光伏系統(tǒng)功率跟蹤算法的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

肖文波 余曉鵬

摘 ?要： 將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，為此，文中討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺(tái)。通過仿真結(jié)果對(duì)比研究上述方法，得出擾動(dòng)觀察法跟蹤算法簡(jiǎn)單，其特點(diǎn)是震蕩中搜索電池輸出最大功率點(diǎn);電導(dǎo)增量法的特點(diǎn)是平穩(wěn)且快速的搜索到最大功率點(diǎn)。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺(tái)的開發(fā)提供一種途徑。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電; 最大功率點(diǎn)跟蹤; 仿真平臺(tái); 擾動(dòng)觀察法; 電導(dǎo)增量法; Matlab

中圖分類號(hào)： TN830.4?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0104?04

Abstract： The application of the virtual simulation technology in experimental courses can help to improve the teaching quality. Therefore， the principles of the perturbation observation method and conductance increment method are discussed in this paper for the maximum power tracking algorithm of the photovoltaic system， for which the simulation platform is established with the Matlab/Simulink. The above methods are comparatively researched by the simulation. The results show that the tracking algorithm of the perturbation observation method is simple and has the characteristics of searching the maximum power point output by the battery during oscillation， and the conductance increment method has the characteristic of searching the maximum power point stably and fast. The research can provide an approach for the simulation platform development of the photovoltaic power generation technology.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; simulation platform; perturbation observation method; conductance increment method; Matlab

0 ?引 ?言

隨著國(guó)家重視并開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，許多學(xué)校重視并開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[1?3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，不僅避免了實(shí)驗(yàn)條件等限制，又可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)獨(dú)立開展更多的探索性、研究性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)緩解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)之間的矛盾，還有利于學(xué)生掌握現(xiàn)代仿真軟件工具、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[4?8]。最近，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，許多高校開設(shè)了相關(guān)課程。但是光伏發(fā)電本身具有非線性和時(shí)變性，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，且受外界天氣因素影響巨大[9]，所以相關(guān)理論教學(xué)難以形象闡述這部分教學(xué)內(nèi)容，尤其是光伏發(fā)電量最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[10]。由此，開發(fā)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤仿真技術(shù)的平臺(tái)，對(duì)于教學(xué)十分重要[11?12]。

為此，本文討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺(tái)。通過仿真結(jié)果對(duì)比研究，得出擾動(dòng)觀察法跟蹤算法簡(jiǎn)單，采樣的精度要求低且跟蹤速度較快;電導(dǎo)增量法可快速穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)且輸出平穩(wěn)，但是對(duì)采樣的精度要求較高。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺(tái)開發(fā)提供一種途徑。

1 ?最大功率點(diǎn)跟蹤算法的原理

光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤原理是在給定條件下讓電池產(chǎn)生的電能高效地傳輸給負(fù)載，使系統(tǒng)的能量利用率盡量的提高?；驹砣鐖D1所示，圖中橫坐標(biāo)是電池輸出電壓（V），縱坐標(biāo)是電池輸出功率（P）。通過對(duì)比電池當(dāng)前輸出功率與前一次功率的大小，判斷電池輸出最大功率的方向;然后通過增加或減少負(fù)載的大小調(diào)整輸出電壓，以達(dá)到電池輸出功率最大。

圖1 ?最大功率點(diǎn)跟蹤示意圖

目前，光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤算法大體可以分為擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法及其相關(guān)改進(jìn)算法[13]。常用的有兩種就是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。擾動(dòng)觀察法又稱為爬山法[14]，該方法原理簡(jiǎn)單，其主要原理是通過不斷擾動(dòng)光伏系統(tǒng)當(dāng)前輸出電流或者電壓，采集擾動(dòng)后的輸出電流和電壓并計(jì)算輸出功率，將輸出功率與前一次的功率進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來判定下一次的擾動(dòng)方向。電導(dǎo)增量算法[15]是以電導(dǎo)和瞬時(shí)電導(dǎo)的比較確定最大功率點(diǎn)位置，具體是依據(jù)輸出功率與電壓曲線的斜率判斷：如果斜率大于0，那么輸出電壓應(yīng)該在最大功率點(diǎn)的左邊曲線;如果斜率小于0，那么是在最大功率點(diǎn)的右邊曲線;如果斜率等于0，那么正好為最大功率點(diǎn)輸出（也即滿足電流對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)等于負(fù)的電流除以電壓：[dIdV=-IV]）。下面對(duì)擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法具體流程進(jìn)行說明。

