一种改进的变步长电导增量光伏电源MPPT控制方法_原敬磊

第 28卷 第 1期2012年 1月电网与清洁能源Power Systemand Clean EnergyVol.28 No.1Jan. 2012文章编号： 1674- 3814（ 2012） 01- 0075- 05 中图分类号： TM743 文献标志码： A一种改进的变步长电导增量光伏电源 MPPT 控制方法原敬磊， 张建成（ 华北电力大学 电力工程系， 河北 保定 071003）An Improved Variational Step Incremental Conductance Control Method forMaximum Power Point Tracking in Photovoltaic SystemYUAN Jing-lei, ZHANG Jian-cheng（ Dept. of Electric Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， Hebei, China）ABSTRACT ： The Maximum Power Point Tracking (MPPT) isdesigned to maximize electricity that photovoltaic cells produce,so as to improve photovoltaic power efficiency and reduce thephotovoltaic power cost. Because the common perturbation andobservation (P&O) runs at a low speed, and the incrementalconductance (IncCond) suffers from a larger oscillations at thepoint of MPP, this paper proposesan improved variational stepincremental conductanceMPPT control method. The method notonly has the advantagesof the IncCond, but also quickly tracksthe maximum power point more accurately and steadily, thusmore suitable to increase energy efficiency in PV systems.MPPT control methods are simulated and compared in thispaper, and the results verify the rapidity, stability andeffectivenessof the proposedMPPT method.KEY WORDS: photovoltaic(PV) system； maximum power pointtracking (MPPT)； variational step incremental conductance；oscillation area摘要： 光伏系统的最大功率点跟踪方法可以最大限度地利用光伏电池所能产生的电能， 因此成为提高光伏发电系统运行效率 、 降低光伏电能成本的研究热点 。 针对目前常用的扰动观察法速度较慢 、 电导增量法在最大功率点附近有较大振荡的问题， 提出一种改进变步长电导增量的最大功率点跟踪控制方法， 该方法既具有电导增量法快速跟踪的优点， 又能准确 、 稳定地跟踪到最大功率点， 因此更适于提高光伏电源的能源利用率 。 对所提方法进行了仿真分析， 并比较了几种MPPT算法的跟踪效果， 结果表明， 所提方法具有快速性 、 稳定性和有效性 。关键词： 光伏发电； 最大功率点跟踪； 变步长电导增量法； 振荡范围进入 21世纪以来，随着化石能源的逐渐短缺 、环境问题的日益严重， 优化能源结构 、 提高能源效率 、 发展新能源和可再生能源已成为世界各国可持续发展的关键问题 。 太阳能作为最重要的可再生能源之一， 以其无噪声 、 无污染 、 能量容易取得等优点越来越受到重视 。 由于太阳能发电成本较高， 所以致力于提高光伏系统转化效率 、 降低光伏电能成本的研究正在进一步推进 [1-2] 。本文提出了一种改进的变步长电导增量的最大功率点跟踪 （ maximum power point tracking ， MPPT）方法，能有效地减小在最大功率点附近的振荡， 同时具有快速性 、 稳定性 。 因此， 更适于提高光伏电源的能源利用率 。