一种改进的光伏发电系统MPPT控制方法

2012 年 3 月第 27 卷第 2 期西安 石油 大学学报 自然科学 版 Journal of Xian Shiyou University Natural ScienceEditionMar． 2012Vol ． 27 No． 2收稿日期 2011-09-26作者简介 王 志 敏 1985- ， 女 ， 主要从事 太 阳 能 发 电 装 置 研究 ． E-mail chqkjwang126． com文章编号 1673-064X 2012 02-0089-04一种 改 进 的 光伏 发 电 系统 MPPT 控制 方法王志 敏 ， 张 建 军 ， 郭 燕 琼 西安 石油 大学 电子工 程学 院 ， 陕 西 西安 710065摘要 目 前 光伏 系 统 最大 功 率 点 跟 踪 MPPT 控制 方 法 很 多 ， 介绍 了 3 种常 用 的 MPPT 控制 方 法 固定电 压 法 、 扰 动 观察法 和 电 导 增 量 法 ， 并 通 过 仿 真 比 较 了其 启 动 时 间 、 动 态响应 速 度 和 稳 态 精 度 ， 在此 基础 上提出了 一 种 改 进 的 MPPT控制 方 法 固 定电 压 结 合 扰 动 观察法 ． 仿 真 结果表 明 ， 该 方 法响应 速 度 快 ， 稳 态 精 度 高 ．关键词 光伏 系 统 ; 最大 功 率 点 跟 踪 ; 固 定电 压 结 合 扰 动 观察法中图分类号 TN86 文献标识码 A由 于 太 阳 电 池输 出 功 率 随 着 光 照 强 度 和 环 境 温度的 变 化 具 有 强烈 的 非 线 性 ， 为 了 提 高 光伏 发 电 效率 ， 必须 实 时 保 证 太 阳 电 池 工 作 在 最 大 功 率 点 ， 即 在太 阳 电 池 工 作 过程 中 应 实 施 最 大 功 率 点 跟 踪 Maxi-mum Power Point Tracking， MPPT ［ 1- 2］ ．目 前 ， 最 大 功 率 点 跟 踪 方 法 很 多 ， 应 用 较 普遍 的有 固 定 电压法 、 扰 动 观 察 法 、 电 导增 量法 ． 它 们 拥 有各 自 的优 缺点 固 定 电压法 跟 踪 速 度 快 ， 但 精 度 低 ;扰 动 观 察 法 扰 动 步 长 不 能 兼顾 动 态 响 应 速 度 和 稳 态精 度 ; 电 导增 量法 稳 态精 度 高 ， 但 控制 算法相 对 复杂 ， 检 测 精 度 要 求 较 高 ［ 3-5］ ．分 析 比 较 上 述 3 种方 法 ， 提 出 了 一种 改进 方 法 ，即 固 定 电压结合 扰 动 观 察 法 ． 该 方 法 利 用 固 定 电压法 跟 踪 的 快 速 性 ， 使太 阳 电 池迅速 工 作 于 最 大 功 率点 附 近 ， 然 后 采 用 小 步 长 扰 动 观 察 法 精 确地 跟 踪 到最 大 功 率 点 ．1 太阳 电 池1． 1 太阳 电 池 仿 真 模型根 据 电子 学理 论 ， 当 负载 为 纯 电 阻 时 ， 太 阳 电 池的 实 际等 效 电 路 如 图 1 所 示 ［ 6］ ．图 1 太阳 电 池 等效 电 路Fig ． 1 Equivalent circuit of solar cell对 应 的 I － U 函 数 如 下 I I ph － I d － I sh I ph － I 0 eq U IR s /AkT － 1 －IR s URsh ． 1式 中 Iph 为 光 生电流 ; I 0 为 二 极 管 反 向 饱 和电流 ; Rsh为 太 阳 电 池 并 联 电 阻 ; Rs 为 太 阳 电 池 串 联 电 阻 ; q 为电子电 荷 ; k 为 波 尔 兹曼 常数 ; T 为 绝 对 温 度 ; A 为 二极 管 系数 ; U 为 太 阳 电 池输 出 电压 ; I 为 太 阳 电 池输出 电流 ．设 参考 条件下 太 阳 辐 射 强 度 Rref 为 1 kW /m2、太 阳 电 池 温 度 Tref 为 25 ℃ ， I sc 为 太 阳 电 池 短 路 电流 ， Uoc 为 太 阳 电 池 开 路 电压 ， I m 为 最 大 功 率 点 电流 ，Um 为 最 大 功 率 点 电压 ．由 式 1 化 简 太 阳 电 池 的 I － U 方 程 ［ 7］I I sc 1 － C1 e UC2Uoc － [ ]1 ． 2西安 石油 大学学报 自然科学 版 其 中 C1 1 － I m /I sc eUmC2 Uoc ; 3C2 Um /U oc － 1 / ln 1 － I m /I sc ． 4当 太 阳 辐 射 、 温 度 变 化 时 ，I I sc 1 － C1 e U － DUC2 Uoc － [ ]1 DI． 5其 中 DI α RRref DT RRref－ 1 I sc; 6DU － β DT － Rs DI ; 7DT Tc － Tref ; 8α 为 参 考 太 阳 辐 射 强 度 下 的 电 流 变 化 温 度 系 数 A / ℃ ; β 为 参考 太 阳 辐 射 强 度下的 电压变 化 温 度系数 U / ℃ ．根 据 厂 家 提 供 的 I sc、 Uoc 、 Um 、 I m， 利 用 式 3 、 4、 6 、 7 计 算 出 C1、 C2 、 DU 、 DI ， 最 后 代 入 式 5 ， 即 可得 到 太 阳 电 池 的特 性 方 程 ． 由 此 搭 建 太 阳电 池仿 真 模型 ［ 8-9］ ．1． 2 太阳 电 池 外 特 性图 2、 图 3 给 出 了 当 太 阳 辐 射 强 度 和 太 阳 电 池温 度 变 化 时 太 阳 电 池输 出 功 率 特 性 曲线 ．