论文部分内容阅读
摘要：本文提出了恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的MPPT新算法。该算法有效地克服了传统MPPT算法中存在的振荡和误判现象，同时兼顾到跟踪速度和精度的要求。
关键词：MPPT；恒定电压法；滞环比较法；Matlab/Similink
0 引言
本文根据光伏电池输出特性与光照度和温度的关系，建立了基于Boost电路的MPPT仿真模型，在分析恒定电压法和常规扰动观察法的优缺点基础上，对扰动观察法进行了改进，提出了一种将恒定电压法发和变步长滞环比较法相结合的MPPT控制新算法。
2 MPPT算法的提出
2.1 恒定电压法
根据1.2中的P-U特性曲线，在辐射度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P-U曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池输出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT控制称为恒定电压法[1-2]。
由上所述，可以认为光伏阵列的最大功率点电压近似为恒定电压，即：
（1）
其中，系数k的取值取决于光伏电池的特性，一般k的取值大约在0.8左右。
恒定电压法是一种开环的MPPT算法，其控制简单迅速，但由于其忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，因此温差越大，恒电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也就越大。
2.2 变步长的滞环比较法
扰动观察法是采用两点进行比较，即现在的工作点与扰动前的工作点进行比较，根据功率的变化方向决定电压的扰动方向，除造成较多的扰动损失外，还可能出现误判。变步长的滞环比较法可在日照强度快速变化时不跟随移动工作点，而是等到日照强度比较稳定后再跟踪到最大功率点，减少了扰动损失[3]。
变步长滞环比较法的基本工作原理为：假设A点为当前工作点且未发生误判，以A点为中心，左右各取一点形成滞环，依据判定的扰动方向扰动至B点，再反向两个步长扰动至C点，如果C、A、B的功率测量值依次为 、 、 ，三点的电压为 、 、 ，且满足： 、 。设定一个比较符号变量m，若 > 或 ≥ 时，记m=1，反之，则m=-1。当三点比较完之后，根据符号m的大小决定工作点的扰动方向，当m=2时，工作点电压保持原方向扰动；m=0时，工作点已经达到最大功率点；当m=-2时，工作点电压保持反方向扰动[4]。
对于变步长的滞环比较法，当功率在所设的滞环内出现波动时，光伏电池的工作点电压保持不变，只有当功率的波动量超出所设的滞环时，才按照一定的规律改变工作点电压。可见，滞环的引入，可以有效地抑制扰动观测法的振荡现象。实际上可以将误判看成为外部环境发生变化时的一种动态的振荡过程，因此该方法也可以克服扰动观测法的误判现象[5]。
2.3 两种方法结合的MPPT算法
恒定电压法不能保证光伏阵列达到最大功率输出，只能保证光伏阵列工作于最大功率点附近。为了充分利用光伏阵列的输出功率，当光伏系统实现恒定电压法的控制目标后，可在最大功率点附近采用变步长的滞环比较法进行精确的调节，以减少在最大功率点附近振荡引起的扰动损失。
由恒定电压法和变步长滞环比较法结合的MPPT算法程序流程见图2，由流程图可知，首先应该根据光伏组件中的电池参数，根据标准条件下（S=1000W/m2，T=25）的光伏电池参数确定光伏组件的开路电压，根据恒定电压法确定最大功率点附近的一个运行电压，然后再根据变步长的滞环比较法进行精确的调节，使其能快速准确的跟踪到最大功率点，避免了在最大功率点附近往复振荡。光伏系统一旦达到最大功率点，就能够保持长期工作在该点上，直到外部环境发生变化。
恒定电压法可以使光伏组件快速运行在最大功率点的附近，减少最大功率点的搜寻时间；变步长的滞环比较法能够有效克服振荡和误判现象，同时兼顾到速度和精度的要求，能够更加准确地跟踪光伏电池的最大功率点，从而提高光伏系统的发电效率。
图2 恒定电压法与变步长的滞环比较法结合
的流程图
3仿真验证
为了验证所提出MPPT控制方法的正确有效性，在Matlab/Simulink 仿真软件下搭建的MPPT控制的仿真模型，把MPPT控制系统串入Boost变换器电路中，通过编写S函数实现恒定电压法与滞环比较法结合的MPPT算法模块，对光伏电池的最大功率点进行跟踪，MPPT的仿真模型如图3所示。为了突出该方法的快速性、准确性，对只采用滞环比较法的 MPPT控制方法也进行了仿真。
