基于改进MPPT算法的光伏发电最大功率跟踪系统

基于改进 M PP T 算法的光伏发电最大功率跟踪系统何薇薇 1 ,熊宇 1 ,杨金明 2 ,黄焯兴 3(1. 中山火炬职业技术学院 ,广东 中山 528436 ;2. 华南理工大学 电力学院 ,广东 广州 510640 ;3. 中山市威尔逊科技实业有限公司 ,广东 中山 528400)摘要 :针对光伏发电系统最大功率跟踪问题 ,提出了一种改进的自适应爬山算法 ,通过 Matlab/ Simulink进行仿真 ,并在硬件电路基础上对系统的性能进行了验证 。 仿真和实验结果表明 ,在此算法控制下 ,系统可稳定快速地追踪最大功率点 ,具有较高的跟踪精度结果 ,可在各种情况下 ,尤其对光照突变等恶劣情况下可实现光伏电池的最大功率跟踪 ,有较强的适应能力 。关键词 :光伏发电系统 ;最大功率跟踪 ;自适应爬山算法中图分类号 : TM615 文献标识码 :APhotovoltaic Maximum Power Point Tracking System Based on an Improved MPPT AlgorithmH E Wei2wei 1 ,XION G Yu 1 , YAN G Jin2ming 2 ,HUAN G Zhuo2xing 3( 1. Zhongshan Torch Technical College , Zhongshan 528436 , Guangdong ,China;2. Electric Power College , South China University of Technology , Guangz hou 510640 , Guangdong , China;3. Zhongshan Warsony Science and Technology Industrial Co. L td. , Zhongshan 528400 , Guangdong , China)Abstract :A modified adaptive hill climbing algorithm was proposed for the photovoltaic maximum powerpoint tracking. The sysytem performance was evaluated by experiments and simulations in Matlab/ Simulink.The results show that with the algorithm , the system can track the maximum power point smoothly and quick 2ly , and has good adaptability to problems like degradation of the photovoltaic illumination.Key words :photovoltaic system ; maximum power point tracking (MPPT ) ; adaptive hill climbing algorithm基金项目 :国家自然基金重点项目 (60534040 )作者简介 :何薇薇 ( 1984 - ) ,女 ,硕士研究生 ,Email :heweiwei90810 @yahoo. com. cn1 引言通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪 (M PPT) ,是提高光伏发电系统的发电量 、 降低发电成本的有效措施 。目前 ,国内外已研究出多种方法 ,常用的有扰动观察法 ( P A 为电池板特性常数 ; IL G 为光电流 ; I OS为暗饱和电流 ; T 为光伏电池的表面温度 ; K 为玻尔兹曼常数 ; RSh 为电池的并联电阻 ; Rs 为电池的串联电阻 ; q 为单位电荷 。图 2 和图 3 分别示出光伏电池不同光强的P - U 曲线和不同温度的 I - U 曲线 。 P - U 曲线和 I - U 曲线实际上是温度和光强的函数 , 它们都随着这两者的改变而变化 ,其中 ,温度主要影响输出电压 ,光照影响输出电流 。 且具有非线性 ,存在唯一的最大功率输出点 。研究表明 :除材料的工艺外 ,影响最大功率点的重要因素为光照强度和光伏电池温度 。因此 ,要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点 , 就需要使用光伏电池最大功率跟踪 (M PPT) ,M PPT 技术实施最重要的是寻找合适的 M PPT 控制算法 ,能在快速变化的天气条件下有效地跟踪最大功率点 ,控制光伏电池尽可能地工作在最大功率点上 。图 2 光伏电池 P- U 曲线图Fig. 2 The P - U curves ofthe photolvoltaic cell图 3 光伏电池 I - U 特性图Fig. 3 The I - U curves ofthe photolvoltaic cell3 MPP T 控制算法原理扰动观察法 ,电导增量法的实质都是通过控制光伏电池阵列端电压 U PV ,即根据各种不同的光照及温度环境下不断调整 U PV , 使阵列始终输出最大功率 。 当满足 d P/ dU = 0 时 ,系统运行在最大功率点 。 扰动观察法在天气变化较快的情况下会出现错误判断 ,偏离最大功率点 ,而且跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾 [ 1 ] 。 电导增量法适用于天气变化较快的场合 ,但较为复杂 ,对硬件的要求比较高 ,系统各部分响应速度要求比较快 ,因而整个系统造价也会比较高 [ 2 ] 。自适应爬山法通过控制 DC/ DC 变换器开关管的占空比 D ,即根据功率的变化在线自动调节占空比的变化量 a ,从而调整光伏电池输出功率 ,使其始终输出最大 [ 5 ] 。 