一种改进干扰观察法的仿真研究

第 28 卷第 6 期 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol. 28,No. 62008 年 12 月 Journal of Hangzhou Dianzi University Dec.2008一种改进干扰观察法的仿真研究李 建 , 姚雪梅 , 夏东伟 青岛大学自动化工程学院 , 山东 青岛 266071收稿日期 2008- 08- 31作者简介 李建 1983- , 男 , 山东菏泽 人 , 在读研究生 , 电力电子能量变换技术 .摘要 为了克服经典干扰观察法用于 光伏电 池最大 功率点跟 踪时会 导致功 率损耗 这一缺 点 , 该 文提出了一种变步长 的干扰观察法 , 并用 matlab对 其进行 了建模 仿真。仿 真结果 表明 , 改 进干扰 观察法可以精确地跟踪光伏电池的最大功率点 , 并且不 会造成功率损失 , 具有较强的可行性。关键词 最大功率点跟踪 ; 改进干扰观察法 ; 仿真中图分类号 TP15 文 献标识码 A 文章编号 1001- 9146200806- 0123- 040 引 言太阳能丰富、 清洁、 安全、 方便 , 是目前广泛探索并得到一定发展的一种可再生能源。由于太阳能的波动性和随机性 , 光伏发电系统输出的电能波动很大。所有的光伏系统都希望在同样的温度和光照条件下尽可能多的输出电能 , 提出了最大功率点跟踪技术 Maximum PowerPoint Tracking, MPPT [1、 2]。干扰观察法是常用的 MPPT控制方法之一 , 但它在最大功率点处会造成一定的功率损失。在这种背景下 , 对干扰观察法作了改进 , 以降低功率损失。在 MATLAB 仿真软件中 , 基于光伏阵列的数学模型建立了仿真模型 , 对改进干扰观察法的可行性进行验证。1 光伏电池特性1. 1 光伏电池的数学模型在实际应用中 , 多采用单指数形式的光伏电池等效电路模型 , 如图 1 所示。图 1 单个光伏电池的等效电路根据光伏电池的等效电路 , 可得到其等效数学模型为 I I ph- IO expq V IRs AKT - 1 -V IRsRsh 1I O Ior TTr 3expqEcoAK 1Tr -1T 2I ph Iscr K 1T- 298 S100 3式中 , I、 V 为电池的输出电流和端口电压 ; I ph为光生电流 ; I 0 为电池内部等效二极管 PN 结的反向饱和电流 ; q 为电子电荷 1. 6 10- 19C ; A 为二极管 PN结理想因子 ;K 为玻耳兹曼常数 1. 38 10- 23J/ K ;T 为电池的工作温度 换算为绝对温度 ; Rs 为电池的串联电阻 ; Rsh为电池的并联电阻 ; Tr 为绝对温度273K; Ior为 T r 下的二极管饱和漏电流 ; Eco为硅的能带宽度 ; S 为光照强度 W/ m2 ; Iscr为 25 e 和 1 000W/m2 条件下的短路电流 ; K I 为 I scr下的短路电流温度系数。1. 2 光伏电池的输出特性由式 1- 3 可以看出 , 光伏电池的输出电压和电流具有非线性关系 , 并且输出电压和电流受光照和温度的影响。因此 , 光伏电池的输出功率也随光照、 温度的变化而变化 ; 在一定的光照及温度条件下 , 电池具有唯一的最大功率点。当光照、 温度变化时 , 电池的最大功率点也将发生相应的移动。因此 , 在天气条件变化时 , 如何使电池始终工作在其最大功率点处 即最大功率点跟踪 , 成为光伏技术的研究焦点之一。2 干扰观察法及其改进2. 1 干扰观察法干扰观察法是常用的 MPPT控制方法之一。其算法如下 控制器在每个控制周期内 , 以一定的步长扰动光伏电池的输出电压 或电流 , 扰动方向可以是电压 或电流 增大的方向也可以是电压 或电流 减小的方向。然后检测出干扰后的功率 , 与干扰前所记忆的功率进行比较 , 如果干扰后的功率大于干扰前的功率 , 则说明干扰方向正确 , 沿着该方向继续干扰 ; 反之 , 如果干扰后的功率小于干扰前的功率 , 则说明干扰方向错误 , 将干扰方向变反后继续干扰 , 如此循环进行 , 光伏阵列的实际工作点就可以接近最大功率点 , 并在最大功率点附近振荡 [ 1] 。这种振荡会造成功率损失 , 为了改善干扰观察法的这种缺点 ,本文对干扰观察法作了改进。2. 2 改进干扰观察法改进干扰观察法的核心思想是变步长 , 即在扰动过程中不断地改变扰动步长 [4、 5] 。开始时给控制器指定一个固定的扰动步长 , 然后开始扰动 , 直到检测到扰动方向错误 , 扰动方向将会变反 , 此时将原先指定的步长减去某个常数作为新步长沿着变反的方向扰动 , 直到再次将扰动方向变反 ; 此时将改变后的步长再减去同一个常数作为再次扰动的步长 , 然后按照改变后的方向继续扰动 ; 如此反复 , 直到步长减到零 , 此时光伏阵列的实际工作点就稳定在最大功率点处。具体算法如下 首先设定参考电压 Ur 和扰动步长 step 的初值 ; 然后检测扰动后光伏电池的输出电压 U 和电流 I, 计算出扰动前后的功率变化量v P 和电压变化量 v U; 由 v P 的值决定是否改变扰动步长 , 若 v P 0, 保持原扰动方向 , 若 v P v U 0, 将扰动方向变反 ; 用求得的新步长和扰动方向修正参考电压 Ur 的值 , 并更新输出功率的值 ; 如是循环 , 直至 step变为零。