图3 MPPT算法的仿真模型
根据图3的光伏系统MPPT仿真模型，分别在MPPT控制算法模块应用恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的方法实现对最大功率跟踪的仿真，仿真结果如图4、图5所示，图6为采用扰动观测法得到的光伏电池仿真输出结果。由图4可以看出，变步长的滞环比较法大约在0.025s处达到最大功率点，而在开始阶段，电压是从0开始变步长扰动的，在之后虽然功率的变化很快，但是有明显的滞后情况。而在图5中，功率输出值一开始就在一个较大的数值上，0.01s处开始迅速的跟踪最大功率点，0.02s即可实现最大功率点跟踪。通过对比扰动观测法的仿真结果图6可以看出，采用恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的MPPT控制算法在功率跟踪开始阶段能够有效的避免系统产生的振荡。通过图4、图5可得，光照强度在0.2s的变化对两种MPPT算法基本一致，都能够很好地跟踪最大功率点，减少误判的可能。无论从精度还是速度方面，后者都有了一定程度的改进，从而提高了光伏系统的发电效率。
图4 基于滞环比较法法的光伏电池仿真输出
图5基于恒定电压法和滞环比较法结合的光伏电池仿真输出
图6 基于扰动观测法的光伏电池仿真输出
参考文献
[1] 杨金孝，朱琳.基于Matlab/Simulink光伏电池模型的研究[J].现代电子技术，2011，34（24）：192-
195.
[2] 王琴，姜丰，钟清瑶.光伏电池建模及其输出特性仿真[J].低压电器，2011 （10）：10-12.
[3] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 朱拓斐，陈国定.光伏发电中MPPT控制方法综述[J].低压电器，2011，35（10）：1322-1325.
[5] 王宁，翟庆志，徐亮.一种中小型光伏系统MPPT的算法研究[J].现代电子技术，2010（6）：168-171.
邓国新（1975-），男，电气工程师，主要从事变电运维方面理论研究和实践教学工作； Email：[email protected]
关键词：MPPT；恒定电压法；滞环比较法；Matlab/Similink
0 引言
本文根据光伏电池输出特性与光照度和温度的关系，建立了基于Boost电路的MPPT仿真模型，在分析恒定电压法和常规扰动观察法的优缺点基础上，对扰动观察法进行了改进，提出了一种将恒定电压法发和变步长滞环比较法相结合的MPPT控制新算法。
2 MPPT算法的提出
2.1 恒定电压法
根据1.2中的P-U特性曲线，在辐射度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P-U曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池输出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT控制称为恒定电压法[1-2]。
由上所述，可以认为光伏阵列的最大功率点电压近似为恒定电压，即：
（1）
其中，系数k的取值取决于光伏电池的特性，一般k的取值大约在0.8左右。
恒定电压法是一种开环的MPPT算法，其控制简单迅速，但由于其忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，因此温差越大，恒电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也就越大。
2.2 变步长的滞环比较法
扰动观察法是采用两点进行比较，即现在的工作点与扰动前的工作点进行比较，根据功率的变化方向决定电压的扰动方向，除造成较多的扰动损失外，还可能出现误判。变步长的滞环比较法可在日照强度快速变化时不跟随移动工作点，而是等到日照强度比较稳定后再跟踪到最大功率点，减少了扰动损失[3]。
变步长滞环比较法的基本工作原理为：假设A点为当前工作点且未发生误判，以A点为中心，左右各取一点形成滞环，依据判定的扰动方向扰动至B点，再反向两个步长扰动至C点，如果C、A、B的功率测量值依次为 、 、 ，三点的电压为 、 、 ，且满足： 、 。设定一个比较符号变量m，若 > 或 ≥ 时，记m=1，反之，则m=-1。当三点比较完之后，根据符号m的大小决定工作点的扰动方向，当m=2时，工作点电压保持原方向扰动；m=0时，工作点已经达到最大功率点；当m=-2时，工作点电压保持反方向扰动[4]。
