一种应用于光伏发电MPPT的变步长电导增量法

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第 46 卷第 3 期2012 年 3 月电力电子技术Power ElectronicsVol.46， No.3March 2012基金项目广东省科技厅计划项目（ 2010A010200004）；广东省教育部产学研结合项目（ 2009B090300424）定稿日期 2011-09-28作者简介赖东升（ 1987- ），男，江西赣州人，硕士研究生，研究方向为电力电子电路的建模与控制。1 引言目前太阳能光伏发电系统存在太阳能光伏电池转换效率低，成本高，前期投资大等缺点。控制太阳能电池一直工作在最大功率输出状态是有效的解决方法之一。目前应用最为广泛的 MPPT 法大多利用固定步长进行搜索最大功率点（ MPP）。这里提出一种简单可行的变步长电导增量法，根据光伏电池 P-U 曲线上的斜率绝对值确定电导增量法的步长。通过在 Matlab 中与定步长电导增量法的对比仿真实验表明该算法对 MPP 的跟踪既能满足快速跟踪 MPP，又能保证输出功率不在 MPP 振荡，提高了光伏电池使用效率。2 太阳能光伏电池特性太阳能光伏电池的基本原理为光生伏特效应 [1]，即光子打在半导体材料表面时，在一定条件下，光能会被半导体吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子 - 电子空穴对，在内建电场的作用下将电子和空穴拉向了不同侧，使 PN 结两端形成了光生电动势，如果 PN 结与外电路相连，只要有光照，就会有电流流过电路。单个光伏电池的等效电路如图 1 所示。由图可得 IIph-I 0 exp q（ UIRs）AKT “- 1 - UIR sRsh（ 1）式中 Rs 为光伏电池的内阻； Rsh 为光伏电池的并联电阻； I0 为流过二极管的反向饱和漏电流； K 为波尔兹曼常数， K 一种应用于光伏发电 MPPT 的变步长电导增量法赖东升，杨苹（华南理工大学，广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州 510640）摘要太阳能光伏发电的最大功率点跟踪（ MPPT）控制是小型太阳能发电系统中的核心控制之一。此处提出一种应用于光伏发电的新型 MPPT 算法，用 P-U 曲线上不同点的斜率的绝对值确定 MPPT 的步长，使光伏电池的MPPT快速且稳定无振荡。 Matlab 仿真及样机实验结果表明对比定步长电导增量法，能在快速跟踪到光伏电池最大功率点（ MPP）的同时，有效降低光伏系统在 MPP 处的振荡，减小了能量损耗。关键词光伏发电；最大功率点跟踪；电导增量法中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1000-100X （ 2012） 03-0040-03Variable Step-size Incremental Conductance Used in Maximum PowerPoint Tracking Control of PV Power SystemLAI Dong-sheng， YANG Ping（ South China University of Technology， GuangdongKey Laboratory of Clean Energy Technology，Guangzhou 510640， China）Abstract Solar photovoltaic maximum power point tracking（ MPPT） control is a core control of small solar power sys-tem.This paper presents a novel application of a photovoltaic MPPT algorithm， the different points on the PV curve ofthe absolute value of the slope to determine the maximum power tracking of the step， so that the MPPT photovoltaiccells rapidly and stable non-oscillation.Matlab simulation results show that contrast for the incremental conductancemethod step， fast tracking to the maximum power point（ MPP） of PV cells ， while a photovoltaic system to reduce theMPP in the oscillation， reduce energy loss.Keywords photovoltaic power generation； maximum power point tracking； incremental conductancemethodFoundation Project Supported by Science and Technology Department Projects of Guangdong Province （ No .2010A010200004 ）； Combination Project of Guangdong Province， the Ministry of Education（ No.2009B090300424 ）图 1 单个光伏电池的等效电路401.38 10 -23 J/K ； q 为电荷量， q1.6 10 -19 C； T 为光伏电池的工作温度，单位为 K ； A 为二极管的理想常数 [2]，其变化范围在 1～ 2 之间。