图 2 太阳 电 池功 率随 光 强 变 化的 P － U 曲线 25℃ Fig ． 2 P － U curves of solar cell under differentlight intensity 25℃ 图 3 太阳 电 池 随温 度 变 化的 P － U 曲线 1 kW /m 2Fig ． 3 P － U curves of solar cell under differenttemperature 1kW /m 2由 图 2、 图 3 可 知 温 度 恒 定 时 ， 随 着 光 强减 弱输 出 功 率 减 小 ; 光 强 恒 定 时 ， 随 着 温 度 升 高 输 出 功 率减 小 ． 由 此 可 以 看 出 ， 光 照 和温 度 影响 太 阳 电 池 的 输出特 性 ， 且 在 某一特定 光 照 和温 度下 ， 存 在 惟 一 最 大功 率 输 出 点 ．2 光 伏 系 统 MPPT 控 制 方 法 及 其仿 真2． 1 固 定 电 压 法图 2 表 明 ， 当 温 度一定 时 ， 光伏 系统 P － U 曲线上 的 最 大 功 率 点 电压 几乎 为一定 值 ， 如 果 将 输 出 电压 控制 在 此 值 ， 则 太 阳 电 池 近 似 工 作 在 最 大 功 率 点处 ． 其 仿 真 图形 如 图 4 所 示 图 4 固 定 电 压 法 实 现 MPPTFig ． 4 Implimentation of MPPT using constant voltage algorithm该 方 法 控制 简单 ， 容 易 实 现 ． 由仿 真 波 形 可 以 看出 ， 其 启 动 特 性 很 好 ， 启 动 时 间 为 0． 02 s， 光 照 突变后可 以 快 速 跟 踪 到 最 大 功 率 点 ， 但 是 精 度 比 较 低 ， 只适 用 于 小 功 率 场 合 ．2． 2 扰 动 观 察 法扰 动 观 察 法 的 原理 是 先 扰 动 输 出 电压 值 ， 并根据 公 式 P UI 计算 出 扰 动 前 后 太 阳 电 池 的 输 出 功率 ， 然 后 进 行 比 较 ， 若 扰 动 后 输 出 功 率 增 加 ， 则 下一次 向相同 的方 向 继 续 扰 动 ; 反 之 ， 则 向相 反 的方 向 扰动 ． 其 仿 真 图形 如 图 5 所 示 ．图 5 扰 动 观 察 法 实 现 MPPTFig ． 5 Implimentation of MPPT using disturbanceand observation algorithm09王 志 敏 等 一种 改进 的 光伏 发 电系统 MPPT 控制方 法扰 动 观 察 法 是 比 较 常 用的一种 MPPT 控制方法 ， 它 的 缺点 是 扰 动 步 长 难 以确定 ． 步 长 过大 ， 动 态响 应 速 度 快 ， 但 是稳 态 时会 出 现 振荡 ; 步 长 过 小 ， 则跟 踪 速 度 变 慢 ． 从 仿 真 波 形 可 以 看 出 ， 该 方 法 启 动 时间 为 0． 05 s， 光 照 突变 后 ， 跟 踪 的 速 度 比 较 慢 ， 同 时出 现 一 个大 的 波 动 ， 说 明 出 现 了 “ 误 判 ” 现 象 ， 并 且稳 态 时 出 现 振荡 ．2． 3 电 导 增 量 法该 方 法 通 过 比 较 光伏 阵 列 的 瞬 时 电 导 和电 导 变化 量 来 实 现 最 大 功 率 跟 踪 ． 根 据 太 阳 电 池输 出特 性曲线 P UI 可 知 ， 在 最 大 功 率 点 处 其 斜 率 为 零 ， 即P IU， dP /dU I UdI / dU 0， dI /dU － I /U．如 果 光伏 阵 列 输 出 端 电压和电流 的 检 测 满 足 精度 要 求 ， 则 通 过 比 较 dI / dU 值 与 负 数 I /U 值 能 精 确地 寻 找 最 大 功 率 点 ． 当 输 出 电 导 的 变 化 量 等 于 输 出电 导 的 负 值 时 ， 光伏 阵 列 工 作 在 最 大 功 率 点 ; 当 电 导的 变 化 量 大于 电 导 的 负 值 时 ， 工 作 点应 向 右 移 动 ; 电导 的 变 化 量 小 于 电 导 的 负 值 时 ， 工 作 点应 向 左 移 动 ．其 仿 真 图形 如 图 6 所 示 ．该 方 法 控制 算法 比 较 复 杂 ， 检 测 精 度 要 求 较 高 ．由仿 真 图 可 以 看 出 ， 电 导增 量法 启 动 时 间 为 0． 07 s，跟 踪 速 度 比 较 慢 ， 但 稳 态 时 无 波 动 ， 精 度 较 高 ．图 6 电 导 增 量 法 实 现 MPPTFig ． 6 Implimentation of MPPT using conductivityincrement algorithm3 一种 改 进 的 MPPT 控制 方法上 述 3 种 常 用的 MPPT 控制方 法 有 各 自 的优 缺点 ． 如 果 能 够 取 长 补 短 ， 利 用 固 定 电压法 跟 踪 快 速性 ， 使太 阳 电 池迅速 工 作 于 最 大 功 率 点 附 近 ， 然 后 采用 小 步 长的 扰 动 观 察 法 进 行 跟 踪 ， 能 有效 减 小 系统在 最 大 功 率 点 附 近 的 振荡 现 象 ， 改 善 系统 的 整 体性能 ． 因 此提 出 了 固 定 电压结合 扰 动 观 察 法 ．该 方 法 控制 流 程 图 如 图 7 所 示 ， 本 算法 以 Δ U 为临 界 判 断 值 ， 当 电压变 化大于 Δ U 时 ， 采 用 固 定 电压法 迅速 跟 踪 最 大 功 率 点 ， 使 输 出 电压 稳 定 在 Um ; 当图 7 固 定 电 压 结合 扰 动 观 察 法 MPPT 流 程图Fig ． 