改进干扰观察法的流程图如图 2 所示。图 2 改进干扰观察法的流程图该算法有两个比较新颖的地方 1 巧妙地利用经典干扰观察法中扰动方向改变的时刻来控制步长的改变 , 即每当 v P 变为负值就减小步长 , 这样可以获得比采用定步长的经典干扰观察法更高的精度 ;2 用 v Pv U 的值判断扰动方向 , 取代了经典干扰观察法用 v P/ v U 的值判断扰动方向 , 可以避免出124 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 2008 年现 v U 0作除数时算法无所适从的情况 , 同时 v P v U 比 v P/ v U 的计算量小 , 寻优效率更高。3 仿真模型和结果3. 1 仿真模型为了验证改进干扰观察法的可行性 , 利用 matlab建立了系统的仿真模型 [ 2、 3、 6] , 整个系统主要由光伏电池模块 PV、 MPPT控制模块和 BOOST电路模块组成。如图 3 所示。PV 模块根据其数学模型建立 , 由式 1- 3 可以看出 , 在电池参数已知的情况下 , 电池的输出电流只与光照强度 S 和温度 T 有关。基于实验室现有的 TH110 17单晶硅光伏电池 , 建立了 PV 模块 , 它的输入量是光照强度 S 和温度 T, 输出量是电流 I。改进干扰观察法的仿真图如图 4 所示。它通过改变脉冲的宽度来调节后级 DC/DC 电路中开关管的导通时间 , 控制输出电压 , 从而实现最大功率点跟踪。在仿真中 , 初始步长设为 0. 01, 步长的改变量 c设为 0. 001。图 3 系统仿真图 图 4 改进干扰观察法仿真图BUCK 和 BOOST是实现最大功率点跟踪的常用 DC/ DC 电路。由于 BUCK 电路的开关管关断时 , 负载与光伏电池脱离 , 造成了光伏电池输出功率的断续 , 需要在电池输出端并联一个大容量的储能电容 ,这会大大影响响应速度。而采用 BOOST电路时 , 电池输出功率是连续的 , 只需在电池输出端并联一个小电容来防止开关电路的谐波干扰 ; 此外 , BOOST电路还可以升压光伏电池输出的低电压 , 因此采用了BOOST电路。3. 2 仿真结果在系统仿真模型搭建完后 , 设置仿真时间为 0. 1S, 算法采用变步长的 ode23tb进行仿真。标准条件下 光照为 1 000W/m2、 温度为 25 e 的仿真结果如图 5 所示 ; 温度恒定、 光照强度在 0. 05S时由 1 000W/m2 突然降低到 600W/m2 时的仿真结果如图 6 所示。由图 5 可以看出 , 采用改进干扰观察法的系统 , 经过 0. 02S即可精确地跟踪光伏电池的最大输出功率 , 并且 0. 02S后的输出波形是一条没有波动的直线 , 有效地消除了因电池工作点在最大功率点附近振荡而造成的功率损耗 , 系统稳定工作在光伏电池的最大功率点上。由图 6 可以看出 , 当光照强度发生突变时 , 改进干扰观察法同样可以有效地跟踪电池的最大功率点。在图 5、 6 中 , BOOST电路的输出功率略低于 PV 的输出功率 , 这部分功率差是由 BOOST电路本身的损耗导致的 , 而非算法本身造成的。可见 , 改进干扰观察法达到了预期目的。4 结 论介绍了光伏电池的数学模型和输出特性 , 这种非线性的输出特性说明了进行最大功率点跟踪的必125第 6 期 李 建等 一种改进干扰观察法的仿真研究图 5 标准条件下的仿真结果 图 6 光照强度突降时的仿真结果要性 , 进而引出了一种常用的 MPPT 算法 经典干扰观察法 , 但它不能使光伏电池的工作点稳定在最大功率点处 , 从而引起功率损耗。为了消除这一弊端 , 提出了一种改进的干扰观察法 , 并且利用 matlab建立了仿真模型对其进行仿真研究 , 结果表明该算法可以精确跟踪电池的最大功率点 , 具有可行性。后续工作还需将该算法移植到实际的电路中 , 用实验结果与仿真结果进行对比 , 以便进一步完善该算法 ,使其应用于实际系统中。参考文献[ 1] 赵争鸣 , 刘建政 , 孙晓瑛 , 等 . 太阳能光伏发电及其应用 [ M] . 北京 科 学出版社 , 2005 126- 127.[ 2] 李炜 , 朱新坚 . 光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型 [ J]. 计算机仿真 , 2006,623 239- 243.[ 3] 吴忠军 . 基于 DSP的太阳能独立光伏发电系统的研究与设计 [ D] . 南京 江苏大学 , 2007.[ 4] Xiao Weidong, DunfordW G. 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So it is strongly feasible.Key words MPPT; improvedPsimulation126 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 2008 年