基于電導增量法的改進型MPPT仿真研究

喻景康　王慶磊　趙建強　王圣輝

【摘 要】傳統(tǒng)電導增量法未能減弱輸出功率震蕩，為此，在其基礎(chǔ)上改善擾動步長，使其更好地兼顧跟蹤速度和精度。Matlab/Simulink仿真實驗結(jié)果表明，該方法不僅在標準環(huán)境下體現(xiàn)出良好效果還能適應(yīng)外界的變化情況。

【關(guān)鍵詞】MPPT；電導增量法；擾動步長；Matlab/Simulink

【Abstract】Traditional conductance increment fails to weaken output power concussion， therefore， this paper improves the disturbance step on its basis so as to better take the tracking speed and accuracy into consideration. Matlab / Simulink simulation results show that this method not only show good results in standard environment but also can adapt to the changing conditions outside.

【Key words】MPPT； Conductance increment； Disturbance step； Matlab/Simulink

0 前言

光伏電池輸出特性呈非線性[1]，其輸出功率易受外界光照，溫度，負載的變化而變化，由此，人們研究追蹤最大功率點（Maximum Power Point，MPP）的方法。電導增量法[2]因其簡單易操作而受到較多的使用，但其在控制精度上仍未滿足現(xiàn)代較高的標準。由此，本文研究一種能適時改變擾動步長的方法，使其具有自動變化的功能，從而更好地跟蹤MPP。

1 電導增量法

依照表1中的電池規(guī)格參數(shù)，分析其算法原理。

表1中：Impp，Umpp-最大功率點處電流，電壓；Isc，Uoc-短路電流，開路電壓。

工程用數(shù)學模型[3]下的光伏電池在標準環(huán)境下采用電導增量法輸出U-P特性如圖1所示。

式（2）為電導增量法的原理，即通過判斷式（2）中電導與電導增量之和與零的大小關(guān)系來判定當前工作點所在區(qū)域，進而判定步長的改變方向。

2 改進型電導增量法

傳統(tǒng)電導增量法存在功率震蕩問題，導致輸出功率不穩(wěn)定，為此，本文在其基礎(chǔ)上仿真分析一種變步長方法。該法的核心在于，其以N·|dP/dU|作為步長，即當工作點未在MPP處附近時，能以較大步長靠近MPP，當工作點靠近MPP時，能以較小步長靠近MPP。具體控制如流程圖2所示。

3 仿真分析

通過Matlab/Simulink集成環(huán)境搭建仿真模型來驗證改進型電導增量法的有效性。仿真數(shù)據(jù)仍以表1中為例，負載為30Ω，Boost電路輸入端穩(wěn)壓電容為100uF，濾波電感為14.878mH，輸出端濾波電容為98.3uF，外界條件分別為標準環(huán)境（溫度25°C，日照強度1000 W/m2）和變化環(huán)境（t=0.5s時溫度從25°C降低至20°C，日照強度從1000W/m2降低至800W/m2），具體波形如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，改進型電導增量法在標準環(huán)境下具有很好的表現(xiàn)效果，并且能良好地適應(yīng)外界變化情況。總體來說，該法能較好地解決輸出功率震蕩問題。

4 結(jié)語

本文在分析了電導增量法的原理后，仿真分析一種改進型電導增量法，其實質(zhì)為變步長。Matlab/Simulink仿真實驗結(jié)果驗證了該法的有效性和體現(xiàn)出該法能降低光伏電池輸出功率震蕩的優(yōu)點。

【參考文獻】

[1]巢睿祺，王杰.太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制與仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（2）：81-87.

[2]湯濟澤，王叢嶺，房學法.一種基于電導增量法的MPPT實現(xiàn)策略[J].電力電子技術(shù)，2011，45（4）：73-75.

[3]李麗芳，江冰，吉正洵，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制仿真模型[J].計算機仿真，2015，32（4）：116-119，294.

