頂點(diǎn)。由此得[2]：

并有以下關(guān)系：

實(shí)際使用時(shí)，需要給定一個(gè)合適的閾值E，并設(shè)定dP/dU=±E時(shí)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)，當(dāng)電導(dǎo)增量變化小于這個(gè)閾值時(shí)，無需改變工作點(diǎn)；當(dāng)電導(dǎo)增量變化大于這個(gè)閾值時(shí)，則要相應(yīng)變化工作點(diǎn)。所以選擇合適的步長和閾值非常關(guān)鍵。

2.2變步長電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)和電導(dǎo)增量之和與最大功率點(diǎn)之間具有潛在的關(guān)系。工作點(diǎn)距最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，兩者之和保持不變；在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，兩者之和迅速趨于0；在最大功率點(diǎn)處，則等于0。故可用兩者之和來控制步長，從而得到變步長電導(dǎo)增量法流程，如圖5所示。圖5中，N為調(diào)整步長的比例因子，MPPT算法步長即為占空比變化量ΔD。這樣，在最大功率點(diǎn)附近，工作點(diǎn)移動很小，實(shí)際工作點(diǎn)趨于和最大功率點(diǎn)重合。

圖5　變步長電導(dǎo)增量法流程

2.3Matlab仿真

要保證功率損失不超過光伏電池板可用最大輸出功率的2％，則max(ΔD)=ΔD(2％)=ΔDmax。ΔDmin的值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電壓電流的采樣精度選取。

為保證最大功率點(diǎn)處的震蕩最小，同時(shí)兼具良好的跟蹤速度，選擇

根據(jù)圖5所示的流程搭建變步長電導(dǎo)增量法控制模塊，如圖6所示。

圖6　　變步長電導(dǎo)增量法模塊

在圖7所示光伏發(fā)電系統(tǒng)中驗(yàn)證該控制算法，光伏電池功率160 W，采用Buck變換器，溫度為25℃，光照在0.05 s時(shí)由800 W/m2變?yōu)? 000 W/m2。

最大功率跟蹤曲線如圖8所示。由圖8可見，溫度為25℃，光照強(qiáng)度為800 W/m2條件下，系統(tǒng)輸出功率在0.018 s時(shí)穩(wěn)定在133.5 W；當(dāng)光照強(qiáng)度在0.05 s由800 W/m2變到1 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)在0.06 s再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，變步長電導(dǎo)增量法能夠使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在當(dāng)前條件下的最大功率值，具有良好的跟蹤性能。但由于開始時(shí)刻步長較大，導(dǎo)致功率出現(xiàn)階梯變化，因而在此算法的基礎(chǔ)上增加恒壓啟動算法加以改進(jìn)。

圖7　MPPT系統(tǒng)仿真

圖8　　變步長電導(dǎo)增量法最大功率跟蹤曲線

2.4變步長電導(dǎo)增量法的改進(jìn)

一般來說，光伏電池板最大功率點(diǎn)電壓為開路電壓的78％左右。設(shè)電壓Uset=0.8Uoc，使變換器的占空比線性增加到接近最大功率點(diǎn)，得到平滑的跟蹤曲線。恒壓啟動算法即設(shè)定參考電壓Uset=0.8Uoc，當(dāng)采樣電壓值大于參考電壓時(shí)，線性增加占空比D；當(dāng)采樣電壓值小于參考電壓時(shí)，采用電導(dǎo)增量法。

根據(jù)圖5所示的流程搭建具有恒壓啟動功能的變步長電導(dǎo)增量法Matlab仿真模型，如圖9所示。

圖9　具有恒壓啟動的變步長電導(dǎo)增量法仿真模型

相同條件下對改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。

圖10　具有恒壓啟動的變步長電導(dǎo)增量法MPPT曲線

由圖10可見，利用固定電壓法啟動可以消除P-U曲線啟動時(shí)候的階梯性變化，使仿真曲線變得平滑，而且加快跟蹤速度，保證系統(tǒng)跟蹤到當(dāng)前條件下的最大功率值。

將圖10和圖8對比可知，具有恒壓啟動的變步長電導(dǎo)增量法兼具良好的啟動特性和穩(wěn)態(tài)跟蹤效果。

3 結(jié)論

本文建立了光伏電池的物理模型，并搭建Matlab仿真模型，通過仿真波形的分析驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。用Buck電路搭建基于變步長電導(dǎo)增量法MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。該方法在外界光照突變的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)良好的跟蹤效果，但由于起始時(shí)刻步長較大，使功率曲線出現(xiàn)階梯變化，為此加入恒壓啟動算法，仿真圖表明，新算法兼具良好的啟動特性和穩(wěn)定性。

[1]蘇建輝，余世杰，趙為.硅電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽能學(xué)報(bào)，2001，22(4)：399-410.

[2]高沖赫，陳繼開，孫雪，等.基于改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量法的MPPT方法研究[J].電源技術(shù)，2013(10)：1342-1344.

Research of MPPT technology based on variable step length conductance increment method

YANG Qiu-xia,WANG Hai-chen,ZHANG Ying,JIANG Pei-pei
(Institute of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Using solar maximum power tracking unit as the research object,the MATLAB simulation model was run by variable step length conductance increment method.The MPPT performance could be analyzed and verified according to the simulation waveform.The results show that:Variable step length conductance increment method has good control accuracy,the new algorithm has fast tracking performance starting by adding a constant voltage method.

solar power generation;MPPT algorithm;incremental conductance method;variable step size;constant pressure start

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0128-03

2015-06-15

秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃(201001A086)

楊秋霞(1972—)，女，山東省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槟孀兤鞑⒕W(wǎng)控制、光電檢測技術(shù)、電力系統(tǒng)控制。

王海臣