光伏发电系统中MPPT控制算法的研究及仿真

科学之友 Friend of Science Amateurs 2011 年 05 月 － 1 － 光伏发电系统中 MPPT 控制算法的研究及仿真 陈公兴 （广东技术师范学院天河学院，广东 广州 510540 ）摘 要 文章阐述了光伏发电系统的组成和光伏特性，介绍了 MPPT 控制算法和基本原理，重点论述了扰动观测法和模糊神经控制法等 MPPT 控制算法，并展望了 MPPT 控制算法在光伏系统中的发展方向，对 MPPT 控制算法进行计算机仿真。关键词 光伏系统； MPPT 控制算法；仿真中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1000－ 8136（ 2011） 15－ 0001－ 02随着能源危机以及环境污染问题的日益严重，世界各国对能源尤其是再生能源越来越重视，不断加大对再生能源研究的资金投入。光伏发电系统没有机械运动部件，具有无污染、无噪音、清洁、安全、寿命长、资源永不枯竭等特点，特别是由于其独特的模块化结构，太阳能被广泛的运用到各个领域中。光伏产业在不断的兴起，它将成为将来的主导能源之一，在再生能源中有着不可替代的重要作用。1 光伏发电系统 1.1 光伏发电系统的组成 光伏发电系统主要是由光伏阵列、 DC/DC 变换器、负载和MPPT 控制器组成的。 MPPT 控制器通过分析太阳能阵列的输出参数以及负载处的工作参数来改变 DC－ DC 变换器的输出来完成对最大功率点（ MPP）的跟踪，这些参数包括电压、电流和功率。1.2 太阳能电池的光伏特性 影响太阳能电池光伏特性的因素很多，主要因素是温度和日照，从而它的输出具有非线性特性，图 1 和图 2 分别给出了太阳能电池的伏安特性和伏瓦特性。（ a）相同温度不同日照 （ b）相同日照不同温度图 1 太阳能的伏安特性 （ a）相同温度不同日照 （ b）相同日照不同温度图 2 太阳能的伏瓦特性 从图中可以看出，太阳能的最大功率点随着日照和太阳能电池自身温度的改变而变化的，而这两个外在因素存在着极大的不确定性、无规律性，因此为太阳能光伏系统建立一个精准的系统模型相当难。最大功率跟踪的方法有扰动观测法和模糊和神经网络控制法等等。2 MPPT 控制算法原理 MPPT 算法最大特点是能独立于光伏特性之外，即无需考虑外界气候环境等因素对光伏阵列的影响，控制系统总能找到相应的 MPP，是一种在数学意义上追踪最大功率点的方法。下面对 MPPT 算法进行叙述。扰动观测法是绝大多数 MPPT 控制系统所采用的“爬山法” ，通常对电压进行扰动，称为电压扰动观测法。其基本原理是通过不断改变光伏阵列的输出电压 V PV 来判断独立光伏系统的输出功率是否达到最大点。控制的基本过程 t1 时刻，控制系统采样，独立光伏系统输出电压 V PV（ t1）和电流 IPV（ t1） ，计算出 t1时刻的光伏阵列的输出功率 P（ t1）并保存，然后对光伏阵列的输出电压 V PV（ t1）施加△ V 的扰动，在 t2 时刻同样采样、计算得到 P（ t2） ，然后比较 P（ t1）和 P（ t2）的大小。如果 P（ t1）＞ P（ t2） ，则继续按照原来的扰动方式，否则按照相反的方向扰动。 系统最终的工作点在 MPP 处小幅振荡， 会有一定的能量损耗。但是在如下情况下系统会出现一些误判，虽然最终也能追踪到 MPP，但损耗和振荡将加大，如图 3 所示。图 3 光伏阵列的输出电压与光伏系统的输出功率之间关系 假设系统稳定时在 A1 和 A 之间振荡， 当前工作点在 A 点，其电压为 VA ，那么系统到达 A 点时所应施加的扰动电压增量△ V 应小于 0， 假设此时光照突然加强了， 工作点直接从曲线 1跳到曲线 2 上，那么对应的工作点由 A 点跳到 B1 点，显然 B1点的功率 PB1 大于 PA， 那么系统仍要根据原来的扰动方式继续施加同方向的电压增量△ V ，使得光伏阵列的输出电压继续变小到 B 点， 同样， 如果光照再继续加强， 那么经过再次扰动后，就会到达如图所示的 C 点，离 MPP 更远了，虽然系统最终会调整至 MPP 附近， 但这样增加了系统的响应时间， 造成系统的不稳定，也消耗了更多的能量。此外，当外界因素温度或者日照发生突变时，控制系统可能会出现误判，造成系统的大幅振荡和不稳定。3 MPPT 控制算法仿真设计 MPPT 控制算法仿真总体设计如图 4 所示，利用已经建立的光伏阵列计算机仿真模型以及实测光照强度数据，根据 MPPT 科学之友 Friend of Science Amateurs 2011 年 05 月 － 2 － 昆明新机场地震动控制施工技术研究 邸利军 1，韩 照 2（ 1.中国航空港建设第十工程总队，河北 保定 071052 ； 2.