一种应用于光伏发电MPPT的变步长电导增量法_赖东升

第 46 卷第 3 期2012 年 3 月电力电子技术Power ElectronicsVol.46， No.3March 2012基 金 项 目 广 东 省 科 技 厅 计 划 项 目 （ 2010A010200004）； 广东 省 教 育 部 产 学 研 结 合 项 目 （ 2009B090300424）定 稿 日 期 2011-09-28作 者 简 介 赖 东 升 （ 1987- ）， 男 ， 江 西 赣 州 人 ， 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 力 电 子 电 路 的 建 模 与 控 制 。1 引 言目前太阳能光伏发电系统存在太阳 能 光 伏 电池转换效率低 ， 成本高 ， 前期投资大等缺点 。 控制太阳能电池一直工作在最大功率输出状态是有效的解决方法之一 。 目前应用最为广泛的 MPPT 法大多利用固定步长进行搜索最大功率点 （ MPP）。这 里 提 出 一 种 简 单 可 行 的 变 步 长 电 导 增 量法 ， 根据光伏电池 P-U 曲线上的斜率绝对值确定电导增量法的步长 。 通过在 Matlab 中与定步长电导增量法的对比仿 真 实 验 表 明 该 算 法 对 MPP 的跟踪既能满足快速跟踪 MPP， 又能保证输出功率不在 MPP 振荡 ， 提高了光伏电池使用效率 。2 太阳能光伏电池特性太阳能光伏电池的基本原理为光生伏特效应 [1]，即光子打在半导体材料表面时 ， 在一定条件下 ， 光能会被半导体吸收 ， 在导带和价带中产生非平衡载流子 - 电子空穴对 ， 在内建电场的作用下将电子和 空 穴 拉 向 了 不 同 侧 ， 使 PN 结 两 端 形 成 了 光 生电 动 势 ， 如 果 PN 结 与 外 电 路 相 连 ， 只 要 有 光 照 ，就会有电流流过电路 。 单个光伏电池的等效电路如图 1 所示 。由图可得 IIph-I 0 exp q（ UIRs）AKT “- 1 - UIR sRsh（ 1）式中 Rs 为光伏电池的内阻 ； Rsh 为光伏电池的并联电阻 ； I0 为流 过 二 极 管 的 反 向 饱 和 漏 电 流 ； K 为 波 尔 兹 曼 常 数 ， K 一种应用于光伏发电 MPPT 的变步长电导增量法赖东升 ， 杨 苹（ 华 南 理 工 大 学 ， 广 东 省 绿 色 能 源 技 术 重 点 实 验 室 ， 广 东 广 州 510640）摘 要 太阳能光伏发电的最大功率点跟踪 （ MPPT） 控制是小型太阳能发电系统中的核心控制之一 。 此处提出一种应 用 于 光 伏 发 电 的 新 型 MPPT 算 法 ， 用 P-U 曲 线 上 不 同 点 的 斜 率 的 绝 对 值 确 定 MPPT 的 步 长 ， 使 光 伏 电 池 的MPPT快 速 且 稳 定 无 振 荡 。 Matlab 仿 真 及 样 机 实 验 结 果 表 明 对 比 定 步 长 电 导 增 量 法 ， 能 在 快 速 跟 踪 到 光 伏 电 池最 大 功 率 点 （ MPP） 的 同 时 ， 有 效 降 低 光 伏 系 统 在 MPP 处 的 振 荡 ， 减 小 了 能 量 损 耗 。关 键 词 光 伏 发 电 ； 最 大 功 率 点 跟 踪 ； 电 导 增 量 法中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1000-100X （ 2012） 03-0040-03Variable Step-size Incremental Conductance Used in Maximum PowerPoint Tracking Control of PV Power SystemLAI Dong-sheng， YANG Ping（ South China University of Technology， GuangdongKey Laboratory of Clean Energy Technology，Guangzhou 510640， China）Abstract Solar photovoltaic maximum power point tracking（ MPPT） control is a core control of small solar power sys-tem.This paper presents a novel application of a photovoltaic MPPT algorithm， the different points on the PV curve ofthe absolute value of the