固定电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究.doc

太阳能光伏并网发电系研究生课程 电气与电子工程学院 姓名 马翔宇 学号：M20127122120122013学年度电气与电子工程学院研究生课程太阳能光伏并网发电系统课程报告固定电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究院 系：电气与电子工程学院专 业：应用电子工程系任课教师：学生姓名：学 号： 指导教师：二一三 年 五 月ABSTRACT:The output power of PV module is a non-linear function of temperature, solar insolation and loads, so it is necessary to track MPP of the PV array all the time. When the external environment rapidly changes，in order to regulate the PV array operating point near the maximum power point quickly, the online constant-current method to track MPP is utilized at first, and then the variable step P&O is adopted to adjust the PV array operating point to be at the maximum-power point. The simulation of the improved method and common methods show that, contrast to the latter, the former can trace the maximum-power point more quickly, efficiently and accurately, which is concise and easy to implement, and also can reduce the energy loss caused by the oscillation of the operating point about the maximum-power point, thus enhancing the PV system efficiency.KEYWORDS:Photovoltaic panel characteristics; maximum power point tracking; constant current method; variable perturb step perturbation and observation method摘要：光伏器件输出功率是外部环境、负载的非线性函数，为了充分发挥光伏器件的效能，需采用最大功率点跟踪方法进行控制。当外界环境突变时，采用在线固定电流法进行初步跟踪，调整光伏阵列的工作点到最大功率点附近。在此基础上再使用变步长扰动观察法，使得工作点进一步调节到最大功率点，并有效减少了光伏阵列输出功率在最大功率点的振荡。对该结合方法及相关的MPPT算法分别仿真，结果表明，该方法可以在外界环境剧烈变化下快速、有效、准确地跟踪最大功率点，简明易于实现，同时有效减少在光伏阵列最大功率点附近振荡所带来的能量损失，提高了光伏发电系统的效率。关键词：光伏电池特性；最大功率点跟踪；固定电流法；变步长扰动观察法1 引言光伏电池是光伏发电系统电能的来源，光伏电池输出功率是其所受日照强度、器件结温的非线性函数。即使在外部环境稳定的情况下，光伏电池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配时，光伏器件才会输出最大功率。为了实时从光伏阵列获得最大输出功率，需要在光伏发电系统中实现最大功率点的跟踪控制。通常的实现方法是需根据外部环境和负载情况不断调节光伏器件的工作点使其输出最大功率，我们将此功率调节过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。MPPT电路常用的控制方法有固定参数法（如固定电压法、固定电流法）、扰动观察法及增加电导法等。各种MPPT控制方法中，固定电流法和扰动观察法因简单有效而较常用，但各自也存在缺陷。本文在分析固定电流法和扰动观察法的基础上，采用了一种固定电流法结合扰动观察法的MPPT控制。在外界环境或负载突变时，采用在线固定电流法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近，以保证跟踪的快速性。在此基础上，为进一步提高对光伏阵列的利用效率，在最大功率点附近，采用变步长扰动观察法，从而减小系统在最大功率点附近的振荡。2 光伏电池特性光伏电池单元是非线性器件，它的等效电路模型如图2.1所示。图2.1中的电流源产生光生电流Iph，它的数值由光照强度与温度共同决定。串联电阻RS与并联电阻RP用来表征太阳能电池内部的功率损耗。