基于SG/Simulink的一種改進(jìn)MPPT控制器的研究

王海燕，秦 健，王旭佳

(上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

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基于SG/Simulink的一種改進(jìn)MPPT控制器的研究

王海燕，秦 健，王旭佳

(上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法響應(yīng)速度慢和輸出功率穩(wěn)定性不夠理想的特點(diǎn)，分析了光伏電池在光照強(qiáng)度變化時(shí)的輸出特性，提出一種改進(jìn)的變步長擾動(dòng)觀測法，即采用新的自適應(yīng)步長公式Step=N×(dV·dP)作為系統(tǒng)的擾動(dòng)量，使光伏電池以較大步長快速接近最大功率點(diǎn)，然后以較小步長穩(wěn)定于最大功率點(diǎn)。最后在SG/Simulink混合建模仿真平臺(tái)下進(jìn)行了仿真，所得結(jié)果表明該算法可顯著提高系統(tǒng)響應(yīng)速度與輸出功率穩(wěn)定性。

MPPT；擾動(dòng)觀測(P&O)法；System Generator(SG)

0 引言

在人類面臨化石能源枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，太陽能正成為許多國家大力發(fā)展的新興能源，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用太陽能電池板進(jìn)行光伏發(fā)電成為一種行之有效的方式[1]。

最大功率跟蹤(MPPT)控制技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電中最主要的控制技術(shù)之一。目前常見的MPPT控制方法主要包括恒壓(CV)法[2]、擾動(dòng)觀測(P&O)法[3]、增量電導(dǎo)(INC)法[4]等,其中擾動(dòng)觀測法具有算法結(jié)構(gòu)簡單、硬件實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文在研究分析傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法，并以FPGA作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，通過SG/Simulink混合仿真對(duì)改進(jìn)算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 光伏電池的特性

1.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

圖1 光伏電池等效電路模型

太陽光照射光伏電池時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，光伏電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。光生伏特效應(yīng)的本質(zhì)是利用半導(dǎo)體的PN結(jié)特性實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此光伏電池的等效模型可以采用單二極管的等效電路模型來描述[5-6]，其等效電路模型如圖1所示。

其中，恒流源Iph與二極管D并聯(lián)，Rp和Rs分別表示電池內(nèi)部的串聯(lián)和并聯(lián)電阻。將溫度與光照兩個(gè)影響光伏電池輸出特性的重要變量作近似處理，恒流源Iph的值等于光伏電池的短路電流。光伏電池的I-V特性方程為:

(1)

P-V特性方程為：

(2)

式中，Iph為光生電流；I0為反向飽和電流；U為光伏電池輸出電壓；q為電荷常數(shù)，取值為1.6×10-19eV；K為玻爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23；T為系統(tǒng)工作溫度；A為二極管理想品質(zhì)因數(shù)。

1.2 光伏電池輸出特性

光伏電池輸出特性主要受光照強(qiáng)度、光伏電池溫度兩個(gè)變量的影響，根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB/Simulink搭建模型進(jìn)行仿真，圖2為光伏電池溫度保持25℃，改變光照強(qiáng)度后得到的P-U特性曲線。

圖2 不同光照強(qiáng)度下光伏電池P-U曲線

從以上仿真曲線可以看出，太陽能光伏電池是一種典型的非線性元件，在不同的光照下，其輸出功率隨輸出電壓的升高先升后降，因此存在輸出功率最大點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)。

2 新型擾動(dòng)觀測(P&O)法

光伏組件與負(fù)載間通常由直流變換電路(DC-DC)相適配，本文選用Boost電路作為直流升壓變換電路，Boost電路的輸入、輸出電壓關(guān)系為：

Upv=U0(1-D)

(3)

式中,Upv為光伏陣列輸出電壓；U0為Boost電路輸出電壓；D為Boost電路中IGBT的占空比。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變電路控制Boost電路輸出電壓恒定，即U0值不變。由式(3)知，調(diào)節(jié)Boost電路占空比D，可以改變光伏組件的輸出電壓，從而使光伏電池輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。