光伏电池的输出功率 P 与输出电压 U 呈明显的非线性关系，在不同的光照强度、工作温度下仅存在唯一的 MPP。图 2a 为相同 T，不同光照强度E 条件下，光伏电池的 P-U 曲线；图 2b 为相同 E，不同 T 下的 P-U 曲线。3 最大功率点跟踪控制由光伏电池特性可知，在一定的光照和温度条件下有且仅有一个 MPP[3] ，对光伏电池进行的MPPT 控制就是为了使光伏电池一直工作在 MPP处，提高光伏电池的效率。图 3a 为光伏电池和负载的等效模型，如图 3a所示，光伏电池的输出功率为 P1I 2R1[Us/（ rR 1） ]2R1 （ 2）式中 r 为光伏电池的内阻； R1 为负载电阻。式（ 2）两边对 R1 求导数可得 dP1dR1Us2 r-R 1（ rR1）3 （ 3）由式（ 3）可知， R1 r 时 dP1/dR10，输出功率 P1取得最大值。图 3b 示出光伏电池 MPPT 示意图，在光伏电池和负载之间加入 DC/DC 电路实现负载阻抗变换 [4] ，并将 DC/DC 和负载合起来视为等负载。通过改变 DC/DC 工作的占空比，达到调节光伏电池负载跟踪光伏电池输出阻抗的目的，使光伏电池工作在 MPP 处。3.1 定步长电导增量法分析图 2，电压由零逐渐增大， dP/dU 的数值由大于零变到小于零，当 dP/dU0 时取得最大功率 Pmax[5] 。 PUI ，两边同时对 U 求导得 dPdU I UdIdU 0 （ 4）经化简得 dI /dU- I/U，此式为在 MPP 处的条件。图 4 为固定步长电导增量法的流程图，图中Δ D 的大小固定使得不能同时兼顾 MPPT 的快速性和稳定性。3.2 变步长电导增量法采用一种新型的电导增量法，即变步长的电导增量法。其基本原理为通过 Boost 电路的占空比变化来调节太阳能光伏阵列两端的电压值，使其跟踪 MPP。而且占空比跟踪步长可变，其中变步长的系数取自 dP/dU 的绝对值；当工作点远离MPP 时，加大步长，加快跟踪速度；当工作点在MPP 附近时，自动减小步长，以减小波动导致的功率损失。在光伏电池的输出特性 P-U 曲线上选取5 个点分别作切线，如图 5 所示。由图可得 dPk3dUk3 -IU ， Δ D- A k ， UU maxdIdU -IU ， Δ D0 ， UU maxA dPdU IU dIdU“（ 6）式中 k 为占空比变化固定分量； A 为步长控制常数。图 2 光伏电池 P-U 曲线图 4 固定步长电导增量法控制流程图图 5 光伏电池 P-U曲线切线图一种应用于光伏发电 MPPT的变步长电导增量法图 3 光伏电池 MPPT 原理41第 46 卷第 3 期2012 年 3 月电力电子技术Power ElectronicsVol.46， No.3March 2012变步长电导增量法控制流程图如图 6 所示。4 仿真验证4.1 仿真原理图在 Matlab/Simulink 环境中搭建仿真电路，如图 7 所示，主电路为 Boost 电路， MPPT 控制模块由 S 函数搭建，光伏模块由 M 函数编写。4.2 仿真结果与分析在 Simulink 仿真中采用 ode23 算法，设置光照条件为 1 kW/m 2， T25 ℃ ，分别对定步长和变步长电导增量法进行仿真实验，结果见图 8a。由图 8a可见，变步长电导增量法在大约 0.03 s 时结束暂态过程；而定步长算法则在 0.08 s 才结束暂态，而且接近稳态时的振荡比变步长算法更大。固定光伏阵列的 T25 ℃ ，光照强度 E 依照图中所示快速变化，结果见图 8b。由图可见，当 E 快速变化时变步长电导增量法能快速跟踪 MPP 的变化，并且跟踪稳定无振荡。5 实验分析为验证这里的新型算法，研制了拓扑结构为Boost 电路，采用 TMS320F2812 型 DSP 控制的实验平台， MPPT 算法采用这里提出的变步长电导增量法。主电路采用单级 Boost电路，电感选用 665 μ H，电容选择两个 1 000 μ F 并联，开关管用型号为1MBH60-100 的 IGBT。图 9a 为 MPPT 过程中输出功率图，由图可知，变步长电导增量法能快速地跟踪上 MPP，并达到稳定。图 9b 为 MPPT 控制算法使输出功率达到稳定时的波形图，由图可见，当系统完成 MPPT 后，输出电流、电压及功率都稳定，振荡较小，有效提高了光伏电池的效率。其中， Ipv 为光伏电池输出电流， Upv 为光伏电池输出电压， uD 为 Boost 电路占空比信号， Uo 为 Boost 电路输出电压， Ppv 为光伏电池输出功率。6 结论此处通过分析光伏电池的输出特性 P-U 曲线，并结合现有电导增量法的研究，提出一种变步长电导增量法。在 Simulink 下与定步长算法进行对比仿真和实验，表明变步长电导增量法在日照快速变化时能快速跟踪到最大功率点，并有效地减小了稳态时的振荡。参考文献[1] 张建坡，张红艳 . 光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究 [J]. 计算机仿真， 2010， 27（ 1） 284-288.[2] 任玲，宗灶童 .扰动观察法实现太阳能电池最大功率跟踪控制 [J]. 工业仪表与自动化装置， 2010， 51 （ 2）44-46.[3] 叶满园，官二勇，宋平岗 .以电导增量法实现 MPPT 的单级光伏并网逆变器 [J]. 电力电子技术， 2006， 40（ 2）33-35.[4] 李鹰，康龙云，朱洪波，等 . 一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法 [J]. 电气传动， 2010， 40（ 12） 35-39.[5] 朱铭炼，李臣松，陈新，等 . 一种应用于光伏系统MPPT 的变步长扰动观察法 [J]. 电力电子技术， 2010，44（ 1） 20-22.图 6 变步长电导增量法控制流程图图 7 太阳能光伏发电最大功率跟踪 Matlab 仿真图图 8 仿真结果图 9 实验波形42