由于太阳能电池表面的材料的电阻率，当电流经过太阳能板流向外部内路时，其必然为产生串联损耗，故引入串联电阻RS。并联电阻RP表征由漏电流引起的损耗。图2.1 光伏电池等效电路根据图2.1可得光伏电池的输出电压V和输出电流I之间的关系式： (2.1)其中Iph代表光生电流，Isat代表二极管反向饱和电流，A是二极管特性因子，K为玻耳兹曼常数，T为外界环境绝对温度，RS和RP分别为光伏电池的串联和并联电阻。虽然式(2.1)给出了准确的光伏电池I-V关系式，但是等式中用到的参数Iph、Isat、A、RS、RP并不由太阳能电池产商提供，因此难以确定其值。太阳能电池产商只提供标准外界条件下太阳能电池板三个工作点的电压电流值，分别为开路电压Voc，短路电流Isc以及最大功率点的电压VMPP，与电流IMPP 。为了得到由上述四个参数所表示的太阳能电池I-V关系式，在等价前提下变换式(2.1)。在等式变换之前，先对式(2.1)进行两项近似：1.忽略项，因为RP很大，此项值远远小于Iph2.设定，因为RS远远小于二极管导通电阻在上述两项近似的前提下，代入三个工作点的电压电流值，分别为时，时，以及时，从而解出 (2.2)其中 (2.3)只要根据光电池厂商提供的ISC、VOC、IMPP、VMPP等参数就可以确定该型光伏电池的输出模型。但是由于厂家提供的这些参数一般是在标准温度Tref()和标准日照功率Sref()下的测试结果，在实际应用中还需要进行补偿。补偿公式如下： (2.4)其中，a、b、c是常数，通常：，。在实际应用中，只需测量出当时环境条件下的上述四个参数值，就可得到光伏电池的IV特性方程，这为后续的研究工作提供了基础。以无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP0950S-36光伏阵列为例。其提供的数据手册参数为、，且该光伏电池组由36块光伏电池串联组成。按照上述方法，在不同光强和温度下对该光伏阵列进行Simulink仿真。光伏电池的仿真模型及仿真结果如图2.2和图2.3所示。从图中可以看出，随着光强的减小，输出最大功率减小同时最大功率点处对应的电压减小。图2.2 光伏电池仿真模型图2.3 不同光强下光伏阵列的P-V特性仿真曲线据此建立的光伏组件仿真模型可以模拟光伏电池在各种环境条件下的电气特性，并能模拟在外界环境变化过程中光伏电池的电气特性，为光伏系统的最大功率跟踪控制的仿真提供基础。3 MPPT控制原理MPPT电路常用的控制方法有固定参数法(如固定电压法、固定电流法)、扰动观察法及增加电导法等。固定参数法利用在最大功率点工作时光伏器件工作电压、电流与器件开路电压、短路电流的近似比例关系进行控制，此方法只需一个检测参数，控制简单易行，但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作，对系统运行存在干扰，此外所采用的控制关系是近似关系，不能实现最优控制，因此该方法控制精度低，仅适用于小功率场合。扰动观察法是MPPT控制中的一种常见方法。扰动观察法控制思路如下：假设增加变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续增加，反之占空比减少；假设减少变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续减少，反之占空比增加。占空比的改变值称为扰动步长d，在选取扰动步长大小时要兼顾光伏发电系统动态特性及稳态特性。扰动观察法虽然控制简单，控制效果也较好，但是在最大功率点附近存在功率振荡现象，且在日照突变的情况下有可能失去对最大功率点的跟踪。从前面的分析可知，扰动观察法在日照稳定情况下MPPT控制效果较好，对光伏器件的利用效果较高，但存在最大功率点处功率振荡的现象。此外，在日照突变情况下会失去对MPPT的控制能力。固定电流法控制精度差，但是在外部环境突变情况下，仍能使光伏器件输出功率跟踪日照的变化。为了使光伏发电系统能够快速响应日照变化，且能充分发挥光伏器件的作用，本文采用了将固定电流法和扰动观察法结合运用到MPPT电路控制中的方法：当外部环境变化时，光伏器件的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用进行光伏器件输出功率的控制，因此只要知道ISC就能使光伏器件的输出功率重新接近最大功率点。当系统实现短路电流法的控制目标后，通过变步长扰动观察法使光伏器件的工作点继续向最大功率点移动，最后稳定工作在最大功率点。3.1 在线固定电流法传统的光伏器件短路电流ISC采样过程对系统运行短路采样，因此会降低系统的效率并使控制变得复杂，这也是固定电流法采用较少的原因。在此，采用了短路电流在线获得的方法，在不进行短路采样的情况下便可获得短路电流ISC。根据光伏电池的V-I特性可知光伏电池输出功率的函数为： (3.1)电池输出功率对输出电压的导数关系为： (3.2)根据光伏电池P-V关系得到的dP/dV-V特性曲线如图3.1所示。由图3.1可知：在区间I，虽然光伏电池输出电压不断增加，但dP/dV基本不变，大小近似等于光伏电池的短路电流ISC，光伏器件的输出功率与输出电压成线性关系；在区间，dP/dV快速下降直到零，该过程中光伏电池的输出功率随输出电压上升而增加但速度变慢，当dP/dV=0时光伏器件工作在最大功率点；在区间，随着输出电压进一步增加，dP/dV变为负值，该值随输出电压的增加快速下降，输出功率随输出电压的进一步上升而快速减小。