基于β參數(shù)的變步長MPPT控制研究

李星碩，文輝清,2

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基于參數(shù)的變步長MPPT控制研究

李星碩1，文輝清1,2

(1.西交利物浦大學電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215123; 2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安710049)

研究了當前光伏系統(tǒng)中最大功率點追蹤技術(MPPT)的現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)MPPT方法在穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能之間存在的矛盾，提出了一種改進的基于參數(shù)的變步長算法。此算法基于對b-V曲線的分析，對光照強度的上升和下降采用兩種不同大小的比例系數(shù)，從而在動態(tài)實現(xiàn)了快速追蹤MPP并且避免了誤判現(xiàn)象，同時，在穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)了零振蕩。為了驗證該算法的優(yōu)越性，基于Matlab/Simulink平臺對主要MPPT方法進行仿真分析，同時基于dSPACE和太陽能光伏陣列模擬器搭建實驗樣機并進行實驗測試。仿真與實驗結果驗證了該算法的優(yōu)越性，即能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)零振蕩及動態(tài)過程的快速跟蹤。

最大點功率點追蹤；變步長；快速追蹤；零振蕩

0 引言

太陽能被全世界廣泛地認為是一種非常重要的可持續(xù)能源[1-2]。但由于光伏陣列受到外界環(huán)境因素如光照強度或溫度的影響，其輸出電壓、電流呈現(xiàn)出明顯的非線性特征[1]。因此如何實時地調節(jié)光伏模塊的輸出功率，在任何外界環(huán)境下實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)顯得十分重要[3-5]。

文獻系統(tǒng)分析比較了各種MPPT算法[6]，根據(jù)其步長種類，基本可以分成兩類，即定步長[7-11]、變步長[12-20]。對于定步長而言，常見的有擾動觀察法(Perturb and Observe，P&O)[7-9]，爬山法(Hill Climbing，HC)[9]和電導增量法(Incremental Conductance，INC)[10-11]。定步長的優(yōu)點主要體現(xiàn)在算法簡單且易于實現(xiàn)，但其缺點主要有以下三點：1) 其算法存在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的矛盾；2) 當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)下時，其仍在MPP附近振蕩；3) 當光照強度上升時，其會發(fā)生誤判[11]。

對于變步長而言，由于其步長大小可以根據(jù)光伏陣列的P-D曲線[12-14]或者P-V曲線[15-18]以及比例系數(shù)實現(xiàn)自動調節(jié)，從而解決了定步長在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的矛盾。常見的有改進的自適應爬山法(Modified Adaptive Hill Climbing, MAHC)[12]和變步長的電導增量法(Variable Step Size Incremental Conductance, VSSINC)[15]。但是，如何設置比例系數(shù)是實現(xiàn)變步長算法的一個難題[16]。如果值過大，會在MPP附近造成較大的擾動。因此，穩(wěn)態(tài)時常選取一個比較小的值。但是，當系統(tǒng)工作點靠近MPP時，步長會變得非常的小從而影響收斂速度；同時，雖然穩(wěn)態(tài)步長很小，但是系統(tǒng)仍會在MPP附近擾動，影響靜態(tài)誤差。另外，當光照強度上升時，其仍會發(fā)生誤判[11]。

為了能夠克服定步長和變步長算法的缺點并有效利用其優(yōu)點，本文提出一種改進的基于參數(shù)的變步長算法。此算法包括兩個部分，即改進的Beta法和改進的P&O法。相較于傳統(tǒng)的Beta法[19-20]，改進的Beta法基于對bV曲線分析，對光照強度上升和下降采用兩種不同大小的比例系數(shù)，從而實現(xiàn)快速的動態(tài)追蹤并且避免誤判現(xiàn)象。改進的P&O法基于傳統(tǒng)的P&O法的三點振蕩模式來確定三點的中值點并將其固定，從而消除了擾動減少了功率損耗。

為了驗證本算法的優(yōu)越性，本文首先在Matlab/ Simulink平臺下對本算法與傳統(tǒng)的定步長的P&O法、傳統(tǒng)的變步長VSSINC法以及傳統(tǒng)的Beta法進行系統(tǒng)比較，然后利用dSPACE和太陽能陣列模擬器搭建了實驗平臺。通過仿真和實驗結果的分析對比，驗證了本算法的優(yōu)越性。

