一种改进的变步长电导增量法在光伏MPPT中的应用

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2011 年 10 月第 39 卷第 19 期机床与液压MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICSOct. 2011Vol. 39 No. 19DOI 10． 3969/j. issn. 1001 － 3881. 2011. 19. 011收稿日期 2010 － 09 － 19基金项目江苏省科技厅工业科技支撑计划项目（ BE2009166）作者简介解广识（ 1984 ），男，硕士研究生，主要从事光伏并网逆变电源控制技术研究。 E － mail xieguangshi163. com。一种改进的变步长电导增量法在光伏 MPPT 中的应用解广识，张广明，张进明，周娟娟（南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816）摘要分析了扰动观察法和电导增量法的原理与误判问题，提出一种改进的变步长电导增量法，通过检测电压、电流的变化，判断光照是否发生突变，在光照突变时，及时调整控制策略，快速跟踪最大功率点变化方向，从而提高最大功率点跟踪控制的效果，提高光伏电池的利用率。仿真结果表明该算法能够快速准确地跟踪最大功率点，并能保证系统的稳定性。关键词光伏系统；最大功率跟踪；扰动观察法；电导增量法中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1001 － 3881 （ 2011） 19 － 038 － 3Application of Improved Incremental Conductance AlgorithmUsing Variable Step in MPPT Control of the PV SystemXIE Guangshi， ZHANG Guangming， ZHANG Jinming， ZHOU Juanjuan（ Automatic and Electric Engineering Institute， Nanjing University of Technology， Nanjing Jiangsu211816， China）Abstract A type of improved incremental conductancealgorithm using variable step was proposedbasedon analyzing the princi-ple and erroneousjudgment of the perturbation ＆ observationmethodand the incremental conductancemethod． In this algorithm， thechangeof the solar irradiance could be judged through detecting the variety of the voltage and current ．In order to track the maximumpowerpoint quickly ， the control strategywasadjusted in time accordingto the solar irradiance and the tracking effect was improved sig-nificantly ．So the availability of the PV systemwas increased ．The simulated results show that by the method， the maximum powerpoint can be tracked fast and exactly， and the stability of PV system is ensured ．Keywords PV system； Maximum powerpoint tracking； Perturbation and observationmethod； Incremental conductancemethod由于能源危机和环境压力，光伏发电作为一种可再生能源，得到了世界范围内的密切关注，并得到了快速的发展。目前因光伏发电成本居高不下，制约了光伏产业的发展。为了充分利用太阳能，降低光伏发电的成本，就有必要对光伏阵列的输出功率进行跟踪控制即最大功率点跟踪［ 1］。目前，常用的最大功率跟踪方法有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制和神经网络控制等。其中，扰动观察法和电导增量法因效率高且硬件实现简单而得到了广泛应用。但是，这两种算法在光照剧烈变化时存在错判的问题。作者提出一种改进的变步长电导增量法，通过检测电压、电流的变化，判断光照是否发生突变，在光照突变时，调整控制策略，提高了最大功率点跟踪控制的效果，从而提高了光伏电池的利用率。1 扰动观察法原理及误判分析1. 1 扰动观察法原理扰动观察法（ Perturbation and Observation， P＆O ）也称为爬山法（ Hill Climbing， HC）［ 2］，其工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量扰动后，其输出功率会发生改变，测量改变后的功率，与改变前的功率进行比较，即可获知功率变化的方向。如果功率增大就继续使用原扰动，如果功率减小则改变原扰动方向。扰动观察法跟踪情况如图 1 所示。图 1 扰动观察法原理图1. 2 扰动观察法误判分析当外部环境发生较快变化时，扰动观察法会损失较大的功率，并且很有可能发生误判［ 3］。已知，在一天中光照是时刻变化的，特别是在有云的天气，光照可能在短时间内发生剧烈变化。所以对于光伏电池阵列来说，其 P-U 曲线是不停变化的。如图 2 所示，当前工作点电压记为 Ua，阵列输出功率记为 P a。当电压扰动方向往右移至 U b，如果日照没有变化，阵列输出功率为 Pb ， P b ＞ P a，控制系统工作正确。但如果日照强度下降，则对应 Ub 的输出功率可能为 Pc ， Pc ＜ Pa，系统会误判电压扰动方向错误，从而控制工作电压往左移回 Ua 点。如果日照持续下降，则有可能出现控制系统不断误判，使工作点电压在 Ua 和 Ub 之间来回移动振荡，而无法跟踪到阵列的最大功率点。图 2 扰动观测法可能的误判示意图2 电导增量法原理与误判分析2. 1 电导增量法原理电导增量法［ 4 － 6］是通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪。光伏阵列的dP /d U-U 曲线如图 3 所示， dP /d U 0 时为最大功率点。因此可以得到以下的判据 dP /dU 0，在最大功率点处dP /dU ＞ 0，在最大功率点左侧dP /dU ＜ 0，{ 在最大功率点右侧通过判断 dP /d U 的符号就可以判断光伏阵列是否工作在最大功率点。