1 光伏电池的数学模型与最大功率点跟踪太阳能电池通过半导体材料的光伏效应来产生电能，电池组件的 I- U特性随光照辐射强度和电池温度的变化而变化， 其输出电流 - 电压数学模型可表示为 [3]I=Iph- I 0 [eq（ U+ IR s）nkT -1]- U+IR sRsh（ 1）式中， I为光伏电池输出电流； I ph为光生电流； I0为 P-N结的反向饱和电流； q为电子电荷； U为光伏电池输出电压； k为波尔兹曼常数； n为 P-N 结的曲线常数； T——— —— —— —— —— —— —— —— ——基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 51177047） ； 国家科技支撑计划项目 （ 2011BAA07B02 ） 。Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina （ 51177047） ； Key Project of the National Tweleth -Five YearResearch Programme of China（ 2011BAA07B02 ） .清洁能源Clean Energy为热力学温度； Rs、 Rsh为光伏电池的自身固有电阻 。由光伏电池的数学模型可以看出， 光伏电池受光照强度 、 温度的影响， 输出特性具有明显的非线性， 其输出电气特性如图 1所示 。图 1中， 在一定的光照强度与温度下， 当输出电压为某一特定值时， 输出功率达到最大值， 这个特定的最佳工作点称为最大功率点 。 因此， 要提高光伏发电系统的整体效率 、 降低电能成本， 一个重要的途径就是实时调整光伏模块的工作点， 使之始终工作在最大功率点附近， 这一过程就为 MPPT[4]。 目前，国内外研究的最大功率点跟踪技术方法很多，有恒定电压法 、 功率反馈法 、 扰动观察法 、 电导增量法 、 模糊控制法 、 人工神经网络法等 [5-7] ， 其中扰动观察法和电导增量法被普遍采用 。 扰动观察法相对简单， 且硬件容易实现， 但响应速度慢 、 稳定条件下仍有大幅度振荡 。 电导增量法以动态变化太阳能光伏电池输出电压来跟踪最大功率点， 其数学模型如式（ 2） 所示， 通过修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象 。 但由于外界环境不稳定， 一般为了较快跟踪到最大功率点， 选取较大步长， 加之测量误差和数字控制量化误差的影响， 电导增量法也无法避免在最大功率点附近的振荡， 特别是外界环境变化剧烈时 [8-10]坠 Ppv坠 Upv =0圯坠（ UpvI pv）坠 Upv =0圯 IpvUpv+ dI pvdUpv=0 （ 2）文献 [11-12] 提出了变步长电导增量的思想， 其数学模型如式 （ 3） 所示， 该文献提出通过设置合适的系数 A， 使其兼具较高的跟踪精度和可变的步长 。结合图 1的 P- U曲线， 当 dP/dU>0时， 曲线上升越慢斜率的绝对值越小； 但当 dP/dU<0时， 曲线下降斜率的绝对值较上升时大的多， 即所得步长是上升时的几倍 。 由于最大功率点两侧的不对称性， 在最大功率点右侧可能因为调节步长过大直接跳到左侧， 从而产生较大振荡 。 另外， 该文献的步长变化是直接基于占空比的调节Dk+1=Dk+stepstep=A× abs（ dP/dU） （ 3）一般地， 变步长比固定步长更能反应其动态特性， 即能快速跟踪到最大功率点附近 。 理论上， 上述几种方法均能实现最大功率点的跟踪， 但实际中由于系统一般处于动态过程， dP/dU为 0的情况很少出现， 所以即使在稳态环境中也存在一定的振荡 。2 改进的变步长电导增量方法为了进一步提高 MPPT控制的稳态性能，本文提出一种改进的变步长电导增量法， 该方法基于改变光伏模块的输出电压， 通过控制技术与脉宽调制（ PWM） 技术相结合来改变高频开关的占空比， 且比文献 [12]所提方法更能反应其动态特性 。 从图 1中 P- U曲线可看出当 dP/dU小于 0时曲线下降越快斜率的绝对值越大， 且最大功率点右侧斜率绝对值约为左侧斜率的 4倍，所以此时应比在 dP/dU大于 0时进一步减小步长 。 改进的变步长电导增量法即利用最大功率两侧斜率绝对值的差异， 在最大功率点左侧步长比例系数取 k1， 在其右侧比例系数取 k2（ k1=4k2） ，通过变系数变步长来实现快速跟踪 。 同时为了减小稳定条件下的振荡范围， 通过设置振荡阈值 A， 在最大功率点附近选取更小步长以免在最大功率点右侧由于步长过大而直接跳到最大功率点的左侧， 从而有效地缩小了在最大功率点附近的振荡 。 图 2为改进变步长电导增量的 MPPT控制方法的流程图 。由于改进的变步长电导增量法更能反应其动态特性， 且易于实现， 因此， 该方法可以快速跟踪并且稳定精确地达到 MPP附近 。