1 基于b參數(shù)的MPPT算法原理

不同于一般的MPPT算法，本文提出的MPPT算法是追蹤一個中間變量而不是功率的變化，其如式(1)所示。

式中：、分別為PV的輸出電壓和電流；是一個常數(shù)可通過=q/(sAK)求出。其流程圖如圖1所示。

在主算法中，首先根據(jù)式(1)求出的值，然后根據(jù)的值判斷是否在min和max的范圍內(nèi)，流程如圖1(a)所示。如果的值不在此范圍內(nèi)，即說明此時系統(tǒng)工作點遠離MPP，則切換至改進的Beta法中，如圖1(b)所示。反之即說明系統(tǒng)工作點靠近MPP，則算法切換至改進的P&O法中，流程如圖1(c)所示。

圖1 基于b參數(shù)的MPPT算法流程圖

1.1 改進的Beta法

采用此MPPT算法時系統(tǒng)工作點隨光照強度的變化如圖2所示，當光照強度穩(wěn)定在1 000 W/m2，系統(tǒng)工作在MPP點A，即負載線1(load line 1)與I-V曲線上的交點。當光照強度突然下降到400 W/m2時，系統(tǒng)工作點應仍在負載線1上。此時系統(tǒng)工作點立即從點A切換到負載線1與光照強度在400 W/m2所對應I-V曲線的交點B上。在其相對的b-V曲線，此時點B的值B要大于max，即點B位于min和max的范圍外。因此當光照強度下降時，步長Δ可計算為

同理，當光照強度從400 W/m2上升到1 000 W/m2時，系統(tǒng)工作點將從點C立即切換到點D，并且點D的值D要小于min，即點D位于min和max的范圍外。因此當光照強度上升時，設置不同的比例系數(shù)2，步長Δ可計算為

(3)

圖2 在I-V曲線上的負載線和其對應的b-V曲線

不同于傳統(tǒng)的Beta法，改進的Beta法在光照強度下降和上升時分別使用了不同的步長比例系數(shù)，即1和2，用來調節(jié)步長以避免步長過大或過小。因此改進的Beta法要比傳統(tǒng)的Beta法追蹤速度更快。同時，由于可以根據(jù)值位置來判斷光照強度上升還是下降，因而可以避免誤判。

1.2 改進的P&O法

傳統(tǒng)的P&O法在穩(wěn)態(tài)呈現(xiàn)出三點振蕩的模式，如圖3(a)所示，其中p為系統(tǒng)采樣周期，每4個p則為一個振蕩周期。每個振蕩周期中，最常出現(xiàn)的點即為中值點，如mid。同時，中值點所對應的功率mid是三點振蕩中最大的一個。因此，改進的P&O法如圖3(b)所示，其目的是在穩(wěn)態(tài)找出三點振蕩的中值點并將其固定，從而消除振蕩使得輸出功率維持在最大。

為了能更好地理解改進的P&O法，其工作原理如圖4所示。當系統(tǒng)未達到穩(wěn)態(tài)時，計數(shù)器Counter一直為零。當系統(tǒng)首次發(fā)現(xiàn)中值點mid，即滿足圖1(c)中條件2=4或1=3時，計數(shù)器Counter自加同時繼續(xù)擾動。當Counter大于等于4時，即認為系統(tǒng)達到穩(wěn)定的三點振蕩狀態(tài)，故進入休息模式并停止擾動，即步長為零。

圖4 改進的P&O法的原理

當光照強度發(fā)生變化時，應停止休息模式并開始擾動。如果光照強度發(fā)生劇烈變化，系統(tǒng)工作點的值將會在min和max的范圍外，此時Counter會被清零從而跳出休息模式，如圖1(b)所示。

由于實際中可能發(fā)生光照強度出現(xiàn)微小的變化或是采樣出現(xiàn)誤差，為了避免此類情況，在進入休息模式前，設置條件

式中：Δ為功率變化；為限制條件(threshold)。當條件(4)被滿足時，則擾動重新開始并將Counter清零，否則仍維持在休息模式下。

2 仿真結果及分析

為了能夠驗證所提算法的優(yōu)越性，基于仿真軟件Matlab/Simulink搭建了一個完整的帶MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖5所示，其包括一個光伏組件、Boost升壓電路和MPPT算法模塊。光伏組件選用Solarex公司的 MSX-60W。Boost電路工作在連續(xù)模式下，其輸入電容為470 μF，電感為1 mH，輸出電容為47 μF，開關頻率為10 kHz，負載為30 Ω。

