一種用于光伏MPPT的分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

吳 雷，杜 蘅，徐 鵬

(江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，江蘇無錫214122)

一種用于光伏MPPT的分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

吳 雷，杜 蘅，徐 鵬

(江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，江蘇無錫214122)

針對(duì)傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)控制算法跟蹤精度和速度不能兼顧的問題，提出一種分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法。該算法將光伏電池輸出曲線劃分為兩階段，根據(jù)不同階段的曲線特性分析比較，從而進(jìn)行步長(zhǎng)模式的切換，在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)階段采用大步長(zhǎng)跟蹤，而在最大功率點(diǎn)附近的穩(wěn)態(tài)階段則采用小步長(zhǎng)跟蹤。仿真結(jié)果表明，該方法快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，且有效降低了系統(tǒng)最大功率點(diǎn)附近的振蕩，提高了光伏電池的利用效率。

光伏陣列；最大功率點(diǎn)跟蹤；變步長(zhǎng)；電導(dǎo)增量法

太陽能是一種清潔無污染的能源，而作為光電轉(zhuǎn)換“媒介”的光伏電池其輸出具有典型的非線性特性。此外，光伏電池的輸出也極易受到外界環(huán)境變化的影響，因此對(duì)于最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的研究具有重要意義[1]。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了多種MPPT控制策略，最為典型的有：擾動(dòng)觀察(P&O)法、電導(dǎo)增量(INC)法、固定電壓(CV)法和固定電流(CC)法等[2-4]。固定算法控制簡(jiǎn)單，但是精度不夠。擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法相比固定算法精度上有所改善，但是在步長(zhǎng)選取上也難以兼顧跟蹤精度和速度[5]?；诖耍墨I(xiàn)[6]根據(jù)光伏電池輸出曲線的特性，提出了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，在該方法中步長(zhǎng)系數(shù)N決定了MPP的跟蹤效果，但是由于值的不確定性，調(diào)整適合特定光伏系統(tǒng)的步長(zhǎng)系數(shù)N比較繁瑣而且復(fù)雜。

本文基于光伏電池等效電路及數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink搭建了光伏電池的仿真模型，將實(shí)際光伏電池產(chǎn)品參數(shù)帶入并進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上深入分析光伏電池在不同階段的輸出特性曲線，提出了分階段變步長(zhǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略。利用仿真系統(tǒng)對(duì)分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法在外界環(huán)境條件突變情況下的MPPT分別進(jìn)行了仿真，并且對(duì)這兩種算法在動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程的仿真結(jié)果進(jìn)行了深入的對(duì)比性分析。

1 光伏電池輸出特性

根據(jù)文獻(xiàn)[7]光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

由圖1，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得[8]：

本文使用的光伏電池模型參數(shù)基本按照電池組件Solarex MSX60 60W所提供的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。光伏電池在不同光照、溫度下的仿真結(jié)果如圖2所示，可知光伏電池的輸出特性曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且在不同外界環(huán)境條件下最大功率點(diǎn)有所不同。

2 分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

2.1 電導(dǎo)增量法基本思想

從圖2的P-U曲線中可以看出，在最大功率點(diǎn)時(shí)P-U曲線的斜率為零，從而可以推出公式(2)。

圖2 光伏電池P-U曲線

即：

電導(dǎo)增量法正是最終通過式(3)來判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點(diǎn)，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)，保持當(dāng)前電壓不變；當(dāng)時(shí)，此時(shí)應(yīng)增大當(dāng)前工作點(diǎn)電壓；當(dāng)時(shí)，此時(shí)應(yīng)減小當(dāng)前工作點(diǎn)電壓[10]。

電導(dǎo)增量法相比其他傳統(tǒng)控制算法，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度。但電導(dǎo)增量法步長(zhǎng)的選取會(huì)影響到跟蹤效果，步長(zhǎng)選取過小，提高了跟蹤精度，卻降低了跟蹤速度，若步長(zhǎng)選取過大，則反之。

2.2 分階段變步長(zhǎng)控制策略分析

如圖3所示，以最大功率點(diǎn)(MPP)為分界點(diǎn)將光伏電池特性曲線分為A-B、B-C兩階段分別來討論。在光伏電池特性曲線的A-B段得到如圖4所示的輸出特性曲線。

