基于Proteus的光伏系統(tǒng)MPPT算法仿真研究

丁 艷，李佳明，高鑠涵，袁隆基

(1.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇徐州221008；2.中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州221116）

在化石能源逐漸枯竭、環(huán)境問題日益突出的當今社會，太陽能以取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保的獨特優(yōu)勢倍受人們青睞[1-4]。近些年來，太陽能光伏系統(tǒng)已被廣泛應用到各行各業(yè)，但其應用中仍存在著效率低、成本高等一系列問題[5]。國內(nèi)外眾多專家學者對此展開研究，其中部分學者嘗試通過一些仿真工具對太陽能光伏系統(tǒng)進行仿真分析，以尋求獲得太陽能光伏系統(tǒng)的最大功率點，從而提高太陽能光伏板的利用效率。但大部分研究都停留在利用Matlab/Simulink 或PSIM 工具[6-12]對太陽能光伏系統(tǒng)進行仿真分析，仿真過程很難嵌入可編程的微處理器仿真（如：PIC，DSP，Arduino 或者FPGA 等等），不同的MPPT 算法仿真需搭建不同的仿真模型。為此，本文基于Proteus 仿真軟件搭建了Arduino 可編程微處理器光伏系統(tǒng)MPPT 算法仿真平臺，在相同的仿真電路里，僅需改變Arduino UNO 微處理器的程序，即可實現(xiàn)不同MPPT 算法的仿真研究，同時本文將此平臺應用于傳統(tǒng)電導增量法及其優(yōu)化的仿真研究中，以便解決傳統(tǒng)電導增量法響應慢、穩(wěn)定性差的問題。

1 仿真電路

1.1 光伏陣列模型

考慮到建模精度和難易程度，本文采用最經(jīng)典的光伏陣列的單二極管模型[13-16]，其等效電路如圖1所示。

圖1 光伏陣列等效電路

基于半導體理論，從數(shù)學上描述理想光伏陣列的I-V特性的基本方程為[13-16]：

式中：I為輸出電流；Iph為光生電流；I0為二極管反向飽和電流；q為單位電荷量；V為輸出電壓；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻；Ns為二極管理想因子；K為玻爾茲曼常量；T為光伏陣列溫度。

基于以上等效電路和基本方程，在Proteus 虛擬仿真軟件里設計了光伏陣列仿真模型，如圖2所示。

圖2 光伏陣列仿真模型

圖2 的Proteus 虛擬仿真模型中，ACS1 為壓控電流源，V1為電壓源，二者組成在一起共同模擬光電流IPh，采用直流電壓源V2 模擬仿真負載。光伏陣列參數(shù)為：最大功率20 W；最佳電源電壓18.76 V；最佳工作電流1.07 A；開路電壓22.7 V；短路電流1.17 A；等效并聯(lián)電阻405.96 Ω；等效串聯(lián)電阻1.054 7 Ω。

1.2 仿真電路

該平臺仿真電路包含了光伏陣列模型、DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、功率測試以及最大功率點跟蹤算法，MPPT 算法主要是利用Arduino UNO 嵌入板采用內(nèi)部編程的方式實現(xiàn)，整個電路如圖3所示。

圖3 太陽能光伏系統(tǒng)MPPT模擬仿真電路圖

因為光伏系統(tǒng)的輸出在0～22.7 V 之間，圖3 中采用R2(100 kΩ)和R3(25 kΩ)對光伏陣列輸出電壓進行分壓，得到0～5 V 范圍內(nèi)的電壓信號，供UNO 主板A0 口采集。針對電流，在光伏陣列模型輸出口串聯(lián)一個阻值為0.1 Ω 的精密電阻，獲取精密電阻兩端電位差再通過減法運算放大器U3，得到放大10 倍的壓差信號，供UNO 主板A1 口采集，然后進行相關編程處理，將光伏陣列模型的輸出電壓、輸出電流和輸出功率輸出到LCD1602 液晶顯示。UNO 主板PD6 口輸出PWM信號通過TC4420 高速MOSFET 驅(qū)動器驅(qū)動場效應管Q1，獲取合適的擾動量計算跟蹤不同工況下的最大功率點。

2 MPPT 傳統(tǒng)電導增量法及其優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)電導增量法

傳統(tǒng)電導增量法[12]是以光伏陣列的輸出功率P與電壓V曲線的斜率（dP/dV）判斷追蹤的方向。當dP/dV>0，可見此時功率處于最大功率點的左側；當dP/dV<0，可見此時功率處于最大功率點的右側；當dP/dV=0，則此時功率正好是最大功率點的位置。因為P=V×I的關系，所以可得出下面式(2)的關系：

