基于變步長(zhǎng)法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤

滿達(dá)

摘? 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤是提高發(fā)電效率的有效方式之一。文章提出改進(jìn)的3階變步長(zhǎng)擾動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，通過仿真對(duì)比了變步長(zhǎng)和固定步長(zhǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤的效果，結(jié)果表明改進(jìn)后的變步長(zhǎng)MPPT算法可以提高最大功率點(diǎn)跟蹤的穩(wěn)定性和效率，較改進(jìn)前具有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;最大功率點(diǎn)跟蹤;MATLAB

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0053-03

Abstract： The maximum power point tracking of photovoltaic power generation system is one of the effective ways to improve the efficiency of photovoltaic power generation. In this paper， an improved third-order variable step size disturbance algorithm is proposed to realize maximum power point tracking. The effects of variable step size and fixed step size maximum power point tracking are compared by simulation. The results show that the improved variable step size MPPT algorithm can improve the stability and efficiency of maximum power point tracking.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; MATLAB

太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)前太陽能利用的主要模式之一，也是我國(guó)開發(fā)可再生能源利用的主要途徑[1]。但是，發(fā)電效率低仍是光伏發(fā)電需要解決的問題。如何在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高光伏面板的光電轉(zhuǎn)換效率，是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)通過實(shí)時(shí)跟蹤不同環(huán)境條件下，光伏面板輸出的最大功率，不斷跟蹤最大功率點(diǎn)保持輸出功率最大，以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)太陽能的整體利用效率，進(jìn)而獲得更多電能，進(jìn)一步降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。常用的最大功率點(diǎn)跟蹤法包括恒壓跟蹤法[2-3]、電導(dǎo)增量法[4-6]以及擾動(dòng)觀察法[7-8]。恒壓跟蹤法通過保持恒壓的方式，只能跟蹤到近似最大功率點(diǎn)，并不能達(dá)到實(shí)際的最大功率點(diǎn)。增量電導(dǎo)法跟蹤過程較為復(fù)雜，此外最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度受檢測(cè)精度的影響較大。擾動(dòng)觀察法通過調(diào)整參考電壓，不斷跟蹤最大功率點(diǎn)，本質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)尋找最優(yōu)解的方法。該算法相對(duì)簡(jiǎn)單，而且對(duì)檢測(cè)的精度要求不高，非常有利于硬件實(shí)現(xiàn)，得到了廣泛的應(yīng)用。上述三種方法都存在電壓增量步長(zhǎng)不容易確定的問題，需要對(duì)步長(zhǎng)的設(shè)定進(jìn)行深入的研究。本文針對(duì)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了一種3階變步長(zhǎng)的MPPT算法，并建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)比常規(guī)固定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法，驗(yàn)證了所提出改進(jìn)算法的優(yōu)越性。

1 三階變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：逐步增加最大功率點(diǎn)跟蹤電路開關(guān)的占空比，若光伏面板的輸出功率隨著占空比的增加而增加，則繼續(xù)增加占空比，直到光伏面板的輸出功率減小;如果輸出功率隨著占空比增加而減小，則需要降低占空比。每次占空比的改變值稱為擾動(dòng)步長(zhǎng)△d。選擇擾動(dòng)步長(zhǎng)要充分考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及穩(wěn)定狀態(tài)下的控制精度?！鱠取值更大時(shí)，可以更快地響應(yīng)外界環(huán)境變化，但容易在最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的功率振蕩;△d取值更小時(shí)，在最大功率點(diǎn)附近時(shí)產(chǎn)生的功率振蕩會(huì)更小，但是響應(yīng)系統(tǒng)外界環(huán)境變化的能力更差[8]。為了提高擾動(dòng)觀察法對(duì)不同外界環(huán)境的適應(yīng)性，有必要對(duì)固定步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，形成3階變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法。

3階變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的過程如下：將初始基準(zhǔn)值選擇為0.76倍的開路電壓，然后再控制光伏面板的輸出電壓從基準(zhǔn)電壓向最大功率點(diǎn)電壓方向移動(dòng)，采用3階不同的步長(zhǎng)改進(jìn)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行跟蹤。為了更好地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變步長(zhǎng)，形成△1、△2以及△3的3階不同步長(zhǎng)，且△3<△1<△2。比較當(dāng)前光伏輸出功率值與前一時(shí)刻功率的差值：如果差值大于PA，則選擇擾動(dòng)步長(zhǎng)為△2;如果差值小于PB，則選擇擾動(dòng)步長(zhǎng)為△3;如果差值在PA與PB之間，則選擇擾動(dòng)步長(zhǎng)為△l。這里，PA和PB分別為設(shè)置的較大和較小的功率差門限值，該方法的具體流程如圖1所示。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型建立

以圖2所示的獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法的仿真計(jì)算。

2.1 光伏電池的模型

光伏電池單元的等效電路如圖3所示。

參照文獻(xiàn)[9]中的分析方法，在MATLAB中建立了光伏電池的模型，如圖4所示。

仿真時(shí)，光伏電池仿真參數(shù)如下：最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰值電流Im和電壓Vm分別為13.88A和288V，開路電壓Voc=354V，短路電流Isc=14.88A，光電池組件的溫度參考值Tref=25℃，串聯(lián)電阻Rs=0.5Ω。在參考照度Sref=1000W/m2下，電流變化溫度系數(shù)a和電壓變化溫度系數(shù)b分別取0.0025A/℃和0.0028V/℃。

2.2 Boost變換器的建模

Boost變換器是升壓變換器，屬于并聯(lián)型開關(guān)變換器，該類變換器可以用于電壓的升高，不僅電路的結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，而且具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。Boost變換器工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)，只要保證輸入電感足夠大，電感上的紋波電流足夠小，此時(shí)可以近似認(rèn)為是直流電流。本文建立的Boost變換器的仿真模型如圖5所示。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

最終建立的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。

3 不同算法仿真結(jié)果分析

設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1000W/m2，設(shè)置改進(jìn)的MPPT變步長(zhǎng)計(jì)算方式，運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果。圖7和圖8所示分別為電壓和電流的波形。

在同樣的仿真條件下，選擇固定步長(zhǎng)MPPT算法，對(duì)比兩種不同算法下光伏面板輸出功率隨時(shí)間的變化，如圖9所示（虛線為變步長(zhǎng)算法）。

從圖9中可以看出變步長(zhǎng)算法在0.04s的時(shí)候已經(jīng)追蹤到了最大功率點(diǎn)，達(dá)到最大功率點(diǎn)的時(shí)間較固定步長(zhǎng)的0.06s要短，而且之后的功率波動(dòng)也要小于固定步長(zhǎng)算法的小，說明改進(jìn)后的變步長(zhǎng)MPPT算法可以較快并且更穩(wěn)定地追蹤最大功率點(diǎn)，較改進(jìn)前具有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)擾動(dòng)觀察法改進(jìn)，提出3階不同步長(zhǎng)的MPPT算法，并建立了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，仿真對(duì)比了固定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)法的結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)果表明該算法改善了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的動(dòng)態(tài)性能，變步長(zhǎng)法能快速穩(wěn)定地跟蹤最大功率，并有效地解決了定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法中跟蹤的穩(wěn)定性和快速性相互矛盾的問題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的跟蹤精度和效率。

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