圖3 光伏電池輸出特性曲線

圖4 光伏電池A-B階段輸出特性曲線

將式(2)代入式(4)得：

即：

圖5 A-B階段不同區(qū)間劃分

圖6 光伏電池B-C階段輸出特性曲線

圖7 B-C階段不同區(qū)間劃分

綜上所述，可通過式(13)來切換最大功率點(diǎn)跟蹤步長(zhǎng)模式。

算法流程圖如圖8所示。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的MPPT控制算法的有效性，在Matlab/Simulink軟件下對(duì)傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法和提出的分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法進(jìn)行了仿真比較分析。主電路選擇Boost DC/DC變換電路，光伏電池模型標(biāo)準(zhǔn)條件下的參數(shù)=60 W，最大功率點(diǎn)電壓和電流分別為=17.1 V，=3.5 A，開路電壓=21.1 V，短路電流=3.8 A。系統(tǒng)采樣周期=0.000 5 s,開關(guān)頻率=20 kHz。光伏電池溫度設(shè)置為=25℃，光照設(shè)置為每0.2 s變化一次，由初始光照1 000 W/m2逐漸遞增到2 000 W/m2，之后再逐漸遞減回1 000 W/m2。兩種算法的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 算法流程

圖9 (a)～(c)分別為隨著光照變化，不同算法控制下光伏電池功率變化波形；圖9(d)展示了變步長(zhǎng)算法的步長(zhǎng)變化情況。可以看出，在啟動(dòng)和光照突變的動(dòng)態(tài)過程中，系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，變步長(zhǎng)算法采用大步長(zhǎng)跟蹤，在最大功率點(diǎn)附近的穩(wěn)定階段則保持小步長(zhǎng)跟蹤；圖9(e)展示了在=25℃，= 1 000 W/m2情況下的動(dòng)態(tài)階段，變步長(zhǎng)、固定大步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在=0.02 s前跟蹤到MPP，而固定小步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在=0.12 s后才跟蹤到MPP。圖9(f)展示了在=25℃，=1 500 W/m2情況下的穩(wěn)態(tài)階段，變步長(zhǎng)、固定小步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法較平穩(wěn)地跟蹤MPP，而固定大步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在MPP附近有3 W左右的振蕩。仿真結(jié)果表明，本文提出的分階段變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法對(duì)比傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法在MPPT上具有優(yōu)勢(shì)。

圖9 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

[1]黃舒予，牟龍華，石林.自適應(yīng)變步長(zhǎng)MPPT算法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，23(5):26-30.

[2]QUOC D P,NHAT Q N,PHUONG L M,et al.The new combined Maximum Power Point Tracking algorithm using fractional estimation in photovoltaic systems[C]//Power Electronics and Drive Systems(PEDS),2011 IEEE Ninth International Conference.US:IEEE,2011:919-923.

[3]劉琳，陶順，鄭建輝，等.基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(8):56-61.

[4]吳俊娟，姜一達(dá)，王強(qiáng)，等.一種改進(jìn)的光伏系統(tǒng)MPPT控制算法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2012，33(3):478-484.

[5]楊永恒，周克亮.光伏電池建模及MPPT控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(1):229-234.

[6]LIU F R,DUAN S X,LIU F,et al.A variable step-size INC MPPT method for PV systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2622-2628.

[7]張厚升，趙艷雷.多項(xiàng)擬合的光伏電池陣列模擬器研究與設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(2):109-113.

[8]MARIUS P,JAN C G,BENEDIKT B.Efficiency limit and example of a photonic solar cell[J].Applied Physics,2011,18(8):431-433.

[9]黃勤，趙靖，凌睿，等.基于改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的MPPT控制[J].計(jì)算機(jī)工程，2013，39(2):245-249.

[10]李國(guó)友，劉立剛.光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法[J].電源技術(shù)，2011，35(12):1534-1536.

Staged variable step size INC MPPT method for PV system

Aiming at the problem that photovoltaic Maximum Power Point Tracking(MPPT)control algorithms could not balance between tracking speed and accuracy,a staged variable step size incremental conductance algorithm was proposed.The output characteristic curve of photovoltaic cell was divided into two stages for analysing.Through the analysis and comparison of performance characteristics of different stage,the step model was switched to chose suitable step size for photovoltaic cell different operation stage.Simulation results show the algorithm can track MPP quickly and reduce the oscillations around the MPP,and improve the utilization efficiency of the photovoltaic cell.

photovoltaic array;maximum power point tracking;variable step size;incremental conductance

TM914

A

1002-087 X(2016)03-0617-04

2015-08-22

2012年省產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新項(xiàng)目

吳雷(1962—)，男，江蘇省人，副教授，主要研究方向?yàn)楦袘?yīng)加熱電源、新能源發(fā)電與控制技術(shù)。