7 Flowchart of MPPT control by combining constant voltage algorithm with disturbance － observation algorithm电压变 化 小 于 Δ U 时 ， 采 用 小 步 长 扰 动 观 察 法 ， 同 时修 改 固 定 电压 控制 算法 设 定的 参考 电压 为 此 时 的Uk． 重 复 上 述 过程 ， 直 到 Δ P 近 似 为 零 ．仿 真 波 形 如 图 8 所 示 ．图 8 表 明 ， 该 方 法 启 动 特 性 良好 ， 0． 02 s 时 进 入稳 定状 态 ， 当 光 强 突变 时 ， 经 过 0． 005 s 系统 重 新 达到 稳 态 ， 跟 踪 速 度 非 常 快 ， 并 且 进 入 稳 态 后 功 率 没 有出 现 振荡 ， 稳 态精 度有 所 提 高 ． 因 此 ， 固 定 电压结合扰 动 观 察 法 在动 态 响 应 速 度 和 稳 态精 度 上 都 得 到 了很 大 的 改 善 ．19西安 石油 大学学报 自然科学 版 图 8 固 定 电 压 结合 扰 动 观 察 法 实 现 MPPTFig ． 8 Implimentation of MPPT by combining constant voltagealgorithm with disturbance － observation algorithm4 结 论固 定 电压法 启 动 快 ， 精 度 低 ， 一 般 在 小 功 率 场 合应 用 ; 扰 动 观 察 法 扰 动 步 长 难 以确定 ， 步 长 过大 ， 动态 响 应 速 度 快 ， 但 是稳 态 时会 出 现 振荡 ， 而 步 长 过小 ， 则 跟 踪 速 度 变 慢 ． 固 定 电压结合 扰 动 观 察 法 ， 能充 分发 挥 固 定 电压法 的长 处 ， 快 速 跟 踪 到 最 大 功 率点 附 近 ， 然 后 用 小 步 长 扰 动 观 察 法 较 精 确地 实 现MPPT， 同 时 满 足 系统 动 态 响 应 速 度 和 稳 态精 度的要 求 ．参 考 文 献 ［ 1］ 周 昶 ． 太 阳 电 池 阵 列 模 拟 电 源的 研究与 设 计 ［ D］ ． 上海 复 旦 大学 ， 2010．［ 2］ Trishan Esram， Patrick L Chapman． Comparison of photo-voltaic array maximum power point tracking techniques［ J］ ． IEEE Transactionson Energy Conversion， 2007， 22 2 439-449．［ 3］ 杨 鲁 发 ． 光伏 并 网 发 电系统 MPPT和 孤 岛 检 测 技术 的研究和实 现 ［ D］ ． 保 定 华北 电力 大学 河 北 ， 2010．YANG Lu-fa ．Researchand Implementation on MPPT andIslanding Detection of Grid-connected PV Power Genera-tion System［ D］ ． Baoding North China Electric Power U-niversity Hebei ， 2010．［ 4］ Hohm D P， Ropp M E． Comparative study of maximumpower point tracking algorithms using an experimental，programmable， maximum power point tracking test bed［ C］ ． 28th IEEE Conferenceon Photovoltaic Specialists，2000 1699-1702．［ 5］ 徐 鹏 威 ， 刘 飞 ， 刘 邦 银 ， 等 ． 几 种 光伏 系统 MPPT方 法 的分 析 比 较 及 改进 ［ J］ ． 电力电子 技术 ， 2007， 41 5 3-5．XU Peng-wei， LIU Fei， LIU Bang-yin， et al ． Analysis，comparison and improvementof severalMPPT methodsforPV system［ J］ ． PowerElectronics， 2007， 41 5 3-5．［ 6］ 苏 建 徽 ， 余 世 杰 ， 赵 为 ， 等 ． 硅 太 阳 电 池 工 程 用 数 学 模型 ［ J］ ． 太 阳 能学报 ， 2001， 22 4 409-412．SU Jian-hui， YU Shi-jie， ZHAO Wei， et al ． Investigationon engineeringanalytical model of silicon solar cells［ J］ ．Acta Energiae Solaris Sinica， 2001， 22 4 409-412．［ 7］ 茆 美 琴 ， 余 世 杰 ， 苏 建 徽 ． 带 有 MPPT 功 能 的 光伏 阵 列Matlab 通 用 仿 真 模 型 ［ J］ ． 系 统 仿 真 学 报 ， 2005， 17 5 1248-1251．MAO Mei-qin， YU Shi-jie， SU Jian-hui ． Versatile Matlabsimulation model for photovoltaic array with MPPT func-tion ［ J］ ． Journal of System Simulation， 2005， 17 5 1248-1251．