[責任編輯：王偉平]

2.1.2 實踐教學內(nèi)容改革

本課程在很多高校都一直定位為理論性強的課程，很少有學校設(shè)置實驗，考慮到我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標和學生的就業(yè)走向，我們加強了實踐環(huán)節(jié)的訓練。一是，我們開發(fā)了基于MATLAB的仿真實驗系統(tǒng)，直接在課堂演示，彌補了實驗學時不足的問題，同時為學生實驗打下一個基礎(chǔ)。二是，我們充分挖掘?qū)嶒炇椰F(xiàn)有資源，精心開發(fā)設(shè)置了多個實驗項目，包括驗證性、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。三是，我們設(shè)置了大作業(yè)環(huán)節(jié)，以其提高學生的解決實際問題的能力，教師給出測量系統(tǒng)的設(shè)計要求和總體精度，要求學生自己查閱元器件相關(guān)參數(shù)，選擇合適的器件進行總精度評定；或者給出某一個工件，要求學生選擇合適的測量器具進行測量，并進行測量誤差的詳細分析，在此基礎(chǔ)上完成設(shè)計或測量分析報告。這樣的大作業(yè)類似于一個課程設(shè)計，學生可以結(jié)合所學內(nèi)容，解決關(guān)于精度評定和誤差分析與數(shù)據(jù)處理的實際問題，提高分析問題解決問題的能力。四是，注重在實踐中進行測量數(shù)據(jù)處理的基本能力訓練，我們自行開發(fā)了基于MATLAB的誤差與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、基于LabVIEW的精密測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求學生充分利用這些軟件對實驗結(jié)果進行誤差分析和不確定度評定。

2.2 教學條件建設(shè)

課程組編寫了高質(zhì)量的教學講義，既有紙質(zhì)稿，又有電子稿，自編了多媒體課件，編寫了《誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗指導書》、《誤差理論與數(shù)據(jù)處理習題集》，建成了本課程的輔助教學網(wǎng)站。目前在畢博教學平臺上的教學資源主要包括該課程的教學大綱（課程標準）、教學計劃安排表、學習指導書及教學參考書等各類輔助學習資料等教學文件，電子講義、多媒體課件、虛擬仿真實驗等電子教學資源，實驗教學內(nèi)容、實驗指導手冊、大作業(yè)實例等實踐性教學資源；課后習題、試題庫、模擬試卷及相應(yīng)的參考答案等考核性資源等。網(wǎng)絡(luò)資源方便學生課后的進一步學習，有效地彌補了課時不足的問題和課堂教學的局限性，培養(yǎng)了學生的自主學習能力。主講教師也可以通過網(wǎng)上授課系統(tǒng)、網(wǎng)上答疑系統(tǒng)和網(wǎng)上考試系統(tǒng)的交互功能及時掌握學生的學習情況和存在的問題，以進一步改進教學方法，提高整體教學質(zhì)量。用MATLAB和LabVIEW制作了誤差與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和精密測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，直接在課堂演示，彌補了實驗學時偏少的問題。

2.3 教學方法改革

在教學過程中，教學團隊采用了多層次、全過程的教學方法。在要求學生掌握誤差與數(shù)據(jù)處理的基本原理、基本方法的同時，更加著重實踐能力的訓練。我們將實踐能力分別通過實驗課程、大作業(yè)、畢業(yè)設(shè)計三個層次進行全過程不斷線地培養(yǎng)，取得了良好的教學效果。比如在講完測量不確定度評定這部分內(nèi)容后，隨即就在布置了相關(guān)的實際操作大作業(yè)中，讓學生進行實際的訓練，把課堂知識和實際應(yīng)用很好的結(jié)合了起來，學生感覺課堂學習有針對性，學習興趣提高了。近幾屆部分學生在完成誤差理論課程學習，實驗、大作業(yè)的鍛煉后，基本掌握了這部分知識。而在畢業(yè)設(shè)計中，學生進行系統(tǒng)設(shè)計或者測量方案選擇時，仍然需要用到這部分知識，課題組老師會繼續(xù)跟蹤進行指導。這樣通過多層次、全過程的反復學習和訓練，使學生真正理解了有關(guān)測量誤差方面的理論知識，對數(shù)據(jù)處理與分析在測控系統(tǒng)設(shè)計與檢測中的應(yīng)用有了更加深刻的體會，也進一步提高了學生分析問題、解決問題和創(chuàng)新實踐的能力，這為以后從事相關(guān)的工作奠定較好的實踐基礎(chǔ)。此外，學生通過網(wǎng)絡(luò)資源中的習題、自測試題、虛擬仿真實驗等進行自主學習、自主訓練，并且能夠針對自己的測薄弱環(huán)節(jié)進行有針對性的強化訓練；教師收集學生自主學習的信息，通過整理和分析能夠?qū)崟r掌握學生的學習狀況以及存在的問題，可以進一步改進教學方法，提高教學的有效性。

