基于SG/Simulink的一種改進MPPT算法

王海燕，秦 健，王旭佳

(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海200090)

基于SG/Simulink的一種改進MPPT算法

王海燕，秦 健，王旭佳

(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海200090)

針對傳統(tǒng)MPPT算法響應(yīng)速度慢和追蹤精度不夠理想的特點，分析了光伏電池在不同環(huán)境下的輸出特性，提出一種改進的變步長擾動觀測法，即采用新的自適應(yīng)步長公式 作為擾動步長，使光伏電池以較大步長快速接近最大功率點，然后以較小步長穩(wěn)定于最大功率點。在SG/Simulink混合建模仿真平臺下進行了仿真，所得結(jié)果表明算法可顯著提高最大功率點追蹤速度與精度。

MPPT；擾動觀測(P&O)法；System Generator(SG)

太陽能作為一種清潔能源，在人類面臨化石能源枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，成為許多國家大力發(fā)展的新興能源，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用太陽能電池板進行光伏發(fā)電成為一種行之有效的方式[1]。

最大功率跟蹤(MPPT)控制技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電中最主要的控制技術(shù)之一。目前常見的MPPT控制方法主要包括恒壓(CV)法[2]、擾動觀測(P&O)法[3]、增量電導(dǎo)(INC)法[4]等,其中擾動觀測法具有算法結(jié)構(gòu)簡單、硬件實現(xiàn)容易的特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文在研究分析傳統(tǒng)擾動觀測法的基礎(chǔ)之上，提出一種改進的擾動觀測法，并以FPGA作為硬件實現(xiàn)平臺，通過SG/Simulink混合仿真對改進算法的有效性進行驗證。

1 光伏電池的特性

1.1 光伏電池數(shù)學(xué)模型

太陽光照射光伏電池時，由于光生伏特效應(yīng)， 光伏電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。光生伏特效應(yīng)的本質(zhì)是利用半導(dǎo)體的PN結(jié)特性實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此光伏電池的等效模型可以采用單二極管的等效電路模型來描述[5-6]，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路模型

其中，恒流源Iph與二極管D并聯(lián)；Rp和Rs分別表示電池內(nèi)部的串聯(lián)和并聯(lián)電阻。將溫度與光照兩個影響光伏電池輸出特性的重要變量作近似處理，恒流源Iph的值等于光伏電池的短路電流。光伏電池的的I-V特性方程為

(1)

P-V特性方程為

(2)

式中，Iph為光生電流；I0為反向飽和電流；U為光伏電池輸出電壓；q為電荷常數(shù)，取值為1.6×10-19eV；K為玻爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23；T為系統(tǒng)工作溫度；A為二極管理想品質(zhì)因數(shù)。

1.2 光伏電池輸出特性

光伏電池輸出特性主要受光照強度、光伏電池溫度兩個變量的影響，根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab/Simulink搭建模型進行仿真，圖2為光伏電池溫度保持25 ℃，改變光照強度后得到的P-U曲線。圖3為光照強度保持1 000 W/m,改變光伏電池溫度后得到的P-U曲線。

圖2 不同光照強度下光伏電池P-U曲線

圖3 不同溫度下光伏電池P-U曲線

從以上仿真曲線可以看出，太陽能光伏電池是一種典型的非線性元件，在不同的溫度、光照下，可以輸出不同的電壓，且其輸出功率隨輸出電壓的升高先升后降，因此存在輸出功率最大點，即最大功率點。

2 新型擾動觀測(P&O)法

光伏組件與負載間通常由直流變換電路(DC-DC)相適配，本文選用Boost電路作為直流升壓變換電路，Boost電路的輸入、輸出電壓關(guān)系為

Upv=U0(1-D)

(3)

式中，Upv為光伏陣列輸出電壓；U0為Boost電路輸出電壓；D為Boost電路中IGBT的占空比。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變電路控制Boost電路輸出電壓恒定，即U0值不變。由式(3)知，調(diào)節(jié)占Boost電路空比D，可以改變光伏組件的輸出電壓，從而使光伏電池輸出電功率穩(wěn)定在最大功率點。

2.1 傳統(tǒng)擾動觀測法

傳統(tǒng)擾動觀測法主要為定步長擾動觀測法，其原理為：每隔一段時間以固定的步長ΔD擾動Boost電路占空比D，觀測前后功率的變化方向，根據(jù)功率的變化方向，決定下一時刻的擾動方向。由圖2～圖3光伏電池的P-U特性曲線可知：最大功率點左側(cè)dP/dV>0，應(yīng)減小占空比D；最大功率點右側(cè)dP/dV<0，應(yīng)增大占空比D；最大功率點處dP/dV=0，D保持不變。傳統(tǒng)擾動觀測法算法簡單、易于硬件實現(xiàn)，但追蹤速度較慢，且輸出功率在最大功率點處振蕩較大，因此造成了光伏電池輸出功率的損失。

