基于电导增量法的改进型MPPT仿真研究

喻景康　王庆磊　赵建强　王圣辉

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【摘 要】传统电导增量法未能减弱输出功率震荡，为此，在其基础上改善扰动步长，使其更好地兼顾跟踪速度和精度。Matlab/Simulink仿真实验结果表明，该方法不仅在标准环境下体现出良好效果还能适应外界的变化情况。

【关键词】MPPT；电导增量法；扰动步长；Matlab/Simulink

【Abstract】Traditional conductance increment fails to weaken output power concussion， therefore， this paper improves the disturbance step on its basis so as to better take the tracking speed and accuracy into consideration. Matlab / Simulink simulation results show that this method not only show good results in standard environment but also can adapt to the changing conditions outside.

【Key words】MPPT； Conductance increment； Disturbance step； Matlab/Simulink

0 前言

光伏电池输出特性呈非线性[1]，其输出功率易受外界光照，温度，负载的变化而变化，由此，人们研究追踪最大功率点（Maximum Power Point，MPP）的方法。电导增量法[2]因其简单易操作而受到较多的使用，但其在控制精度上仍未满足现代较高的标准。由此，本文研究一种能适时改变扰动步长的方法，使其具有自动变化的功能，从而更好地跟踪MPP。

1 电导增量法

依照表1中的电池规格参数，分析其算法原理。

表1中：Impp，Umpp-最大功率点处电流，电压；Isc，Uoc-短路电流，开路电压。

工程用数学模型[3]下的光伏电池在标准环境下采用电导增量法输出U-P特性如图1所示。

式（2）为电导增量法的原理，即通过判断式（2）中电导与电导增量之和与零的大小关系来判定当前工作点所在区域，进而判定步长的改变方向。

2 改进型电导增量法

传统电导增量法存在功率震荡问题，导致输出功率不稳定，为此，本文在其基础上仿真分析一种变步长方法。该法的核心在于，其以N·|dP/dU|作为步长，即当工作点未在MPP处附近时，能以较大步长靠近MPP，当工作点靠近MPP时，能以较小步长靠近MPP。具体控制如流程图2所示。

3 仿真分析

通过Matlab/Simulink集成环境搭建仿真模型来验证改进型电导增量法的有效性。仿真数据仍以表1中为例，负载为30Ω，Boost电路输入端稳压电容为100uF，滤波电感为14.878mH，输出端滤波电容为98.3uF，外界条件分别为标准环境（温度25°C，日照强度1000 W/m2）和变化环境（t=0.5s时温度从25°C降低至20°C，日照强度从1000W/m2降低至800W/m2），具体波形如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，改进型电导增量法在标准环境下具有很好的表现效果，并且能良好地适应外界变化情况。总体来说，该法能较好地解决输出功率震荡问题。

4 结语

本文在分析了电导增量法的原理后，仿真分析一种改进型电导增量法，其实质为变步长。Matlab/Simulink仿真实验结果验证了该法的有效性和体现出该法能降低光伏电池输出功率震荡的优点。

【参考文献】

[1]巢睿祺，王杰.太阳能光伏并网系统的控制与仿真[J].电网与清洁能源，2014，30（2）：81-87.

[2]汤济泽，王丛岭，房学法.一种基于电导增量法的MPPT实现策略[J].电力电子技术，2011，45（4）：73-75.

[3]李丽芳，江冰，吉正洵，等.光伏发电系统MPPT控制仿真模型[J].计算机仿真，2015，32（4）：116-119，294.

[责任编辑：王伟平]

2.1.2 实践教学内容改革

本课程在很多高校都一直定位为理论性强的课程，很少有学校设置实验，考虑到我校培养应用型人才的目标和学生的就业走向，我们加强了实践环节的训练。一是，我们开发了基于MATLAB的仿真实验系统，直接在课堂演示，弥补了实验学时不足的问题，同时为学生实验打下一个基础。二是，我们充分挖掘实验室现有资源，精心开发设置了多个实验项目，包括验证性、综合性实验和设计性实验。三是，我们设置了大作业环节，以其提高学生的解决实际问题的能力，教师给出测量系统的设计要求和总体精度，要求学生自己查阅元器件相关参数，选择合适的器件进行总精度评定；或者给出某一个工件，要求学生选择合适的测量器具进行测量，并进行测量误差的详细分析，在此基础上完成设计或测量分析报告。这样的大作业类似于一个课程设计，学生可以结合所学内容，解决关于精度评定和误差分析与数据处理的实际问题，提高分析问题解决问题的能力。四是，注重在实践中进行测量数据处理的基本能力训练，我们自行开发了基于MATLAB的误差与数据处理系统、基于LabVIEW的精密测量数据处理系统，要求学生充分利用这些软件对实验结果进行误差分析和不确定度评定。