［ 8］ 刘 翼 ， 荆 龙 ， 童 亦 斌 ． 基 于 Simulink 的 太 阳 电 池 组件 建模和 MPPT仿 真 研究 ［ J］ ． 科技 导 报 ， 2010 18 94-97．LIU Yi ， JING Long， TONG Yi- bin ． Study of PV moduleand MPPT control based on Simulink ［ J］ ． Science andTechnologyReview， 2010 18 94-97．［ 9］ Geoff Walker ．Evaluating MPPT converter topologiesusinga MATLAB PV model［ J］ ． Journal of Electrical ＆ Elec-tronics Engineering， 2001， 21 1 49-55．责任编辑 田美娥29Key words nickel-base alloys; pure chromium; high temperature and high pressurecorrosion; electrochemicalimpedance spec-troscopy; passive film ; corrosionresistanceXIE Li-hua1 ， CHEN Chang-feng2 ， LI He-lin 3 ， JING Feng-jun2 ， LI Sheng-yi2 1． Faculty of Mechanical and Oil-Gas Storage andTransportation Engineering， China University of Petroleum Beijing ， Beijing 102249， China; 2． College of Sciences， China University ofPetroleum Beijing ， Beijing 102249， China; 3． Tubular GoodsResearchInstitute， CNPC， Xi ＇an 710065， Shaanxi， China JXSYU 2012V． 27 N． 2 p． 76-79Classification recognition technique of defects based on pulse magnetic flux leakage testingAbstract Pulsedmagnetic flux leakage PMFL testing is an emergingand effective electromagneticnon-destructive testing tech-nique， and the defect classification is a key step to defect detectionand evaluation ．A new PMFL sensorwasdesignedbasedon the prin-ciple of pulsed magnetic flux leakagetesting， and the different types of the defects of standard sampleswere detected ．The peak values，zero-crossing time and the amplitude at somefrequency in frequency spectrumwere selectedas characteristic parametersfor the classifi-cation recognition of defects through the characteristic analysis of the transient differential signalsin time domain and frequency domain ．Experiment results show that the proposeddefect classification recognition method basedon pulsed magnetic flux leakagetesting is ef-fective to different types of the surfacedefects in steel plate specimenof 10 mm thickness ．Key words PMFL testing; classification recognition of defect; frequency spectrumanalysis; sensorZHANG Tao1， ZUO Xian-zhang1 ， TIAN Gui-yun2， ZHANG Yun1 ， FEI Jun-biao1 1． Department of Electrical Engineering， OrdnanceEngineering College， Shijiazhuang 050003， Hebei， China; 2． School of Electrical， Electronic and Computer Engineering， University ofNewcastle， NewcastleNEI 7RU， U． K． JXSYU 2012 V． 27 N． 2 p． 