在最大功率点处有 dP /d U 0，此时保持电压不变；在最大功率点左侧 dP /d U ＞ 0，此时应增大输出电压；在最大功率点右侧 dP /d U ＜ 0，此时应减小输出电压。图 3 光伏阵列 dP /d U-U 曲线2. 2 电导增量法误判可能性分析同扰动观察法，在环境条件剧烈变化时，电导增量法也存在误判的可能。如图 4 所示，设当前电压电流采样值为 U（ k）、 I（ k），功率 P（ k） U（ k） I（ k），前一采样周期电压电流采样值 U（ k － 1）、 I （ k － 1 ），功率 P（ k － 1 ） U（ k － 1） I（ k － 1 ），则 dU U（ k）－U（ k － 1）， dI I （ k）－ I（ k － 1）， dP P（ k）－ P（ k －1），设 dU ＞ 0 ， dP ＞ 0，则 dP/ dU ＞ 0，应增加 U。进入下一采样周期，显然 dU ＞ 0，如果光照没有变化，则 dP ＞ 0， dP / dU ＞ 0，应增加 U，判断正确；如果光照陡然下降且使 dP ＜ 0，则 dP /dU ＜ 0，应减少 U，事实上应继续增加 U，程序判断出错。图 4 电导增量法可能的误判示意图2. 3 电导增量法误判原因分析图 5 光照突变时 dP /dU-U 曲线从以上分析可以看出，电导增量法在光照突变时，可造成系统误判。其原因在于用采样值计算得出的 dP /dU 的值只是其近似值，在光照突变引起功率 P 突变时，存在严重的偏差或错误。如图 5 所示，在 U 20 V 时，光照发生突变， dP /dU-U 曲线存在尖锐的毛刺。基于以上分析可以看出如果能够检测到光照突变，并对算法进行改进可减少或避免程序误判的情况出现。3 改进的变步长电导增量法3. 1 光照突变检测相对于光照的变化来说，光伏电池表面温度的变化是非常缓慢的，因此，在探讨最大功率点跟踪问题时，可以认为光伏电池表面的温度保持不变。而在工作点电压不变的情况下，光伏电池输出电流与辐照度近似成线性关系，也就是说当辐照度改变时，电流相应改变。基于以上原则，作者认为 dU 0 时，光照变化必然引起功率 P 变化； dU ＜ 0 时，若 dI≤ 0，则光照降低； dU ＞ 0 时，若 dI≥ 0，则光照增强。对于其他情况，可设定一个阈值 δ ，当 | dI | ＞ δ 时，认为光照发生较大变化。3. 2 变步长电导增量法作者设计了一种变步长电导增量法，对文献［ 7］的控制算法进行了优化，流程图如图 6 所示，对于扰动观察法亦可进行类似处理。未检测到光照变化时，若 dU≠ 0，系统没有工作于最大功率点。在最大功率点左侧（ dP /dU ＞ 0）时，·93·第 19 期解广识等一种改进的变步长电导增量法在光伏 MPPT中的应用应当提高工作点电压，即 Δ U ＞ 0。该区域内远离最大功率点的 dP /dU 变化速度小，为加快逼近速度可取 Δ U m1 （ dP/ dU） n，其中 m1， n 设置为适当的常数， n ＞ 1 时，可放大 dP/ dU ＞ 1 时的步长，并缩小dP / dU ＜ 1 时的步长。在最大功率点右侧（ dP / dU ＜0）时，应当降低工作点电压，即 Δ U ＜ 0，该区域内dP / dU 变化速率较大，取 Δ U m2 dP / dU。经过控制使 dP 0 时，此时 dP / dU 0，系统达到最大功率点，取 Δ U 0，可归入 Δ U m1 （ dP / dU） n。当dU 0 时，系统已工作于最大功率点，实现了 MPPT控制。此时，保持工作点电压不变， Δ U 0。图 6 改进的变步长电导增量法流程图检测到光照变化时，由于电流的变化方向和最大功率点电压变化方向一致，因此可以取 Δ U m3 dI作为步长数据，可快速追踪由辐照度变化引起的最大功率点电压变化。4 仿真及结果分析为了验证该方法的有效性，在 MATLAB /Simulink中搭建了仿真模型。如图 7 所示。图 7 Simulink 仿真模型其中 PV 模块的参数如下 Voc 44. 8 V； I sc 8. 33 A； Vm 35. 2 V； Im 7. 95 A。光伏模块的初始工作电压 U0 20 V ，辐照度 R 1 000 W /m 2，在 t 0. 3 s 时，开启 MPPT 控制， t 0. 5、 0. 7、 0. 75 s 时，光照分别突变为 R 1 200、 1 000、 800 W /m 2。仿真结果如图 8 所示。可见，在光照不变与光照突变的情况下均可较好地实现 MPPT 控制。图 8 Simulink 仿真结果5 结论分析了扰动观察法和电导增量法的原理与误判问题，利用电压、电流变化与光照变化的关系，对变步长电导增量法进行了改进，此方法同样适用于扰动观察法。该方法能在外界环境变化的情况下，保证光伏阵列快速、精确地跟踪最大功率点，在最大功率点附近的振荡小，稳态精度较高。实验结果表明了该方法的可行性。参考文献【 1】车孝轩．太阳能光伏系统概论［ M］．武汉武汉大学出版社， 2006．【 2】栗秋华，周林，刘强，等．光伏并网发电系统最大功率跟踪新算法及其仿真［ J］．电力自动化设备， 2008， 28（ 7） 21 － 24．【 3】 FEMIA N， PETRONE G， SPAGNUOLO G， et al ． Optimiza-tion of Perturb and ObserveMaximum PowerPoint TrackingMethod［ J］． IEEE Transactions on Power Electronics，2005， 20（ 4） 963 － 973．【 4】 HUSSEIN K H， MUTA I， HOSHINO T， et al ． MaximumPhotovoltaic Power Tracking an Algorithm for RapidlyChanging Atmospheric Conditions［ C］ / /IEE Proceedings-Generation， Transmissionand Distribution， 1995 59 － 64．【 5】 YUSOF Y， SAYUTI S H， ABDUL Latif M， et al ． Modelingand Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photo-voltaic System［ C］ ∥ Proceedingsof National Power andEnergy Conference， Kuala Lumpur， Malaysia， 2004 88 －93．【 6】 HARADA K， ZHAO G． Controlled PowerInterface betweenSolarcells and AC Source［ J］． IEEE Transactionson PowerElectronics， 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