2.2 教学条件建设

课程组编写了高质量的教学讲义，既有纸质稿，又有电子稿，自编了多媒体课件，编写了《误差理论与数据处理实验指导书》、《误差理论与数据处理习题集》，建成了本课程的辅助教学网站。目前在毕博教学平台上的教学资源主要包括该课程的教学大纲（课程标准）、教学计划安排表、学习指导书及教学参考书等各类辅助学习资料等教学文件，电子讲义、多媒体课件、虚拟仿真实验等电子教学资源，实验教学内容、实验指导手册、大作业实例等实践性教学资源；课后习题、试题库、模拟试卷及相应的参考答案等考核性资源等。网络资源方便学生课后的进一步学习，有效地弥补了课时不足的问题和课堂教学的局限性，培养了学生的自主学习能力。主讲教师也可以通过网上授课系统、网上答疑系统和网上考试系统的交互功能及时掌握学生的学习情况和存在的问题，以进一步改进教学方法，提高整体教学质量。用MATLAB和LabVIEW制作了误差与数据处理系统和精密测量数据处理系统，直接在课堂演示，弥补了实验学时偏少的问题。

2.3 教学方法改革

在教学过程中，教学团队采用了多层次、全过程的教学方法。在要求学生掌握误差与数据处理的基本原理、基本方法的同时，更加着重实践能力的训练。我们将实践能力分别通过实验课程、大作业、毕业设计三个层次进行全过程不断线地培养，取得了良好的教学效果。比如在讲完测量不确定度评定这部分内容后，随即就在布置了相关的实际操作大作业中，让学生进行实际的训练，把课堂知识和实际应用很好的结合了起来，学生感觉课堂学习有针对性，学习兴趣提高了。近几届部分学生在完成误差理论课程学习，实验、大作业的锻炼后，基本掌握了这部分知识。而在毕业设计中，学生进行系统设计或者测量方案选择时，仍然需要用到这部分知识，课题组老师会继续跟踪进行指导。这样通过多层次、全过程的反复学习和训练，使学生真正理解了有关测量误差方面的理论知识，对数据处理与分析在测控系统设计与检测中的应用有了更加深刻的体会，也进一步提高了学生分析问题、解决问题和创新实践的能力，这为以后从事相关的工作奠定较好的实践基础。此外，学生通过网络资源中的习题、自测试题、虚拟仿真实验等进行自主学习、自主训练，并且能够针对自己的测薄弱环节进行有针对性的强化训练；教师收集学生自主学习的信息，通过整理和分析能够实时掌握学生的学习状况以及存在的问题，可以进一步改进教学方法，提高教学的有效性。

2.4 主讲教师队伍建设

利用课程建设的契机，课题组加强了师资队伍建设，具体表现在以下几个方面：第一，树立了良好的师德师风，课程组人员热爱、忠诚社会主义教育事业，甘愿为之贡献自己的聪明才智和毕生的精力，敬业乐业。备课认真，从不马虎。上课前都做到必备的几个基本教学元件：教学大纲、课程计划、教案、讲稿、平时成绩记录表。踏实的工作作风和极强的全局观念，使课程的各项建设顺利进行。第二，提高自身业务素质，我们一贯注重教学方法的研究，我们认为具有深的理论知识和强的实际动手能力是必须的，但同时必须要有高超的教学方法。我们采取同行听课的方式，共同磋商教学方法，使教学艺术水平不断提高；主讲教师还开设其他相关课程，有前期课程和后续课程，这样能切身体会课程在整个教学计划中起的作用，更能知道该课程与其它课程的联系，有助于提高教师的业务水平，如我们有的教师承担了《互换性与测量技术》、《产品质量检测技术》、《传感器技术》等课程的教学任务，在课程的讲授中非常自然的将这些课程联系起来。通过多年的努力，课程组核心成员的教学能力得到显著提升。教师开发的优质教学资源获得江苏省高校多媒体课件一等奖1项，全国多媒体课件大赛二等奖2项，三等奖2项，优秀奖2项；教师获得江苏省高等教育教学成果奖一等奖1项、学校教学成果奖特等奖1项、一等奖2项；教师主持的课程建设项目获江苏省精品课程1门、校精品课程7门；主持江苏省高等教育教改研究立项课题2项，完成江苏省教育科学“十一五”规划课题1项，校级教学改革课题15项，出版教材7部；在《实验室研究与探索》、《电气电子教学学报》等期刊发表教学研究论文20余篇。

3 课程建设中存在的问题及思考

目前教学中所用教材是部优教材，但由于编著者多为研究型或教学研究高校的老师，所以内容偏理论，部分内容讲述过深，而实践应用部分内容相对较少，实例也较少。可以考虑和其它同层次相近专业老师合作编写适合于应用型本科人才培养目标的教材，以便得更好的教学效果。随着科技的不断发展，测控技术逐步由静态转向动态测控、由离线测量转向在线测量，因此需要加大这方面测量数据处理理论与方法的讲述，或者进一步开设配套的专业选修课，为学生的继续学习提供平台。

【参考文献】

[1]宋爱国，崔建伟，符金波.“误差理论与数据处理”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2012，34（1）：12-13.

[2]费业泰.误差理论与数据处理[M].6版.北京：机械工业出版社，2010.

[3]范锦彪，马铁华，杜红锦，等.“误差理论与数据处理”课程的教学改革与实践[J].中国电力教育，2014（5）：140-141.

[4]吴石林，张玘，刘国福，等.《误差理论与数据处理》课程教学改革初探[J].高等教育研究学报，2013，34（4）：80-81.

[5]王中宇，刘智敏，夏新涛，等.测量误差与不确定度评定[M].北京：科学出版社，2008.

[6]王雪，曾建奎，李作进.误差理论与数据处理课程教学改革探索[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2016（3）：128-131.

[责任编辑：杨玉洁]