基于變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法MPPT的研究

【摘要】光伏電池的輸出功率與太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度變化，若不加以控制，將不會(huì)以最大功率輸出。本文提出了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，在光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。應(yīng)用MATLAB建立光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的仿真模型并仿真。仿真結(jié)果表明，變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法跟蹤最大功率點(diǎn)效果良好，相比傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法，減弱了最大功率點(diǎn)附近振蕩的情況，適合于快速變化的環(huán)境條件，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；電導(dǎo)增量法；變步長(zhǎng)

Abstract：The power available at the output of photovoltaic cells keeps changing with solar insolation and ambient temperature.If the power output of photovoltaic cells is not well controlled，it will not work at the maximum point.This paper presents a variable step size incremental conductance method for tracking maximum power point in photovoltaic power systems.In this paper，simulation model of photovoltaic system’s maximum power point tracking（MPPT）is developed in the MATLAB software.The results of simulation show this control algorithm significantly improves the efficiency during the tracking phase.As compared to the tradition algorithm about MPPT in photovoltaic power systems.It is especially suitable for fast changing environmental conditions.It reduces the oscillation around the maximum power point with good dynamic and steady-state characteristics.

Key words：photovoltaic power；MPPT；incremental conductance；variable step size

1.引言

由于傳統(tǒng)化石燃料的稀缺性和對(duì)環(huán)境的不利影響，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)變得越來(lái)越受歡迎，太陽(yáng)能的好處是可重復(fù)使用、可持續(xù)，并不會(huì)產(chǎn)生任何污染。然而在外界環(huán)境和負(fù)載的變化的情況下，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率并不高。為了在不斷變化的環(huán)境下提高光伏電池的輸出功率，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。世界各地的學(xué)者已經(jīng)提出了許多最大功率點(diǎn)跟蹤的方法[1-3]。本文應(yīng)用了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，應(yīng)用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量跟蹤方法與傳統(tǒng)方法相比，減弱了最大功率點(diǎn)附近振蕩的情況，適應(yīng)能力強(qiáng)，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

2.光伏電池的原理分析

典型的光伏電池等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

根據(jù)光伏電池等效電路，可以得出對(duì)應(yīng)的U-I方程如下[4]：

（1）

其中V和I是光伏電池的輸出電壓和電流；Rs和Rsh是串聯(lián)和并聯(lián)電阻，q為電子的電荷量（1.602×10-19C）；Np為并聯(lián)連接的電池?cái)?shù)量，Ns為串聯(lián)連接的電池?cái)?shù)量；n為光伏電池板數(shù)，k為波耳茲曼常量（1.38×10-23J），在光伏電池板的無(wú)量綱；Isc是光伏電池產(chǎn)生的光生電流；Tk為絕對(duì)溫度；I0是光伏電池的反向飽和電流。

在式（1）中，Isc的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）所示：

（2）

其中Tr為光伏電池板的參考溫度，Iscr為參考溫度和輻射時(shí)的太陽(yáng)能電池的短路電流。KI為光伏電池板的短路電流的溫度系數(shù)，Si為太陽(yáng)能輻射。Io的數(shù)學(xué)關(guān)系如式（3）所示：

（3）

Irr為光伏電池板在參考溫度下的反向飽和電流；Egap為電池使用的半導(dǎo)體的帶隙能量。在特定的參數(shù)，當(dāng)RSH的值很高的情況下，理想RS的值是極小的，所以在一般工程應(yīng)用時(shí)，可以把式（1）可以簡(jiǎn)化如式（4）所示[5]：

（4）

由式（4）可以推出太陽(yáng)能電池功率表達(dá)式如式（5）所示：

（5）

根據(jù)式（2）-（5），并用MATLAB進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，在25℃以下的理想工作溫度下，特性曲線可以根據(jù)太陽(yáng)輻射的變化值得出。本文使用光伏電池板的型號(hào)為ET-P654200，主要參數(shù)如表1[6]所示。

表1 ET-P654200光伏電池板主要參數(shù)

型號(hào)數(shù)值

峰值功率200W

最大工作電壓27.21V

最大工作電流7.36A

開(kāi)路電壓32.72V

適中電流7.86A

最大系統(tǒng)電壓DC1000V

短路電流溫度系數(shù)0.065%/℃

開(kāi)路電壓溫度系數(shù)0.346%/℃

峰值功率溫度系數(shù)-0.488%/℃

圖2為太陽(yáng)輻射和光伏電池板輸出功率的關(guān)系，當(dāng)太陽(yáng)輻射下降，輸出功率也下降，最佳功率點(diǎn)移動(dòng)，因此必須通過(guò)調(diào)整設(shè)備的電壓和電流來(lái)調(diào)整最優(yōu)功率點(diǎn)，使得太陽(yáng)能得到最大利用。