要使光伏电池功率输出最大 ,就要满足 d P/ d D = 0 。 当 d P/ dD > 0 时 ,系统工作在最大功率左边 ; 当 d P/ dD e时 ,表示 Δ P 主要由光照变化引起的 ,此时 a ( k) 的方向应该跟 Δ P 方向一致 ,系统将在线自动调节 a( k) 的值 ,使其适应外界环境 。 当 |Δ P/ a ( k - 1) | < e 时 , 表示光照变化不大 ,系统处于相对稳定的状态 ,此时系统根据 Δ P确定 slope ,并相应调整 a ( k) 的值 。 e 及 M 为两个重要的调整参数 ,其值也是决定系统能否灵活跟踪到光伏电池最大功率输出点 。 由于系统可以在线自动调整参数 ,因此可以适应天气突变及天气变化不大的情况 。图 5 自适应爬山法控制流程图Fig. 5 Control flow chart of MA HC algorit hm4 仿真及实验结果4. 1 仿真结果根据光伏电池的数学模型 ,在 Matlab/ Simu2link 环境中建立了光伏发电最大功率跟踪系统的04电气传动 2009 年 第 39 卷 第 6 期 何薇薇 ,等 :基于改进 MPP T 算法的光伏发电最大功率跟踪系统仿真模型 [ 7 ] 。 仿真结果如图 6 所示 。图 6a 和图6b 为系统采用改进型自适应爬山法的 U PV 及 P PV随时间 t 变化的曲线 。由仿真结果可知 :系统在小于 0. 01 s 的时间内克服了扰动 ,找到最大功率点 ,响应速度快 ,在搜索到最大功率点时基本保持不变 ,具有较好的动态性能和精度 。系统采用自适应爬山法可较好地改善光伏电池最大功率跟踪控制的效果 。图 6 仿真结果Fig. 6 Result s of simulation4. 2 实验结果基于上述研究 ,搭建了一台功率为 3 kW 的光伏发电最大功率跟踪系统装置 。 系统框图如图7 所示 ,它主要由光伏电池阵列 、 Boost 电路及M PPT 控制器组成 。 光伏电池开路电压约为 350V 左右 ,额定输入功率为 3 kW 。图 7 系统电路原理图Fig. 7 The schematic diagram of system circuitM PPT 控 制 器 是 由 TI 公 司 生 产 的 TMS320L F2407芯片实现。 光伏电池阵列的输出电压和输出电流信号经霍尔传感器检测后送到控制器 ,经 DSP 芯片运算处理得到开关管占空比 ,用以控制 Boost 电路 ,从而调节光伏电池输出功率 ,这个过程反复进行直到系统工作在最大功率点。图 8 示出系统在典型的晴天天气下的运行情况 ,实验记录了一天内从早上 8 点多到下午 5 点多光伏电池阵列 MPP T 控制的过程 。图 8a、 图8b、 图 8c 分别是光伏电池阵列输出电压 U PV 、 电流 I PV 及功率 P PV随时间 t 变化的曲线 。从实验结果可知 ,光伏电池阵列的输出功率随光强的变化而变化 ,最大功率输出在 12点到 13图 8 MPPT 实验波形Fig. 8 The experimental curves of MPPT点之间。 实验结果表明 ,自适应爬山控制算法具有良好的动态性能和稳态性能 ,提高了系统的效率 。5 结论本文采用改进型自适应爬山算法对光伏电池最大功率跟踪进行了研究 ,并在实验的基础上对系统的性能进行了验证 。 采用改进型自适应算法跟踪速度快 ,在外界环境相对稳定的情况下系统有良好的稳定性 ,能稳定工作在最大功率点 ;当外部环境突变时系统能快速 、 准确地跟踪最大功率点 ,同时基本上消除了系统在最大功率点振荡的现象 ,是一种比较理想的控制方法 。参考文献[ 1 ] Hua C , Lin J ,Shen C. Implementation of a DSP2controlledPhotovoltaic System wit h Peak Power Tracking [J ]. IEEETrans. Indust rial Electronics , 1998 ,45 (8) :99 - 107.[ 2 ] Hadj Arab A ,Ait Driss B ,Amineur R. Phorovoltaic SystemSizing for Slgeria[J ]. Solar Energy , 1995 ,54 (2) :99 - 104.[ 3 ] Koutroulis E , Kalaitzakis K. Development of a Microcon 2troller 2based Photovoltaic Maximum Power Point TrackingControl System[J ]. IEEE Trans. Power Elect ronics ,2001 ,16 ( 3) :46 - 54.[ 4 ] Altas I H , Ssharaf A M. A Novel On2line MPP T SearchAlgorit hm for PV Arrays[J ]. IEEE Trans. Energy Conves ,1996 ,1 (4) :748 - 754.[ 5 ] 陈桂兰 , 孙晓 ,李然 . 光伏发电系统最大功率点跟踪控制[J ]. 电子技术应用 ,2001 ,27 (8) :33 - 35.[6 ] 雷元超 ,陈春根 ,沈骏 ,等 . 光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究 [J ]. 电工电能新技术 ,2004 ,23 ( 3) :76 - 80.[ 7 ] 苏建微 ,余世杰 ,赵为 . 硅太阳电池工程用数学模型 [J ]. 太阳能学报 , 2001 ,22 (4) :409 - 412.收稿日期 :2008205215修改稿日期 :200920222114何薇薇 ,等 :基于改进 MPPT 算法的光伏发电最大功率跟踪系统 电气传动 2009 年 第 39 卷 第 6 期