2.1 傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法主要為定步長擾動(dòng)觀測法，其原理為：每隔一段時(shí)間以固定的步長ΔD擾動(dòng)Boost電路占空比D，觀測前后功率的變化方向，根據(jù)功率的變化方向決定下一時(shí)刻的擾動(dòng)方向。由圖2光伏電池的P-U特性曲線可知：最大功率點(diǎn)左側(cè)dP/dV>0，應(yīng)減小占空比D；最大功率點(diǎn)右側(cè)dP/dV<0，應(yīng)增大占空比D；最大功率點(diǎn)處dP/dV=0，D保持不變。傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法算法簡單、易于硬件實(shí)現(xiàn)，但追蹤速度較慢，且輸出功率在最大功率點(diǎn)處振蕩較大，因此造成了光伏電池輸出功率的損失。

2.2 改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法

針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法中存在的問題，文獻(xiàn)[7]提出以固定電壓啟動(dòng)，通過觀測dP數(shù)值大小來劃分步長的擾動(dòng)觀測法。該算法實(shí)質(zhì)上是一種定步長算法，雖然能獲得低振幅的輸出功率，但追蹤最大功率點(diǎn)的速度較慢，原因在于算法的擾動(dòng)步長是固定的，追蹤效果受切換步長的判定區(qū)間影響較大。文獻(xiàn)[8]采用變步長的擾動(dòng)觀測法，由變步長計(jì)算公式Step=kΔP/ΔV確定算法的擾動(dòng)步長，相較于文獻(xiàn)[7]能獲得更快的MPPT追蹤速度，但硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于引入除法運(yùn)算，會(huì)占用較多的FPGA邏輯資源與機(jī)器周期，降低算法在硬件上的運(yùn)行速度。

因此本文提出一種改進(jìn)的變步長擾動(dòng)觀測法，并定義新的自適應(yīng)步長公式為：

Step=N×(dV·dP)

(4)

式中，N為正數(shù)，即變步長速度因子，用于調(diào)整步長的變化速度。同時(shí)，根據(jù)式(4)可以構(gòu)造電壓擾動(dòng)表達(dá)式：

(5)

圖3 改進(jìn)的變步長擾動(dòng)觀測法算法流程圖

采用新的變步長公式(4)后，系統(tǒng)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，dV與dP均較大，可得到較大的擾動(dòng)步長，從而使系統(tǒng)以較快速度接近最大功率點(diǎn)；當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)，dV與dP均較小，可得到較小的擾動(dòng)步長，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定于最大功率點(diǎn)。

3 SG建模

System Generator(SG)是Xilinx公司開發(fā)的MATLAB/Simulink環(huán)境下的一個(gè)工具箱，它可在MATLAB/Simulink的環(huán)境下建立數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的抽象算法，并將抽象算法轉(zhuǎn)化成硬件實(shí)現(xiàn)[9]。

為驗(yàn)證改進(jìn)擾動(dòng)觀測法在不同環(huán)境條件下追蹤最大功率點(diǎn)的快速性和穩(wěn)定性，在MATLAB/Simulink中利用SG工具箱搭建算法仿真模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法仿真模型

模型中主要包括PV模塊、MPPT模塊、PWM模塊和Boost升壓電路模塊。設(shè)計(jì)PV模塊時(shí)，為簡化結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)實(shí)用性，選擇搭建基于外特性模型的光伏電池Simulink模型[10-11]。

圖5為根據(jù)改進(jìn)擾動(dòng)觀測法的基本原理，選擇SG工具箱中的基本模塊組合而成的MPPT模塊圖。設(shè)計(jì)的MPPT模塊中主要包括乘法器、加法器以及寄存器，由于改進(jìn)擾動(dòng)觀測法采用了新的變步長計(jì)算公式，因此省略掉了判斷dV是否為0的分支，用乘法運(yùn)算代替了除法運(yùn)算，這樣整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)變得更簡單且硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)占用FPGA資源更少。

圖5 SG組建的MPPT模塊

MPPT模塊中處理的數(shù)據(jù)均為定點(diǎn)數(shù)。在選擇定點(diǎn)數(shù)位寬時(shí)，所取的位寬越長，能表示數(shù)值范圍越大，精度也越高，但這樣會(huì)消耗更多的硬件資源，降低算法的運(yùn)行速度。考慮到光伏電池輸出電壓、電流和功率數(shù)值的范圍較小，將定點(diǎn)數(shù)的位寬設(shè)置為32位，1位符號(hào)位、15位整數(shù)位和16位小數(shù)位，是足夠的。