圖2

3.電導(dǎo)增量法

目前，常用的最大功率跟蹤方法有固定電壓法，擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)確性高，在太陽(yáng)輻射變化的情況下具有良好的適應(yīng)能力，因此被廣泛使用，本文采用此方法對(duì)光伏電池板的MPPT進(jìn)行研究。

3.1 定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

由P-U特性曲線可知：最大功率點(diǎn)處斜率0，即dP/dU=0；在最大功率點(diǎn)左側(cè)處，dP/dU>0；在最大功率點(diǎn)右側(cè)處，dP/dU<0。

根據(jù)這一特性，因?yàn)橛校?/p>

P=IU （6）

將該式兩端對(duì)U求導(dǎo)，則有：

（7）

（8）

由式（8）可知，光伏電池板達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件為輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值。輸出電導(dǎo)的變化量相等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，太陽(yáng)電池工作于最大功率點(diǎn)（MPP），若不相等，則要判斷dP/dU是否大于零。電導(dǎo)增量法流程圖如圖3所示。圖3中U（k）、I（k）表示光伏電池當(dāng)前的檢測(cè)出的輸出電壓、輸出電流，U（k-1）、I（k-1）表示檢測(cè)到的光伏電池前一采樣周期輸出電壓、輸出電流。

圖3 電導(dǎo)增量法流程圖

3.2 變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

選擇定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的不足之處在于：步長(zhǎng)值設(shè)置得過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；步長(zhǎng)值設(shè)置得過(guò)小，則會(huì)增加系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間，增加運(yùn)算負(fù)擔(dān)。為了提高M(jìn)PPT控制的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，本文提出了一種的變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法。

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量的控制流程圖如圖4所示，由圖2（a）可知，光伏電池板輸出功率最大時(shí)的電壓約為開(kāi)路電壓Uoc的0.78倍。因此可以這樣設(shè)定：在[0.7Uoc，0.85Uoc]區(qū)間內(nèi)，步長(zhǎng)設(shè)置得小些，而在其余區(qū)間內(nèi)取較大步長(zhǎng)，這樣也能縮短震蕩時(shí)間。這種方法根據(jù)最大功率點(diǎn)處U-P特性曲線斜率絕對(duì)值的不同，分別設(shè)置不同長(zhǎng)度的步長(zhǎng)，這樣就有效地減小了系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩，能夠迅速、準(zhǔn)確的找到最大功率點(diǎn)。

4.仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真模型

為了驗(yàn)證變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的有效性，利用MATLAB/Simulink構(gòu)建仿真模型，如圖5所示。其中MPPT控制模塊由S函數(shù)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法功能，占空比增量步長(zhǎng)分別設(shè)置為ΔD1=0.004，ΔD2=0.04，ΔD3=0.01。

4.2 仿真結(jié)果分析

在仿真中，仿真算法為ode23，采樣頻率為1000Hz，設(shè)置仿真條件為光照強(qiáng)度800W/m2，電池溫度25℃。設(shè)置0.5s時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度突變到1200W/m2，應(yīng)用本文提出的算法與定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

根據(jù)圖6、圖7可知，采用定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法跟蹤最大功率點(diǎn)時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)較大的振蕩，很難達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法相對(duì)于定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，可以由外界環(huán)境的變化較快的跟蹤最大功率點(diǎn)，而且當(dāng)功率接近穩(wěn)定時(shí)的振蕩幅度也較小。

5.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)光伏電池工作原理分析，針對(duì)定步長(zhǎng)的缺陷，提出了變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量MPPT算法。并通過(guò)軟件仿真分析得出，該方法跟蹤精度高，在最大功率點(diǎn)處振蕩小，能適應(yīng)外界環(huán)境的變化，快速準(zhǔn)確地追蹤最大功率點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：江蘇省“青藍(lán)工程”綠色建筑技術(shù)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目；徐州地區(qū)既有居住建筑能耗調(diào)查及節(jié)能改造技術(shù)研究（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目：2012-K1-6）。

作者簡(jiǎn)介：侯文寶（1982—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。