空军工程大学工程学院，陕西 西安 710038 ）摘 要 文章针对昆明新机场工程地质条件复杂的特点，提出地震动控制施工方案。采取碎石桩处理地基，用分层碾压及强夯的方法，对红黏土地基进行处理，确保地基达到抗震要求，并重点介绍了填筑体施工、冲沟施工的施工工艺。 关键词 昆明新机场；地震动；控制；施工技术 中图分类号 V351 文献标识码 A 文章编号 1000－ 8136（ 2011） 15－ 0002－ 021 工程概况 昆明新机场位于著名的小江活动断裂带，该断裂带以地震强度大、频度高著称，是我国西南地区的强震带，而且工程地质条件复杂，属于岩溶地貌，红黏土具有特殊岩土结构特征，如果不对填土场地加以适当控制，新机场局部填筑上部结构的抗震设计将十分困难。针对这一特点，选择具有代表性的若干试验区，取得成果后再进行推广。通过实验研究，昆明新机场地震动控制施工，主要对红黏土地基进行强夯处理，采用凸块碾压和冲击碾压的方式进行填筑体施工，使机场地震动参数得到控制。整个工程完成碎石桩施工 3 416 根，共 40 307.9 m ，原地面清理 8.8 万 m3， 回填土方及爆破料 77 万 m3（其中冲沟22 万 m3） 、 强夯 8.59 万 m2， 50 cm 碎石滤水层 7 104.05 m 3， 盲沟砌筑 689.15 m。2 施工方案 2.1 试验小区选择依据 （ 1）典型的原状地貌，包含简单和复杂的地形，填筑深度有深有浅。（ 2） 有多种填料， 可以有针对性地进行不同填料场地试验。（ 3） 与地基处理和土石方填筑试验相结合， 特别与施工场地参数检测相结合以便对比研究。（ 4）与土石方填筑试验相同的条件，如施工方便等。实际上地震动控制试验小区与土石方填筑试验小区不可分割，虽各有侧重，但在后来实施中完全结合在一起。2.2 试验小区划分 （ 1）选择场区西部一条冲沟，划出 120 m 120 m 的区域作为地震动试验小区，着重试验不同填料、填筑顺序、施工工法、施工质量对地震动的影响。控制算法的原理进行计算机仿真，建立 MPPT 控制算法仿真界面如图 5 所示。 在保持温度为 25 ℃不变的情况下， 根据选择的已采集到的某一天光强数据和输入的算法参数进行计算仿真，计算所选算法的跟踪效率，绘制跟踪曲线。图 4 MPPT 控制算法仿真总体设计 4 结束语 根据 MPPT 控制算法，对 MPPT 控制算法和基本原理进行了阐述，在实际应用中应根据不同的要求和场合来选择相应的MPPT 算法。随着未来光伏产业的不断发展， MPPT 控制器将朝着结构简单轻便、低功耗、可靠性高、抗干扰强、适应性广的方向发展。参考文献 1 崔岩、蔡炳煌、李大勇等 .太阳能光伏系统 MPPT 控制算法的对比研究［ J］ .太阳能学报， 2006（ 6） 535～ 539 2 赵剑飞、曹秉刚、廉龙云等 .太阳能电动车最大功率点跟踪器的设计［ J］ .系统仿真学报， 2003（ 5） 737～ 741 3 张超、 何湘宁 .非对称模糊 PID 控制在光伏发电 MPPT 中的应用［ J］ .电工技术学报， 2005（ 10） 71～ 75 图 5 MPPT 控制算法仿真界面 The Research and Simulation of MPPT Control Algorithm in Photovoltaic System Chen Gongxing Abstract This paper describes the composition of photovoltaic system and photovoltaic characteristics, introduces MPPT control algorithm and the basic principles, focuses on the MPPT control algorithm including disturbance observer method and fuzzy neural control method, etc. and forecasts the MPPT control algorithm ’ s development direction in photovoltaic system, and makes computer simulation on the MPPT control algorithm. Key words photovoltaic system; MPPT control algorithm; simulation 算法仿真 跟踪函数 一天跟踪 仿真函数 算法仿真界面程序光伏方 阵仿真 模型函数 光强、工作电压返回电流某一时刻的光强和工作电压返回跟踪电压和功率算法参数（采样间隔、跟踪步长）返回一天跟踪电压和功率