2.2 改進的擾動觀測法

針對傳統(tǒng)擾動觀測法中存在的問題，文獻[8]提出以固定電壓啟動，通過觀測dp數(shù)值大小來劃分步長的擾動觀測法。該算法實質(zhì)上是一種定步長算法，雖然能獲得低振幅的輸出功率，但追蹤最大功率點的速度較慢，原因在于算法的擾動步長是固定的，追蹤效果受切換步長的判定區(qū)間影響較大。文獻[7]采用變步長的擾動觀測法，由變步長計算公式Step=kΔP/ΔV確定算法的擾動步長，相較于文獻[8]能獲得更快的MPPT追蹤速度，但硬件實現(xiàn)時，由于引入除法運算，會占用較多的FPGA邏輯資源與機器周期，降低算法在硬件上的行速度。

因此本文提出一種改進的變步長擾動觀測法，并定義新的自適應(yīng)步長公式為

Step=N×(dV·dP)

(4)

式中，N為正數(shù)，即變步長速度因子，用于調(diào)整步長的變化速度。同時，根據(jù)式(4)可以構(gòu)造電壓擾動表達式

Vref=Vref+Step=Vref+N×(dV·dP)

(5)

式中，dV·dP的符號與dV/dP一致，即光伏電池工作在最大功率點左側(cè)時，Step為正數(shù)，輸出電壓Vref不斷增大；光伏電池工作在最大功率點右側(cè)時，Step為負數(shù)，輸出電壓Vref不斷減??；光伏電池工作在最大功率點時，Step為零，輸出電壓Vref穩(wěn)定不變。對應(yīng)到圖2～圖3中光伏電池的P-U特性曲線上，光伏電池的輸出功率總是朝最大功率點移動，并最終穩(wěn)定于最大功率點。

改進的變步長擾動觀測法的控制策略為：每隔一段時間計算 |P(k)-P(k-1)|的值，ε為接近于零的很小的數(shù)，若|P(k)-P(k-1)|的值>ε，則由式(5)自適應(yīng)的更新擾動步長Vref，若|P(k)-P(k-1)|的值小于常數(shù)ε則跟新P(k),V(k),然后結(jié)束返回。算法流程如圖4所示。

圖4 改進的變步長擾動觀察法算法流程圖

3 SG建模

System Generator(SG)是Xilinx公司開發(fā)的Matlab/Simulink環(huán)境下的一個工具箱，它可在Matlab/Simulink的環(huán)境下建立數(shù)字信號處理系統(tǒng)的抽象算法，并將抽象算法轉(zhuǎn)化成可靠的硬件實現(xiàn)[9]。

SG的使用方法與Simulink中其它庫的使用方法相類似，只要將所需的模塊放置到編輯區(qū)進行設(shè)計即可。但由于SG庫要用于生成VHDL代碼，所以它和其它的Simulink庫又有所不同[10]。首先，SG中處理的是定點數(shù)運算。大多數(shù)Simulink模塊使用雙精度浮點數(shù)進行運算并輸出，因此需要使用Gateway In模塊將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成定點數(shù)，以實現(xiàn)SG與Simulink之間的無縫整合。其次，SG中的模塊只能以固定的步長運行。它的每個步長代表FPGA中的一個時鐘周期，但它并不是FPGA的實際工作頻率。

為驗證改進擾動觀測法在不同環(huán)境條件下追蹤最大功率點的快速性和穩(wěn)定性，在Matlab/Simulink中利用SG工具箱搭建算法仿真模型如圖5所示。

模型中主要包括光伏電池(PV)模塊、MPPT模塊、PWM模塊和Boost升壓電路模塊,設(shè)計PV模塊時，為簡化結(jié)構(gòu)、增強實用性，選擇搭建基于外特性模型的光伏電池Simulink模型[11-12]。

根據(jù)上述改進擾動觀測法的基本原理，選擇SG工具箱中的基本模塊組合成MPPT模塊，如圖6所示。

圖6 SG組建的MPPT模塊

設(shè)計的MPPT模塊中主要包括乘法器、加法器以及寄存器，由于改進擾動觀測法采用了新的變步長計算公式，因此省略掉了判斷dV是否為0的分支，用乘法運算代替了除法運算，這樣整個模塊結(jié)構(gòu)變得更簡單且硬件實現(xiàn)時占用FPGA資源更少。

