一种自适应变步长光伏MPPT跟踪算法

2015-02-05山东科技大学电气与自动化工程学院谢明明董明燕王永立

电子世界 2015年13期

山东科技大学电气与自动化工程学院谢明明董明燕王永立

一种自适应变步长光伏MPPT跟踪算法

山东科技大学电气与自动化工程学院谢明明董明燕王永立

由于传统的光伏太阳能发电系统的最大功率点跟踪（Maximun Power Point Tracking，MPPT）算法具有跟踪速度慢和不稳定等缺点，本文阐述了一种改进型的自动适配可变步长的跟踪算法，并在Matlab/Simulink 下进行系统的仿真建模和分析，仿真结果表明该算法在外界光照强度明显变化时能够快速准确的跟踪到系统的最大功率点，且能消除功率振荡现象。

光伏电池；最大功率点跟踪；变步长；光照强度变化；仿真

1 引言

随着社会的发展,由石油、煤、天然气等传统能源开发和利用而导致的环境污染和生态破坏日益凸显,而太阳能作为一种新型清洁能源得到了高度关注和迅速发展。光伏电池板是整个光伏发电系统的电能来源,光伏电池模块的输出功率随外界环境的温度、自然光照的强度等条件的变化而相应变化,其输出特性曲线为非线性曲线[1]。因此,就要对光伏电池阵列MPP进行跟踪,实时调整好其工作点,以提高系统的整体输出效率。

当前,关于MPPT的研究方法有多种,包含扰动观察法、电导增量法、爬山法、恒给定电压算法、光伏电池开路电压法、曲线拟合法、查表法、滑模控制法、寄生电容模型法、模糊控制技术等[2]。本文是基于 Matlab的仿真平台下建立的光伏电池的仿真模型,通过仿真实现了光伏电池工作状况的模拟,并绘制出了在日照强度与环境温度突变的工况下光伏电池的工作特性曲线,通过对其工作特性曲线分析,提出了改进的干扰观察法,并在Simulink平台下做了仿真,仿真的结果表明该方法在日照强度剧烈变化时能快速稳定的跟踪最大功率点。

2 光伏电池建模

2.1 光伏电池的仿真建模

光伏电池是用半导体材料制作成的,考虑材料的电阻特性以及损耗等因素,光伏电池的电路模型可等效成一个二极管与一个具有内电阻的电流源并联,等效电路如图1所示[3,4]。

图1 光伏电池的电路模型图

其中,I为流过负载的电流;Iph为光生电流;Ish为光伏电池的漏电流;Id为流过二极管的电流。

Io为二极管内的反向饱和电流;n为二极管的理想因子,取值为1～2,一般取1.2左右;q为电子电荷量();k为玻尔兹曼常数();T为光伏电池的绝对温度(+273K); Rs为一片光伏电池内部串联等效电阻。

Rs为一片光伏电池内部并联等效电阻。

将Id和Ish带入上式可得:

由上式可得,光伏电池输出U和I的大小跟外界环境因素有关。

2.2 光伏电池的特性曲线

基于上述关系式,在Matlab平台上搭建光伏电池板的仿真模型[6]。当日照强度为1000,电池板温度分别为298K、323K、353K时,输出仿真特性曲线如下图2、图3所示;当电池板温度为298K,日照强度分别为800、1000、1200时,输出仿真特性曲线如图4、图5所示。

图2 S=1000不同温度下的一组曲线

图6 传统的干扰观察法MPPT仿真模块

图7 电导增量法MPPT仿真模块

图3 S=1000不同温度下的一组曲线

图4 T=298K不同光照强度下的一组曲线

3 MPPT控制模型

根据上述仿真结果可见,光伏电池的两组输出特性曲线均有较强的非线性,且在一定的环境下总有一个最大的功率点存在。MPPT本质是通过一定的控制算法实时动态检测光伏电池的输出功率P,根据P的变化判断下一步的扰动方向,其方法是采用一定的控制算法估计光伏电池在当前情况下可能输出的最大功率,并通过改变此时的系统阻抗值来达到输出最大功率的要求[7]。本文在 Matlab/ Simulink仿真环境下搭建仿真模型,采用一种改进型干扰观察法,在日照强度与环境温度突变时,与传统的干扰观察法和电导增量法对最大功率点的跟踪进行比较。

图5 T=298K不同光照强度下的一组曲线

3.1 传统的干扰观察法

传统的干扰观察法的本质是通过扰动增减光伏电池的输出电压,观察其输出功率的变化情况,若输出功率增加,下一次扰动保持原来的增减方向,若输出功率减少,下一次扰动改变原来的增减方向,直至使光伏电池输出最大功率[8]。在Simulink中搭建仿真模型如图6所示。

3.2 电导增量法

图8 改进的干扰观察法MPPT仿真模块

电导增量法实质上是通过对比光伏电池模块电导值与其瞬时值的大小来控制控制信号的输出,即在光伏电池的特性曲线上存在一最大功率点,此处斜率为0[10]。

由上式推导得∶

如图7所示。

3.3 改进的干扰观察法

对于boost变化器有:

图9 传统的干扰观察法仿真结果

图10 电导增量法仿真结果

图11 改进的干扰观察法仿真结果

4 三种仿真结果及分析

5 结论

［1］傅望,周林,郭珂,等.光伏电池工程用数学模型研究［J］.电工技术报,2011,26(10):211-216.

［2］Rekioua D,等著,杨立勇,毛鹏译.光伏发电系统的优化:建模、仿真和控制［M］.北京:机械工业出版社,2014.

［3］万晓凤,张燕飞,余运俊,康利平.光伏电池工程数学模型的比较研究［J］.计算机仿真,2014,31(3):113-117.

［4］蔡文皓,李云,马晶,张晓.基于模糊控制的光伏电池MPPT仿真研究［J］.电源技术,2013,37(12):2144-2146,2173.

［5］周又玲,杜锋,汤全武,白勇.MATLAB在电气信息类专业中的应用［M］.北京:清华大学出版社,2011.

［6］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.

［7］纪芳.光伏并网发电系统最大功率点跟踪技术的研究［D］.山东:山东大学硕士学位论文,2010.

［8］姚光辉.光伏并网发电系统设计及MPPT技术研究［D］.浙江:浙江大学硕士专业学位论文,2014.

［9］魏臻珠,曹晓璐,杨海波.基于Simulink的光伏电池最大功率点跟踪方法仿真研究［J］.水电能源科学,2013,31(12): 254-256.

［10］LIU Fangrui,DUAN Shanxu,LIU Fei.A variable step size INC MPPT method for PV systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2922-2628.