4 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)行基于SG/Simulink混合建模法搭建的改進(jìn)擾動(dòng)觀測法仿真模型。設(shè)置SG仿真步長為0.001 s，采樣周期為0.001 s，步長速度因子N取0.005，選用型號(hào)為xc6slx150t-2fgg484的FPGA作為控制芯片，模擬環(huán)境因素突變時(shí)MPPT控制器的運(yùn)行情況。

當(dāng)初始工作條件為：T=25 ℃，S=1 000 W/m2,仿真運(yùn)行到0.5 s時(shí)，光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2維持不變，溫度上升到T=40 ℃,仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，仿真開始后，系統(tǒng)快速接近最大功率點(diǎn)，其中改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法耗時(shí)約0.03 s，快于傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測法，同時(shí)改進(jìn)擾動(dòng)觀測法輸出功率穩(wěn)定，波動(dòng)小。當(dāng)溫度變化時(shí)仍能快速追蹤到最大功率點(diǎn)，保持穩(wěn)定的功率輸出。

當(dāng)初始工作條件為：T=25℃，S=1 000 W/m2，仿真運(yùn)行到0.5 s時(shí)，溫度T=25℃維持不變，光照強(qiáng)度上升為S=2 000 W/m2。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法以較快速度追蹤到最大功率點(diǎn)，耗時(shí)約0.03 s。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)仍能快速追蹤到最大功率點(diǎn)，并保持穩(wěn)定的功率輸出，且響應(yīng)速度、輸出精度與穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法。

綜合圖6～7分析，改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法具有響應(yīng)速度快、輸出功率穩(wěn)定的特點(diǎn)，在環(huán)境因素突變時(shí)，仍能表現(xiàn)出較好的MPPT性能，能夠隨環(huán)境因素的變化而快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤。

圖6 溫度變化時(shí)光伏電池板輸出功率

圖7 光照強(qiáng)度變化時(shí)光伏電池板輸出功率

5 結(jié)論

本文在對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法進(jìn)行研究與分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的變步長擾動(dòng)觀測法，該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、MPPT響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。通過使用SG和Simulink標(biāo)準(zhǔn)工具箱對(duì)改進(jìn)的算法進(jìn)行混合建模仿真，驗(yàn)證了算法的快速性與穩(wěn)定性。采用SG/Simulink混合建模仿真，相較于傳統(tǒng)的VHDL語言設(shè)計(jì)而言更加簡單、直觀，使設(shè)計(jì)者可以將精力集中于算法的功能實(shí)現(xiàn)，提高了設(shè)計(jì)效率，為下一步光伏MPPT算法的FPGA實(shí)現(xiàn)提供了新的工具與手段。

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Research on an improved MPPT controller based on SG/Simulink

Wang Haiyan, Qin Jian, Wang Xujia

(College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Aiming at the problems that tracking speed and output power stability are not ideal in the traditional MPPT algorithm, the output characteristics of PV cells under varying illumination intensity are analyzed,and an improved variable step size perturbation method is proposed.The algorithm uses the new adaptive step size formula Step=N×(dV·dP) as the disturbance step length.It makes the photovoltaic cells in large steps to quickly approach the maximum power point, and then in a smaller step to stabilize the maximum power point. Finally, the simulations are carried out under the SG / Simulink hybrid modeling and simulation platform. The results show that the algorithm can significantly improve the maximum power point tracking speed and output power stability.

MPPT; disturbance observer method; System Generator(SG)

TM914.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.022

王海燕，秦健，王旭佳.基于SG/Simulink的一種改進(jìn)MPPT控制器的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：74-77.

2016-11-30)

王海燕(1976-),女，副教授，主要研究方向：電站自動(dòng)化、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。

秦健(1990-),通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)及應(yīng)用。E-mail：13761729118@163.com。

王旭佳(1991-),男，碩士研究生，主要研究方向：微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行與控制。