MPPT模塊中處理的數(shù)據(jù)均為定點數(shù)。在選擇定點數(shù)位寬時，所取的位寬越長，能表示數(shù)值范圍越大，精度也越高，但這樣會消耗更多的硬件資源，降低算法的運行速度?？紤]到光伏電池輸出電壓、電流和功率數(shù)值的范圍較小，將定點數(shù)的位寬設(shè)置為32位，1位符號位、15位整數(shù)位和16位小數(shù)位，是足夠的。

4 仿真結(jié)果及分析

運行基于SG/Simulink混合建模法搭建的改進擾動觀察法仿真模型。設(shè)置SG仿真步長為0.001 s，采樣周期為0.001 s，選用的FPGA芯片型號為XC6SLX150T-2FGG484。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下：T=25 ℃，S=1 000 W/m2,步長速度因子N分別取0.005和0.001，其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)狀況下光伏電池板輸出功率

設(shè)置初始工作條件為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，溫度保持不變，t=0.4 s時，外界光強增加為2 000 W/m2；t=0.8 s時，外界光強降低為1 500 W/m2，步長速度因子N分別取0.005和0.001，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 光照強度變化時光伏電池板輸出功率

設(shè)置初始工作條件為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，光強保持不變，t=10.4 s時，將溫度升高到T=40 ℃；t=0.8 s時，將溫度降低到T=10 ℃，步長速度因子N分別取0.005和0.001，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫度變化時光伏電池板輸出功率

由圖7可知，N取值0.001時，系統(tǒng)快速追蹤到了最大功率點，時間約0.04 s。N取值0.005時，由于擾動步長的增加，追蹤速度加快，系統(tǒng)達到最大功率點的時間縮短為0.03 s，雖然輸出功率波動略有增值在允許波動范圍之內(nèi)。

由圖8～圖9可知：環(huán)境因素突變時，選取較大的N值，可以獲得更快的響應(yīng)速度，光伏電池總是穩(wěn)定輸出當(dāng)前條件下所能達到的最大功率。

仿真結(jié)束后點擊Generator可以生成HDL網(wǎng)表、NGC網(wǎng)表等多種網(wǎng)表文件，在其生成網(wǎng)表文件的同時還可以選擇生成Testbench文件，用于ISIM、Modelsim等第三方軟件的仿真。本設(shè)計中選擇生成HDL網(wǎng)表，生成結(jié)果消耗資源如表1所示。

表1 MPPT模塊所需FPGA資源

綜合圖7～圖9及表1分析，改進的擾動觀測法硬件實現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)更簡單、所需FPGA資源更少，在標(biāo)準(zhǔn)條件下或環(huán)境突變時，均能快速追蹤到最大功率點，并保持穩(wěn)定的輸出功率。當(dāng)N取值0.005時，達到最大功率點只要0.03 s，這優(yōu)于文獻[8]中0.16 s、文獻[7]中0.1 s的MPPT追蹤時間，也優(yōu)于傳統(tǒng)定步長擾動觀測法0.3 s的MPPT追蹤時間[13]。

5 結(jié)束語

本文在對傳統(tǒng)擾動觀測法進行研究與分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的變步長擾動觀測法，該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、MPPT響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定的特點，通過使用SG和Simulink標(biāo)準(zhǔn)工具箱對改進的算法進行混合建模仿真，驗證了算法的快速性與穩(wěn)定性。采用SG/Simulink混合建模仿真，相較于傳統(tǒng)的VHDL語言設(shè)計而言更加簡單、直觀，使設(shè)計者可以將精力集中于算法的功能實現(xiàn)，提高了設(shè)計效率，為下一步光伏MPPT算法的FPGA實現(xiàn)提供了新的工具與手段。

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An Improved MPPT Algorithm Based on SG/Simulink

WANG Haiyan，QIN Jian，WANG Xujia

(School of Automatic Engineering,Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China)

Aiming at the problems that tracking speed and precision are not ideal in the traditional MPPT algorithm,the output characteristics of PV cells under different environment were analyzed,and an improved variable step size perturbation method is proposed.The algorithm use the new adaptive step size formal as the disturbance step length.It makes the photovoltaic cells in large steps to quickly approach the maximum power point, and then in a smaller step to stabilize the maximum power point.Finally,the simulations are carried out under the SG / Simulink hybrid modeling and simulation platform. The results show that the algorithm can significantly improve the maximum power point tracking speed and accuracy.

MPPT；disturbance observer method；System Generator(SG)

2016- 11- 16

上海市電站自動化重點實驗室資助項目(13ZD2273800)

王海燕(1976-)，女，副教授。研究方向：電站自動化等。秦健(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.026

TM914.4

A

1007-7820(2017)04-103-04