基于分區域控制法的MPPT研究與仿真

齊潔瑩,周 明,史文秀,李 悅

(山東科技大學,青島 266590)

基于分區域控制法的MPPT研究與仿真

齊潔瑩,周 明,史文秀,李 悅

(山東科技大學,青島 266590)

針對變步長電導增量法響應速度慢的缺陷,提出一種新的最大功率點(MPPT)控制方法,即在不同區域可以將短路電流比例系數法、定電壓跟蹤法與變步長電導增量法及時切換的MPPT控制方法。通過在PSCAD/EMTDC仿真平臺進行驗證,無論在標準狀況下還是環境突變時,該方法均能迅速準確地找到最大功率點,大大提高了MPPT的收斂速度和控制精度,減少了在最大功率點附近的震蕩。

短路電流比例系數法;定電壓跟蹤法;最大功率點跟蹤;變步長電導增量

由光伏電池的結構及發電原理可知,在不同的工況下電池存在不同的最大功率點。因此,為了保證發電系統的高效性,必須對最大功率點進行跟蹤,并實時調整工作點的位置使其工作在最大功率點附近,這就是最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。在實際發電系統中,控制方法主要有固定參數法(短路電流法、開路電壓法)、擾動觀測法、電導增量法、模糊控制法等[1-4]。傳統的固定參數法只需檢測一個參數,控制簡單,但檢測時需斷開電路,且控制精確度低;電導增量法穩定性較強,但傳統的電導增量法收斂速度太慢。為此,本文提出一種在不同區域可以將短路電流比例系數法、定電壓跟蹤法與變步長電導增量法及時切換的MPPT控制方法。在MPPT的控制中,最大功率點的左側和右側要求響應速度快,而靠近最大功率點處要求精度高且無震蕩。根據不同區域不同的控制要求,當系統處于遠離MPP的左側及右側區間時,分別使用短路電流比例系數法和定電壓跟蹤法控制,這樣系統在較遠處均能迅速的回到MPP附近[4]。當系統達到最大功率點附近的區間時,范圍變小,對控制的精確度要求大于對速度的要求,所以采用變步長電導增量法進行控制,防止震蕩。通過搭建PSCAD/EMTDC模型進行仿真驗證,證明了該方法可行。

1 光伏電池特性

在工程中,光伏電池輸出電流、開路電壓和功率的函數可表示為[5]

式中:Ish為電池短路電流;I0為反響飽和電流;T為光伏電池的參考溫度;U為電池端電壓;q為一個電子電量;A為電池中半導體器件的P-N結系數;K為玻爾茲曼常數。

依據上式在PSCAD/EMTDC下建立模型,分別給出溫度為25°C,光強從上到下依次為1000,700和500 W/m2時的P-U和I-U特性曲線圖,如圖1和圖2所示。

圖1 光伏電池P-U特性曲線圖

圖2 光伏電池I-U特性曲線圖

由圖1、圖2可知,光伏電池的最大功率點與環境因素密切相關,特別是光照對最大功率點的影響非常大[6]。

2 分區域控制算法原理

分區域控制法的重點在于系統可以在不同區域選擇最適合該區域的控制方法,在環境突變時,亦能夠迅速切換,及時跟蹤。

2.1 短路電流比例系數法、定電壓跟蹤法與變步長電導增量法

在MPP處有Umpp≈k1Uoc和Impp≈k2Isc,若已知短路電流值和開路電壓值,可迅速定位到MPP附近位置,這種利用短路電流值和開路電壓值來定位MPP的方法叫做短路電流比例系數法和定電壓跟蹤法。在文獻[7]中,檢測短路電流值及開路電壓值均需中斷系統工作,而在本文中經過改進,使用了在線檢測獲取,避免對正常運行的系統進行干擾。

圖3 光伏電池dP/dU-U特性曲線圖

圖4 光伏電池dP/dI-I特性曲線圖

為了解決不同步長選取導致的光伏系統動態速度和穩態精度之間的矛盾,本文采用了變步長電導增量法。由圖1中電池P-U特性曲線可知,|dP/dU|的大小與距離MPP的位置成正比,因此將step=N×|dP/dU|作為算法中步長數據,N為比例因子[10]。遠離MPP時,步長較大,保證了跟蹤速度;接近MPP時,步長較小,避免了最大功率點附近的震蕩。

2.2 分區域控制法算法原理

根據采集的電壓、電流計算光伏電池的輸出功率,并計算dP/dU的值。結合法算法原理過程如圖5所示。

圖5 結合法算法原理過程圖

圖6 算法流程圖

3 仿真結果比較分析

為驗證提出方法的有效性,在PSCAD/EMTDC環境下對普通的電導增量法及結合法進行仿真驗證。仿真對象為最大輸出功率為630 W的光伏電池,主電路為BOOST電路,逆變電路使用典型的基于電網電壓定向的電壓外環、電流內環的雙閉環矢量PWM控制策略[11]。主電路圖如圖7所示。

分別在標準狀況下及環境突變情況下對兩種方法進行仿真對比。

3.1 標準狀況下仿真分析

在光照為1200 W/m2,溫度為25 ℃條件下,變步長電導增量法的仿真結果如圖8所示。

圖7 光伏并網系統主電路圖

圖8 變步長電導增量法仿真結果圖

從圖8可以看到,輸出功率有較好的穩定性,但系統實現MPPT的最終穩定需要的時間約為2.3 s。

分區域控制法的仿真結果如圖9所示。

圖9 分區域控制法仿真結果圖

從圖9可以看到,在0.67 s時,系統便已實現了MPPT的穩定輸出,與變步長電導增量法相比,大大縮短了尋找MPP的時間。

3.2 環境突變時仿真分析

設置在3 s時,光照從1200 W/m2變為600 W/m2,變步長電導增量法的仿真結果如圖10所示,經過0.8 s后波形穩定。結合法仿真結果如圖11所示。

從圖11可以看到,環境突變后,MPPT能夠在0.1 s內迅速進行追蹤,且功率穩定,與變步長電導增量法相比,大大縮短追蹤時間。

圖10 環境變化時變步長電導增量法仿真結果

圖11 環境變化時分區域控制法仿真結果圖

4 結 論

MPPT分區域控制法針對變步長電導增量法響應速度慢的缺陷,在不同區域分別使用改進的短路電流比例系數法、定電壓跟蹤法、變步長電導增量法來控制。經在PSCAD/EMTDC仿真可知,無論是在標準狀況下或環境突變時,該方法的穩定性都很強,且響應時間非常短,大大滿足了迅速性的要求,提高了光伏系統的能量轉化效率。

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(責任編輯 王小唯)

Research and simulation of MPPT based on the regional control method

QI Jieying,ZHOU Ming,SHI Wenxiu,LI Yue

(Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Aiming at the defect of slow respond speed in using variable step-size incremental conductance method,author proposed a new MPPT control method.That is the method that enables the short circuit current ratio coefficient method,constant voltage tracking method and the variable step incremental conductance method switching in time.Through the test on PSCAD/EMTDC simulation platform,this method can quickly and accurately find the maximum power point whether under normal conditions or environmental catastrophe.In doing so,convergence speed and control precision have been greatly improved and the shock have been reduced near the maximum power point.

short circuit current ratio coefficient method; constant voltage tracking method; maximum power point tracking; variable step incremental conductance

2016-05-07。

齊潔瑩(1992—),女,碩士研究生,主要研究領域為光伏并網發電系統及低電壓穿越。

TM914

A

2095-6843(2016)06-0529-04