擾動(dòng)觀察法判斷流程如圖2所示。

具體過程如下：控制器首先采集2個(gè)相鄰時(shí)刻的電壓和電流V（k），I（k），V（k-1），I（k-1），然后分別計(jì)算出它們的功率P（k），P（k-1）。通過求兩功率之差dP=P（k）-P（k-1）來判斷下一步擾動(dòng)的方向。如果dP>0且V（k）-V（k-1）>0，則電壓向右邊擾動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)V（k）= V（k）+ΔV（ΔV是擾動(dòng)步長(zhǎng)）;其他情況類似，直到找到最大功率點(diǎn)。

圖2 ?擾動(dòng)觀察法流程圖

電導(dǎo)增量法具體跟蹤過程如圖3所示?？刂破魇紫炔杉硶r(shí)刻的電壓V（k）和電流I（k），然后計(jì)算出此時(shí)電壓、電流微分dV，dI。通過dV，dI與0及[dIdV=-IV]比較來判斷下一步擾動(dòng)的方向。當(dāng)[dIdV=-IV]時(shí)，說明正工作在最大功率點(diǎn);當(dāng)[dIdV>-IV]時(shí)，說明在最大功率點(diǎn)的左邊，此時(shí)增加一個(gè)固定電壓值V（k）=V+ΔV;當(dāng)[dIdV<-IV]時(shí)，表明在最大功率點(diǎn)的右邊，此時(shí)減小一個(gè)固定電壓值V（k）=V-ΔV。

圖3 ?電導(dǎo)增量法的流程圖

2 ?仿真電路圖

通過Matlab/Simulink模塊建立擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法的仿真圖。擾動(dòng)觀察法的算法思想是：由輸出功率值的變化決定下一步占空比的變化方向。如果功率增加，則搜索方向不變;如果功率減小，則搜索方向相反。具體電路仿真如圖4所示。

電導(dǎo)增量法的算法思想是：由[dIdV]與[-IV]之間的關(guān)系來決定下一步占空比的變化方向。如果[-dIdV=IV]，則搜索方向不變;如果[-dIdV=IV]，則搜索方向相反。具體電路仿真圖5所示。

圖4 ?擾動(dòng)觀察法電路模型圖

圖5 ?電導(dǎo)增量法電路模型圖

3 ?仿真結(jié)果討論

設(shè)置光伏電池短路電流Isc=4.75 A、開路電壓Voc=21.25 V、最大功率點(diǎn)處的電流Im=4.51 A、電壓Vm=17.25 V為初始數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間段為0.4 s。在0 s，0.1 s，0.2 s， 0.3 s時(shí)刻電池所處環(huán)境條件分別為1 200 W/m2，25 ℃;900 W/m2，25 ℃;600 W/m2，25 ℃;1 000 W/m2，25 ℃。記錄光伏電池的最大功率輸出數(shù)據(jù)，以及擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法最大功率跟蹤數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 ?仿真結(jié)果

從圖6可以看出，在相同的光強(qiáng)和溫度條件下，不同方法尋優(yōu)達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤的速度不同。電導(dǎo)增量法比擾動(dòng)觀察法更快搜索到電池輸出最大功率點(diǎn)并穩(wěn)定下來;而擾動(dòng)觀察法總是在震蕩中搜索電池輸出最大功率點(diǎn)。此外， 還發(fā)現(xiàn)在環(huán)境條件改變的情況下，電導(dǎo)增量法也能平穩(wěn)地搜索到最大功率點(diǎn)。由此可以說電導(dǎo)增量法性能優(yōu)于擾動(dòng)觀察法。

4 ?結(jié) ?論

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。為此，本文討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺(tái)。通過仿真結(jié)果對(duì)比研究上述方法，得出擾動(dòng)觀察法跟蹤算法簡(jiǎn)單，其特點(diǎn)是震蕩中搜索電池輸出最大功率點(diǎn);電導(dǎo)增量法的特點(diǎn)是平穩(wěn)且快速地搜索到最大功率點(diǎn)。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺(tái)的開發(fā)，提供一種途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 王本永，劉春生，孫月華.液壓與氣壓傳動(dòng)課程虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)探究[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2013（5）：56?57.