于是，dP/dV與0 的關系可以表達為ΔI/ΔV與-I/V的關系。當ΔI/ΔV=-I/V時，則正好是最大功率點位置；當ΔI/ΔV>-I/V時，說明此時輸出功率處于最大功率點左側；當ΔI/ΔV<-I/V時，說明此時輸出功率處于最大功率點右側。

在實際算法運算時，通常在占空比D上施加擾動定量Δd，計算出ΔV和ΔI。如果ΔV=0且ΔI=0，或者ΔI/ΔV=-I/V，則說明正好是最大功率點；如果ΔV=0 且ΔI>0，或者ΔI/ΔV>-I/V，則需要繼續(xù)在相反方向上施加擾動Δd；如果ΔV=0且ΔI<0，或者ΔI/ΔV<-I/V，則需要在相同方向上施加擾動Δd；如此循環(huán)，最終獲取最大功率點位置。傳統(tǒng)電導增量算法流程圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)電導增量法流程圖

2.2 電導增量法優(yōu)化

在傳統(tǒng)電導增量法中，步長較小(即擾動量Δd較小)，則跟蹤時穩(wěn)態(tài)性能較好但響應速度較慢；如果步長較大，則響應速度較快而穩(wěn)定性能較差。為進一步權衡響應速度和穩(wěn)定效果，將實時變化量ΔM作為變步長對電導增量算法進行優(yōu)化升級：

式中：|ΔP|為實時變化的輸出功率變化量；N為系數(shù)。

在遠離最大功率點的位置，優(yōu)先考慮的是響應速度，需要較大的步長，而此時剛好是輸出功率變化量比較大；而在靠近最大功率點的位置，則優(yōu)先考慮穩(wěn)定性，需要較小的步長，此時輸出功率變化量剛好比較小，所以算法中采用ΔM作為變步長更適合實際跟蹤的需要。在此優(yōu)化的基礎上，為了提高微處理器的實時處理能力，對算法進行消除除法運算處理。由傳統(tǒng)電導增量法可知：

將傳統(tǒng)電導增量法進行變換，當(ΔI×V+ΔV×I)/ΔV=0 時，為最大功率點位置；當(ΔI×V+ΔV×I)/ ΔV>0 時，此時輸出功率處于最大功率點左側；當(ΔI×V+ΔV×I)/ ΔV<0 時，此時輸出功率處于最大功率點右側。在Arduino UNO 的程序中采用“與”的邏輯表達上面的關系：當ΔI×V+ΔV×I=0 時，則正好是最大功率點；當ΔI×V+ΔV×I>0 且ΔV>0 或者ΔI×V+ΔV×I<0 且ΔV<0時，則此時輸出功率處于最大功率點左側；當ΔI×V+ΔV×I>0 且ΔV<0 或者ΔI×V+ΔV×I<0 且ΔV>0 時，則此時輸出功率處于最大功率點右側；此外，在實際采集中，ΔI×V+ΔV×I=0 的比較運算必將產(chǎn)生不必要的擾動，于是將|ΔI×V+ΔV×I|值控制在0.05誤差范圍內(nèi)近似認為等于0，圖5 為優(yōu)化后電導增量算法的流程圖。

圖5 優(yōu)化后電導增量算法的流程圖

3 電導增量法仿真及結果分析

基于上述仿真平臺對傳統(tǒng)電導增量算法及優(yōu)化后算法進行了仿真模擬。用2 和4 s 處出現(xiàn)突變的信號分別模擬光照強度由1 000 W/m2到500 W/m2和500 W/m2到700 W/m2的突變，模擬結果如圖6～圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)電導增量算法模擬仿真結果

圖7 優(yōu)化后電導增量算法模擬仿真結果

圖6 為傳統(tǒng)電導增量算法模擬仿真結果，圖7 為優(yōu)化后電導增量算法模擬仿真結果。兩者數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：在響應速度和穩(wěn)定性能方面，優(yōu)化后電導增量算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電導增量算法。在光照強度由1 000 W/m2到500 W/m2和500 W/m2到700 W/m2的躍變過程中，優(yōu)化后電導增量法的響應速度分別提到了大約90%和80%。而在三種光照強度下，優(yōu)化后電導增量法的穩(wěn)態(tài)誤差范圍也提高了約50%左右。

4 結論

基于Proteus 仿真軟件設計了Arduino 光伏系統(tǒng)MPPT 算法仿真平臺，并將其應用于電導增量法的仿真模擬中，結果表明，該仿真平臺不僅能可靠運行，而且只需改變仿真平臺Arduino 微處理器的算法程序就可以對傳統(tǒng)電導增量法響應慢、穩(wěn)定性差的缺陷進行改進，從而給出了優(yōu)化的電導增量法，最終實現(xiàn)了電導增量法的動態(tài)震蕩和響應速度的良好平衡。