圖5 Matlab/Simulink中帶MPPT功能的光伏系統(tǒng)電路圖

圖6為仿真波形，初始光照強度為1 000 W/m2，在0.5 s時光照強度下降到400 W/m2，然后在2.5 s再次上升到1 000 W/m2。

通過對圖6(a)~(d)的比較可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的P&O法，不僅動態(tài)追蹤速度慢，而且在光照強度上升時發(fā)生誤判現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)時占空比有明顯振蕩，仿真結果如圖6(a)所示。與傳統(tǒng)的P&O法相比，VSSINC法在光照強度上升時追蹤速度較快，且在穩(wěn)態(tài)時占空比振蕩較小，仿真結果如圖6(b)所示。但當系統(tǒng)工作點靠近MPP時，其步長變小導致收斂速度變慢，尤其體現(xiàn)在光照強度下降時。同時當光照強度上升時，其仍會發(fā)生誤判。傳統(tǒng)的Beta法采用固定的比例系數(shù)，步長較小，因此追蹤速度較慢，如圖6(c)所示。同時其在靠近MPP時采用傳統(tǒng)的P&O法，故在穩(wěn)態(tài)時其仍有振蕩。與上述方法相比，本文提出的算法不僅追蹤速度較快，而且不會發(fā)生誤判，在穩(wěn)態(tài)時也沒有占空比和功率的振蕩，仿真結果如圖6(d)所示。

圖6 仿真比較各種MPPT方法

3 實驗結果及分析

圖7為MPPT系統(tǒng)的實驗樣機，其包括一個太陽能陣列模擬器，Boost升壓電路和dSPACE控制器。實驗將全面系統(tǒng)地比較多個MPPT方法，為保證所有MPPT方法都在同一個條件運行，因此實驗中采用Chroma公司的可編程直流電源62000H模擬光伏模塊輸出。dSPACE作為MPPT算法的控制平臺，用來負責光伏電壓電流采樣以及MPPT算法實現(xiàn)。Boost電路參數(shù)與仿真相同。

實驗結果如圖8所示，其初始光照強度為1 000 W/m2，在50 s時光照強度下降到400 W/m2，然后在250 s再次上升到1 000 W/m2。通過對圖8(a)~(d)的比較可以發(fā)現(xiàn)，實驗結果驗證了仿真得到的結果，即本文所提出的MPPT算法不僅追蹤速度快，沒有誤判，而且在穩(wěn)態(tài)沒有振蕩。

圖7 MPPT系統(tǒng)的實驗樣機

圖8 實驗比較各種MPPT方法

4 結論

本文采用基于參數(shù)的變步長MPPT算法，其包括改進的Beta法和改進的P&O法。當光照強度發(fā)生快速變化時，改進的Beta法可以實現(xiàn)快速的追蹤。同時改進的P&O法可以在穩(wěn)態(tài)找出三點振蕩的中值點并將其固定，從而消除振蕩使得輸出功率維持在最大。通過對本算法與傳統(tǒng)的定步長的P&O法、傳統(tǒng)的變步長VSSINC法以及傳統(tǒng)的Beta法進行仿真和實驗結果的比較，證明了本算法的優(yōu)越性。

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(編輯 魏小麗)

Research on an improved-based variable step MPPT algorithm

LI Xingshuo1, WEN Huiqing1, 2

(1. Dept of Electrical & Electronic Engineering, Xi’an Jiaotong-Liverpool University, Suzhou 215123, China; 2. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The current research on maximum power point tracking (MPPT) methods for photovoltaic power system application is reviewed. In order to solve the tradeoff between the steady-state efficiency and dynamic efficiency for the conventional MPPT algorithms, this paper proposes an improved β-based variable step MPPT method. Based on the curve ofb-V, the proposed method utilizes two different scaling factors for the solar irradiation increasing and decreasing. Therefore, the proposed method realizes the fast tracking MPP and eliminates misjudgments during the transient stage. Furthermore, the proposed method also realizes zero oscillation during the steady-state stage. In order to show the advantages of the propose method, the simulation analysis of main MPPT methods is carried out in Matlab/Simulink. Furthermore, an experimental prototype by using dSPACE and Solar Array Emulator is built and tested. The simulation and experimental results verify the advantages of the proposed algorithm including zero oscillation in steady state and fast tracking for dynamics. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407145) and the State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (No. EIPE15203).

maximum power point tracking (MPPT); variable step; fast tracking MPP; zero oscillation

10.7667/PSPC151656

國家自然科學基金(51407145)；電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(EIPE15203)資助

2015-09-16；

2015-10-28

李星碩(1989-)，男，博士研究生，研究方向為電力電子與光伏發(fā)電；E-mail:Xingshuo.Li@xjtlu.edu.cn 文輝清(1979-)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向為電動汽車、電力電子變換及可再生能源技術。E-mail:Huiqing.Wen@xjtlu.edu.cn