WANG Benyong， LIU Chunsheng， SUN Yuehua. Research on virtual prototype simulation teaching of hydraulic and pneumatic transmission course [J]. Heilongjiang education （Higher education research & appraisal）， 2013（5）： 56?57.

[2] 顧曉薇，王青，楊天鴻，等.東北大學(xué)采礦工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（10）：141?143.

GU Xiaowei， WANG Qing， YANG Tianhong， et al. Construction and practice of national virtual simulation experiment teaching center of mining engineering in Northeastern University [J]. Education teaching forum， 2016（10）： 141?143.

[3] 周世梁.基于We平臺(tái)的核電廠仿真綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)模式[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，37（11）：34?35.

ZHOU Shiliang. The guidance mode for comprehensive experimental teaching of nuclear power plant simulation based on the We platform [J]. Physics experimentation， 2017， 37（11）： 34?35.

[4] 馬勇，查國(guó)翔，王聰.電力電子教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（12）：63?65.

MA Yong， ZHA Guoxiang， WANG Cong. Construction and research of virtual simulation platform for power electronics teaching [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（12）： 63?65.

[5] 張瑤，劉樹青，吳金嬌.仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2015（23）：14?15.

ZHANG Yao， LIU Shuqing， WU Jinjiao. Application of simulation experiment in practical teaching [J]. China modern educational equipment， 2015（23）： 14?15.

[6] 彭芳麟，梁穎，劉振興.在計(jì)算物理基礎(chǔ)課中用Matlab培養(yǎng)學(xué)生的編程能力[J].大學(xué)物理，2013，32（9）：9?14.

PENG Fanglin， LIANG Ying， LIU Zhenxing. How to develop students′ programming abilities for computation with Matlab in courses of computational physics？ [J]. College physics， 2013， 32（9）： 9?14.

[7] 趙法剛，周海濤，楊保東，等.現(xiàn)代物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，19（4）：178?181.

ZHAO Fagang， ZHOU Haitao， YANG Baodong， et al. Exploration and practice of the modern physics virtual simulation experiment center [J]. Laboratory science， 2016， 19（4）： 178?181.

[8] 尹志會(huì).利用現(xiàn)代信息技術(shù)改善大學(xué)物理教學(xué)淺析[J].教育與職業(yè)，2014（5）：131?132.

YIN Zhihui. Using modern information technology to improve college physics teaching [J]. Education and vocation， 2014（5）： 131?132.

[9] 楊詩晨，劉燦，徐鐵鋼.太陽能電池特性的研究：一項(xiàng)有意義的創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)[J].物理與工程，2014，24（2）：69?72.

YANG Shichen， LIU Can， XU Tiegang. Research on characteristic of solar battery： a significant innovation research experiment [J]. Physics and engineering， 2014， 24（2）： 69?72.

[10] LOUKRIZ A， HADDADI M， MESSALTI S. Simulation and experimental design of a new advanced variable step size incremental conductance MPPT algorithm for PV systems [J]. ISA transactions， 2016， 62： 30?38.

[11] 張麗萍，朱堯富，馬立新.仿真技術(shù)在光伏系統(tǒng)功率跟蹤中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（8）：114?117.

ZHANG Liping， ZHU Yaofu， MA Lixin. Application of simulation technology in the PV system power tracking [J]. Experimental technology and management， 2014， 31（8）： 114?117.

[12] 蘇婷，王金梅，臺(tái)流臣.改進(jìn)電導(dǎo)增量法在提高光電轉(zhuǎn)換效率中的研究[J].自動(dòng)化儀表，2012，33（12）：1?4.

SU Ting， WANG Jinmei， TAI Liuchen. Research on enhancing efficiency of photoelectric conversion by improving conductance incremental algorithm [J]. Process automation instrumentation， 2012， 33（12）： 1?4.

[13] KARAMI N， MOUBAYED N， OUTBIB R. General review and classification of different MPPT techniques [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2017， 68（1）： 1?18.

[14] 劉軍.光伏陣列MPPT擾動(dòng)觀察法的分析與改進(jìn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（3）：243?244.

LIU Jun. Analysis and improvement of photovoltaic array MPPT perturbation observation method [J]. Electronic technology & software engineering， 2016（3）： 243?244.

[15] LIU Yihua， CHEN Jinghsiao， HUANG Jiawei. A review of maximum power point tracking techniques for use in partially shaded conditions [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2015， 41： 436?453.