80-85Design of a high- performance all- digital electric motorcycle control systemAbstract According to the technical requirementsof electric motorcycle， a kind of all- digital brushless DC motor control systemfor electric motorcyclewas developedbasedon DSP TMS320F2812 and IPM IRAMY20UP60B ． The hardwaredesign scheme， con-trol strategy， control pattern and basic software design idea of the system are elaborated ．This system is of the characteristics of simplestructure， high control accuracy， flexible changeablecontrol strategy， etc ．The test results of prototype showedthat the system is reliableand reasonable ．Key words electric motorcycle; control system; intelligent powermodule; TMS320F2812WEI Min College of Electronic Engineering， Xi ＇an ShiyouUniversity， Xi ＇an 710065， Shaanxi， China JXSYU2012V． 27 N． 2 p． 86-88An improved MPPT control method for photovoltaic generation systemAbstract A lot control methodsof Maximum Power Point Tracking MPPT are proposedin the photovoltaic system currently ．Three typical MPPT control methodsare describedin this paper， and their starting time， dynamic responseand steady-state accuracy arecomparedin the simulation ．An improved control method， combining constant voltage algorithm with perturb-observealgorithm， is pro-posed finally ．The simulation results show that the method is provided with quickly responseand high steady-state accuracy ．Key words photovoltaic system; MPPT; combining constant voltage algorithm with perturb- observationalgorithmWANGZhi- min， ZHANG Jian-jun， GUO Yan-qiong College of Electronic Engineering， Xi ＇ anShiyou University， Xi ＇ an710065，Shaanxi， China JXSYU 2012 V． 27 N． 2 p． 89-92Application of a hybrid genetic algorithm in the load balancing of cloud computingAbstract Genetic algorithm is widely applied in solving the complicated scientific and engineering problems ．But becausethereare many limiting factors in the application of traditional GA in solving the optimization of multi- dimension function， the traditional GAalgorithm can not applied to cloud computing ．Multi- agent genetic algorithm MAGA is a hybrid algorithm of GA with multi- agents，whose performanceis far superior to that of the traditional GA． The advantagesof MAGA over traditional GA are demonstrated， and thenMAGA is used for solving the load balancing in cloud computing by designing a load balancing model on the basis of virtualization re-source management．Finally ， the experimentresults prove that MAGA is able to achievebetter performanceof load balancing than Min_min strategy ．Ⅸ