2.4 主講教師隊伍建設(shè)

利用課程建設(shè)的契機，課題組加強了師資隊伍建設(shè)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，樹立了良好的師德師風，課程組人員熱愛、忠誠社會主義教育事業(yè)，甘愿為之貢獻自己的聰明才智和畢生的精力，敬業(yè)樂業(yè)。備課認真，從不馬虎。上課前都做到必備的幾個基本教學元件：教學大綱、課程計劃、教案、講稿、平時成績記錄表。踏實的工作作風和極強的全局觀念，使課程的各項建設(shè)順利進行。第二，提高自身業(yè)務(wù)素質(zhì)，我們一貫注重教學方法的研究，我們認為具有深的理論知識和強的實際動手能力是必須的，但同時必須要有高超的教學方法。我們采取同行聽課的方式，共同磋商教學方法，使教學藝術(shù)水平不斷提高；主講教師還開設(shè)其他相關(guān)課程，有前期課程和后續(xù)課程，這樣能切身體會課程在整個教學計劃中起的作用，更能知道該課程與其它課程的聯(lián)系，有助于提高教師的業(yè)務(wù)水平，如我們有的教師承擔了《互換性與測量技術(shù)》、《產(chǎn)品質(zhì)量檢測技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》等課程的教學任務(wù)，在課程的講授中非常自然的將這些課程聯(lián)系起來。通過多年的努力，課程組核心成員的教學能力得到顯著提升。教師開發(fā)的優(yōu)質(zhì)教學資源獲得江蘇省高校多媒體課件一等獎1項，全國多媒體課件大賽二等獎2項，三等獎2項，優(yōu)秀獎2項；教師獲得江蘇省高等教育教學成果獎一等獎1項、學校教學成果獎特等獎1項、一等獎2項；教師主持的課程建設(shè)項目獲江蘇省精品課程1門、校精品課程7門；主持江蘇省高等教育教改研究立項課題2項，完成江蘇省教育科學“十一五”規(guī)劃課題1項，校級教學改革課題15項，出版教材7部；在《實驗室研究與探索》、《電氣電子教學學報》等期刊發(fā)表教學研究論文20余篇。

3 課程建設(shè)中存在的問題及思考

目前教學中所用教材是部優(yōu)教材，但由于編著者多為研究型或教學研究高校的老師，所以內(nèi)容偏理論，部分內(nèi)容講述過深，而實踐應(yīng)用部分內(nèi)容相對較少，實例也較少?？梢钥紤]和其它同層次相近專業(yè)老師合作編寫適合于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標的教材，以便得更好的教學效果。隨著科技的不斷發(fā)展，測控技術(shù)逐步由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)測控、由離線測量轉(zhuǎn)向在線測量，因此需要加大這方面測量數(shù)據(jù)處理理論與方法的講述，或者進一步開設(shè)配套的專業(yè)選修課，為學生的繼續(xù)學習提供平臺。

【參考文獻】

[1]宋愛國，崔建偉，符金波.“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程的教學改革[J].電氣電子教學學報，2012，34（1）：12-13.

[2]費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].6版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]范錦彪，馬鐵華，杜紅錦，等.“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”課程的教學改革與實踐[J].中國電力教育，2014（5）：140-141.

[4]吳石林，張玘，劉國福，等.《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》課程教學改革初探[J].高等教育研究學報，2013，34（4）：80-81.

[5]王中宇，劉智敏，夏新濤，等.測量誤差與不確定度評定[M].北京：科學出版社，2008.

[6]王雪，曾建奎，李作進.誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程教學改革探索[J].重慶科技學院學報：社會科學版，2016（3）：128-131.

[責任編輯：楊玉潔]