对于变步长的滞环比较法，当功率在所设的滞环内出现波动时，光伏电池的工作点电压保持不变，只有当功率的波动量超出所设的滞环时，才按照一定的规律改变工作点电压。可见，滞环的引入，可以有效地抑制扰动观测法的振荡现象。实际上可以将误判看成为外部环境发生变化时的一种动态的振荡过程，因此该方法也可以克服扰动观测法的误判现象[5]。
2.3 两种方法结合的MPPT算法
恒定电压法不能保证光伏阵列达到最大功率输出，只能保证光伏阵列工作于最大功率点附近。为了充分利用光伏阵列的输出功率，当光伏系统实现恒定电压法的控制目标后，可在最大功率点附近采用变步长的滞环比较法进行精确的调节，以减少在最大功率点附近振荡引起的扰动损失。
由恒定电压法和变步长滞环比较法结合的MPPT算法程序流程见图2，由流程图可知，首先应该根据光伏组件中的电池参数，根据标准条件下（S=1000W/m2，T=25）的光伏电池参数确定光伏组件的开路电压，根据恒定电压法确定最大功率点附近的一个运行电压，然后再根据变步长的滞环比较法进行精确的调节，使其能快速准确的跟踪到最大功率点，避免了在最大功率点附近往复振荡。光伏系统一旦达到最大功率点，就能够保持长期工作在该点上，直到外部环境发生变化。
恒定电压法可以使光伏组件快速运行在最大功率点的附近，减少最大功率点的搜寻时间；变步长的滞环比较法能够有效克服振荡和误判现象，同时兼顾到速度和精度的要求，能够更加准确地跟踪光伏电池的最大功率点，从而提高光伏系统的发电效率。
图2 恒定电压法与变步长的滞环比较法结合
的流程图
3仿真验证
为了验证所提出MPPT控制方法的正确有效性，在Matlab/Simulink 仿真软件下搭建的MPPT控制的仿真模型，把MPPT控制系统串入Boost变换器电路中，通过编写S函数实现恒定电压法与滞环比较法结合的MPPT算法模块，对光伏电池的最大功率点进行跟踪，MPPT的仿真模型如图3所示。为了突出该方法的快速性、准确性，对只采用滞环比较法的 MPPT控制方法也进行了仿真。
图3 MPPT算法的仿真模型
根据图3的光伏系统MPPT仿真模型，分别在MPPT控制算法模块应用恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的方法实现对最大功率跟踪的仿真，仿真结果如图4、图5所示，图6为采用扰动观测法得到的光伏电池仿真输出结果。由图4可以看出，变步长的滞环比较法大约在0.025s处达到最大功率点，而在开始阶段，电压是从0开始变步长扰动的，在之后虽然功率的变化很快，但是有明显的滞后情况。而在图5中，功率输出值一开始就在一个较大的数值上，0.01s处开始迅速的跟踪最大功率点，0.02s即可实现最大功率点跟踪。通过对比扰动观测法的仿真结果图6可以看出，采用恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的MPPT控制算法在功率跟踪开始阶段能够有效的避免系统产生的振荡。通过图4、图5可得，光照强度在0.2s的变化对两种MPPT算法基本一致，都能够很好地跟踪最大功率点，减少误判的可能。无论从精度还是速度方面，后者都有了一定程度的改进，从而提高了光伏系统的发电效率。
图4 基于滞环比较法法的光伏电池仿真输出
图5基于恒定电压法和滞环比较法结合的光伏电池仿真输出
图6 基于扰动观测法的光伏电池仿真输出
参考文献
[1] 杨金孝，朱琳.基于Matlab/Simulink光伏电池模型的研究[J].现代电子技术，2011，34（24）：192-
195.
[2] 王琴，姜丰，钟清瑶.光伏电池建模及其输出特性仿真[J].低压电器，2011 （10）：10-12.
[3] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 朱拓斐，陈国定.光伏发电中MPPT控制方法综述[J].低压电器，2011，35（10）：1322-1325.
[5] 王宁，翟庆志，徐亮.一种中小型光伏系统MPPT的算法研究[J].现代电子技术，2010（6）：168-171.
邓国新（1975-），男，电气工程师，主要从事变电运维方面理论研究和实践教学工作； Email：[email protected]