3 控制器设计由于本文只针对最大功率点跟踪技术的控制策略展开研究， 因此要验证所提方法的有效性只需搭建光伏发电并网系统的前级，其结构图如图 3所示， 本文直流 /直流 （ DC/DC） 转换采用 Boost升压斩波电路进行转换， 具体充分利用其升压性质 、 储能电感位于输入侧 、 输入电流脉动小 、 输出容量大等特原敬磊， 等： 一种改进的变步长电导增量光伏电源 MPPT控制方法 Vol.28 No.1图 1 光伏模块输出电流 - 电压和输出功率 - 电压特性图Fig. 1 Typical I- U and P- U characteristics of a PV array清洁能源Clean Energy76点 。 所有控制算法均在单片机控制器 80C196MC上完成， 其软件编程以 LCA为工具平台， 根据图 2的流程图对所用最大功率点跟踪控制方法进行编程 。 利用霍尔元件对光伏电源输出电压电流进行采样， 通过单片机控制器的控制输出一系列 PWM 脉宽调制脉冲， 从而起到调节 Boost硬件电路中高频开关占空比的作用， 进行实现最大功率点的跟踪 。4 控制方法仿真和结果分析为了证明改进变步长电导增量法的有效性， 本文采用 Matlab建立了光伏发电系统仿真模型 。 根据光伏阵列模型与 MPPT控制器结构， 搭建了光伏发电系统 MPPT仿真通用模型，如图 4所示， 并 利 用Simulink 仿真模块与 M文件的双窗口同时运行， 分析比较了几种 MPPT控制方法的仿真结果 。考虑环境温度变化缓慢， 本文只对光照强度做了分析， 以验证所提方法的有效性 。 所用太阳能光伏电池板参考型号为 50（ 17） P660× 630的多晶硅太阳能光伏电池组件， 参考温度 Tref取 25° ， 仿真中采用较大容量 50× 4阵列的 10 kW容量组合 。 图 5、 图 6、 图 7分别为电导增量法 、 变步长电导增量法 、 改进变步长电导增量法的 MPPT仿真结果， 各图依次为光照强度 、光伏模块输出电压 、 电流及功率的时间变化曲线图 。各图中光照强度的变化完全一样，在 0~1 s内低光照强度 （ 光伏电池板对应的转换功率 100 W/m2） ， 1~2 s内斜坡上升的光照强度 （ 光伏电池板对应的转换功率由 100 W/m2斜坡上升到 900 W/m2） ， 3 s时阶跃上升到高光照强度 （ 电池板对应的转换功率 1 000 W/m2） ，而后在 4~5 s光照强度斜坡下降 （ 对应的转换功率由1 000 W/m2斜坡下降到 200 W/m2） ，之后光照强度保持不变 。 光伏模块的输出电压 、 电流和功率随着光照强度的变化而变化 。第 28卷 第 1期 电网与清洁能源图 2 改进的变步长导纳增量法的 MPPT 流程图Fig. 2 Flow process diagram for improved variationalstep incremental conductance MPPT control algorithm图 3 光伏发电并网前级系统结构图Fig. 3 PV grid system preceding stage structure图 4 MPPT 仿真模型Fig. 4 MPPT simulation model图 5 电导增量法 MPPT 仿真结果Fig. 5 Simulation results with IncCond MPPT清洁能源Clean Energy77图 5中，电导增量法 MPPT仿真中取较大步长以较快的跟踪到 MPP， 但光伏模块输出电压 、 电流都有很大的周期性波动， 致使输出功率也有很大振荡 。图 6中，变步长电导增量法 MPPT仿真结果相对电导增量法仿真结果光伏模块输出电压 、 电流的波动范围有所减小， 但仍有较大的波动， 其输出功率也有一定的振荡 。图 7中，改进的变步长电导增量法 MPPT仿真在稳定条件下输出电压 、 电流波动相比电导增量法与变步长电导增量法要小的多， 输出功率的振荡幅度也大大减小， 所以改进的变步长电导增量法能有效地减小稳定条件下的功率振荡范围， 且对阶跃信号及斜坡信号的跟踪也很迅速， 从而有效地提高了光伏电源的能源利用率 。综上所述， 几种方法基本都跟踪到了最大功率点附近， 其中改进的变步长电导增量法的稳定性及精确性最好 。 因此所提方法可以更加精确稳定地跟踪到光伏模块的 MPP。5 结语由于光伏发电容易随天气和时间的变化而变化， 为了得到最大发电量 、 提高能源利用率， 最大功率跟踪装置在光伏发电系统中已不可或缺 。本文提出了一种改进变步长电导增量的最大功率点跟踪方法，通过 Matlab/Simulink 的仿真分析得出， 电导增量法与变步长电导增量法在最大功率点附近都有一定的振荡， 改进变步长电导增量法能大幅度减小在最大功率点附近的振荡， 同时对各种干扰具有快速性， 且在系数 k1取 0.8、 k2取 0.2、 振荡阈值 A取 0.1时得到较好效果 。 因此， 所提改进变步长电导增量法能有效提高光伏电源的能源利用率 。参考文献[1] YANG C, SMEDKEY K M. 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