slope to determine the maximum power tracking of the step， so that the MPPT photovoltaiccells rapidly and stable non-oscillation.Matlab simulation results show that contrast for the incremental conductancemethod step， fast tracking to the maximum power point（ MPP） of PV cells ， while a photovoltaic system to reduce theMPP in the oscillation， reduce energy loss.Keywords photovoltaic power generation； maximum power point tracking； incremental conductancemethodFoundation Project Supported by Science and Technology Department Projects of Guangdong Province （ No .2010A010200004 ） ； Combination Project of Guangdong Province， the Ministry of Education（ No.2009B090300424 ）图 1 单 个 光 伏 电 池 的 等 效 电 路401.38 10 -23 J/K ； q 为 电 荷 量 ， q1.6 10 -19 C； T 为 光 伏 电 池的 工 作 温 度 ， 单 位 为 K ； A 为 二 极 管 的 理 想 常 数 [2]， 其 变 化范 围 在 1～ 2 之 间 。光伏电池的输出功率 P 与输出电压 U 呈明显的非线性关系 ， 在不同的光照强度 、 工作温度下仅存在唯 一 的 MPP。 图 2a 为 相 同 T， 不 同 光 照 强 度E 条件下 ， 光伏 电 池 的 P-U 曲 线 ； 图 2b 为 相 同 E，不同 T 下的 P-U 曲线 。3 最大功率点跟踪控制由光伏电池特性可知 ， 在一定的光 照 和 温 度条 件 下 有 且 仅 有 一 个 MPP[3] ， 对 光 伏 电 池 进 行 的MPPT 控 制 就 是 为 了 使 光 伏 电 池 一 直 工 作 在 MPP处 ， 提高光伏电池的效率 。图 3a 为光伏电池和负载的等效模型 ， 如图 3a所示 ， 光伏电池的输出功率为 P1I 2R1[Us/（ rR 1） ]2R1 （ 2）式 中 r 为 光 伏 电 池 的 内 阻 ； R1 为 负 载 电 阻 。式 （ 2） 两边对 R1 求导数可得 dP1dR1Us2 r-R 1（ rR1）3 （ 3）由式 （ 3） 可知 ， R1 r 时 dP1/dR10， 输 出 功 率 P1取得最大值 。图 3b 示 出 光 伏 电 池 MPPT 示 意 图 ， 在 光 伏 电池 和 负 载 之 间 加 入 DC/DC 电 路 实 现 负 载 阻 抗 变换 [4] ， 并将 DC/DC 和负载合起来视为等负载 。 通过改变 DC/DC 工作的占 空 比 ， 达 到 调 节 光 伏 电 池 负载跟踪光伏电池输出阻抗的目的 ， 使光伏电池工作在 MPP 处 。3.1 定步长电导增量法分析图 2， 电压由零逐渐增大 ， dP/dU 的 数 值由 大 于 零 变 到 小 于 零 ， 当 dP/dU0 时 取 得 最 大 功率 Pmax[5] 。 PUI ， 两边同时对 U 求导得 dPdU I UdIdU 0 （ 4）经 化 简 得 dI /dU- I/U， 此 式 为 在 MPP 处 的 条件 。 图 4 为固定步长电导增量法的流程图 ， 图中Δ D 的 大 小 固 定 使 得 不 能 同 时 兼 顾 MPPT 的 快 速性和稳定性 。3.2 变步长电导增量法采用一种新型的电导增量法 ， 即 变 步 长 的 电导增量法 。 其基本原理为 通过 Boost 电路的占空比 变 化 来 调 节 太 阳 能 光 伏 阵 列 两 端 的 电 压 值 ， 使其跟踪 MPP。 而且占空比跟踪步长可变 ， 其中变步长 的 系 数 取 自 dP/dU 的 绝 对 值 ； 当 工 作 点 远 离MPP 时 ， 加大步长 ， 加快跟踪速度 ； 当工作点在MPP 附近时 ， 自动减小步长 ， 以减小波动导致的功率损失 。 在光伏电池的输出特性 P-U 曲线上选取5 个点分别作切线 ， 如图 5 所示 。由图可得 dPk3dUk3 -IU ， Δ D- A k ， UU maxdIdU -IU ， Δ D0 ， UU maxA dPdU IU dIdU“（ 6）式 中 k 为 占 空 比 变 化 固 定 分 量 ； A 为 步 长 控 制 常 数 。图 2 光 伏 电 池 P-U 曲 线图 4 固 定 步 长 电 导 增 量 法 控 制 流 程 图图 5 光 伏 电 池 P-U曲 线 切 线 图一 种 应 用 于 光 伏 发 电 MPPT的 变 步 长 电 导 增 量 法图 3 光 伏 电 池 MPPT 原 理41第 46 卷第 3 期2012 年 3 月电力电子技术Power ElectronicsVol.46， No.3March 2012变步长电导增量法控制流程图如图 6 所示 。4 仿真验证4.1 仿真原理图在 Matlab/Simulink 环 境 中 搭 建 仿 真 电 路 ， 如图 7 所 示 ， 主 电 路 为 Boost 电 路 ， MPPT 控 制 模 块由 S 函数搭建 ， 光伏模块由 M 函数编写 。4.2 仿真结果与分析在 Simulink 仿 真 中 采 用 ode23 算 法 ， 设 置 光照条件为 1 kW/m 2， T25 ℃ ， 分别对定步长和变步长电导增量法进行仿真实验 ， 结果见图 8a。 由图 8a可见 ， 变步长电导增量法在大约 0.03 s 时结束暂态过程 ； 而定步长算法则在 0.08 s 才结束暂态 ， 而且接近稳态时的振荡比变步长算法更大 。固定光伏阵列的 T25 ℃ ， 光照强度 E 依 照 图中所示快速变化 ， 结果见图 8b。 由图可见 ， 当 E 快速 变 化 时 变 步 长 电 导 增 量 法 能 快 速 跟 踪 MPP 的变化 ， 并且跟踪稳定无振荡 。5 实验分析为验证这里的新型算法 ， 研制 了 拓 扑 结 构 为Boost 电路 ， 采用 TMS320F2812 型 DSP 控制的实验平台 ， MPPT 算法采用这里提出的变步长电导增量法 。 主电路采用单级 Boost电路 ， 电感选用 665 μ H，电 容 选 择 两 个 1 000 μ F 并 联 ， 开 关 管 用 型 号 为1MBH60-100 的 IGBT。图 9a 为 MPPT 过程中输出功率图 ， 由图可知 ，变步长电导增量法能快速地跟踪上 MPP， 并达到稳定 。 图 9b 为 MPPT 控制算法使输出功率达到稳定 时 的 波 形 图 ， 由 图 可 见 ， 当 系 统 完 成 MPPT 后 ，输 出 电 流 、 电 压 及 功 率 都 稳 定 ， 振 荡 较 小 ， 有 效 提高了光伏电池的效率 。 其中 ， Ipv 为光伏电池输出电流 ， Upv 为光伏电池输出电压 ， uD 为 Boost 电路占空比信号 ， Uo 为 Boost 电路输出电压 ， Ppv 为光伏电池输出功率 。6 结 论此 处 通 过 分 析 光 伏 电 池 的 输 出 特 性 P-U 曲线 ， 并结合现有电导增量法的研究 ， 提出一种变步长电导增量法 。 在 Simulink 下与 定 步 长 算 法 进 行对比仿真和实验 ， 表明变步长电导增量法在日照快速变化时能快速跟踪到最大功率点 ， 并有效地减小了稳态时的振荡 。参考文献[1] 张 建 坡 ， 张 红 艳 . 光 伏 系 统 中 最 大 功 率 跟 踪 算 法 仿 真研 究 [J]. 计 算 机 仿 真 ， 2010， 27（ 1） 284-288.[2] 任 玲 ， 宗灶童 .扰 动 观 察 法 实 现 太 阳 能 电 池 最 大 功 率跟 踪 控 制 [J]. 工 业 仪 表 与 自 动 化 装 置 ， 2010， 51 （ 2）44-46.[3] 叶 满 园 ， 官 二 勇 ， 宋 平 岗 .以 电 导 增 量 法 实 现 MPPT 的单 级 光 伏 并 网 逆 变 器 [J]. 电 力 电 子 技 术 ， 2006， 40（ 2）33-35.[4] 李 鹰 ， 康 龙 云 ， 朱 洪 波 ， 等 . 一 种 新 型 光 伏 发 电 系 统最大功率跟踪算法 [J]. 电气传动 ， 2010， 40（ 12） 35-39.[5] 朱 铭 炼 ， 李 臣 松 ， 陈 新 ， 等 . 一 种 应 用 于 光 伏 系 统MPPT 的 变 步 长 扰 动 观 察 法 [J]. 电 力 电 子 技 术 ， 2010，44（ 1） 20-22.图 6 变 步 长 电 导 增 量 法 控 制 流 程 图图 7 太 阳 能 光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 Matlab 仿 真 图图 8 仿 真 结 果图 9 实 验 波 形42