图3.1 光伏电池dP/dV-V特性曲线因此我们只需使系统工作在偏离最大功率点左侧一定的区间内就可以得到电池的短路电流，此时光伏器件的输出功率也不会跌落很多。该方法无需将电池短路，从而减小了ISC采样对系统正常运行的干扰。在得到电池短路电流后就可以根据的关系对系统进行初步的最大功率点跟踪控制。3.1 变步长扰动观察法为了达到更好的跟踪效果，在扰动观察法MPPT控制时采用一种变步长扰动观察法，将其与短路电流法结合，使得能在各个阶段下均能获得最佳扰动步长，让光伏阵列无论在任何光照条件下都能达到最大功率。模糊控制是普遍使用的变步长MPP控制方法，它虽然具有较佳的快速性和稳定性，但该方法实现复杂，工程应用较为困难。为克服模糊控制方法的缺点，提出了一种简单的控制变步长扰动观察法控制方法。在控制过程中，d共有两个等级，较大者用于距离最大功率点较远时调节；较小者用于光伏电池工作在最大功率点附近，以降低功率振荡。该方法的关键是如何有效实现两个不同d的转换。由图3.1可知，dP/dV在最大功率点两侧的符号是不同的，但在扰动观察法控制下，在最大功率点附近光伏电池工作点交替在区间II和之间转换，在转换过程中： (3.3)上式表明J为正时，光伏器件未到达最大功率点；J由正变为负时，工作点从最大功率点一侧转移到另一侧，光伏电池工作在最大功率点附近。当J0时，光伏器件仍未达到最大功率点，此时d较大，采用大步长扰动观察法，以快速跟踪外部环境变化能力。当J0时，表明光伏器件处于最大功率点附近，此时d减小，P也减小，采用小步长扰动观察法，提高了光伏电池平均输出功率，J仍小于零。当外部环境发生微小变化时，引起的功率变化也比较小，即使d较小，仍能使光伏器件快速恢复到最大功率点附近，J仍为负；当外部环境发生较大变化时，P也较大，从而导致系统远离最大功率点，小步长扰动量不能满足系统快速跟踪外部环境变化，则切换为大步长扰动量。如果外部环境变化剧烈，则跳出，采用固定电流法控制。图3.2 MPPT控制流程图MPPT的控制流程图如图3.2所示。其中D指固定电流法使用校正控制使输出电流稳定到IMPP上，校正控制计算出的占空比的步长增量，d指小步长扰动观察法中占空比步长增量。对光伏电池进行采样，定义系统在k时刻光伏阵列的输出电压及输出电流分别为V(k)和I(k)：计算在时刻k光伏电池的输出功率，并和k-1时的输出功率、输出电压进行比较，判断系统是否工作在最大功率点左侧，即是否处于电流源模式；若系统不处于电流源模式，则调整MPPT电路开关的占空比使系统工作在电流源模式；如果系统工作在电流源模式，通过电池输出电压、输出电流可计算得出k时刻及k-1时刻，比较两次电流的误差，如果两者差值在误差范围内，则Ik值可认为等于短路电流，将该电流用于MPPT的固定电流控制；如果超出规定范围，同时系统工作在最大功率点左侧，则可以推断系统工作在最大功率点附近，此时采用变步长扰动观察法进行控制。该过程不断重复直到P近似等于零，此时系统工作在最大功率点。4 系统参数的设定由前文的参数可知，光伏电池阵列的稳定工作电压较高，故此处的DC-DC变换器选用Buck降压电路。由于MPPT控制采用的是固定电流法结合扰动观察法，当光伏电池工作在最大功率点左侧的电流源模式下，即电流误差在误差范围内，可在线计算出短路电流ISC，并可根据的关系，将给定电流转化为参考值输入控制输出电压。在此应使用校正装置使光伏电池输出电压稳定到参考值附近，故在此需确定校正装置的参数。简化的Buck电路系统入图4.1所示，图中标出了所有的状态变量，其中输出负载由大电容模拟，可近似看成稳压源。在本系统中，Buck电路要调节的是其输入即光伏电池的电压而非输出电压，因此本系统所要计算的传递函数有别于传统的Buck电路的传递函数。所求的传递函数为，其中为光伏电池的输出电压，是占空比信号。图4.1 MPPT系统电路图根据图4.1列出系统的状态方程： (4.1)式中，Fv(t)为光伏电池的输出电流，可以由式(2.2)和式(2.3)求得。重写式(2.2)和式(2.3)如下： (4.2)其中 (4.3)VOC、ISC、VMPP、IMPP分别为光伏电池的开路电压，短路电流以及最大功率点的电压与电流。根据仿真中所采用的光伏电池模型的特性指标，代入后可求得： (4.4)将式(4.4)带入式(4.1)中，并对所有状态变量采用小信号扰动法消去直流量，得到： (4.5)对采用麦克劳林公式展开得到： (4.6)进行拉普拉斯变换后解得系统的传递函数为 (4.7)代入实际值D=0.768、V=781.2V、I=4.5A、L=2.5mH、C=220F、A=4.8、K=32.461解得 (4.8)由公式知包含一个零点和两个极点，分别为：，直流增益为60dB，根据式(4.8)画出的波特图如图4.2所示。从图中可以看出，系统在188Hz处先遭遇两个极点，幅度曲线斜率为-40dB/dec，相位有180度的下降；而后在849Hz遇上一零点，幅度曲线斜率变为-20dB/dec，相位回升90度。与传统Buck电路的传递函数相比，它多了一个位于带宽内的零点，此零点改善了系统相位裕量，但系统低频增益太低，系统需进一步补偿。本系统的开关频率为20kHz，增益交越频率的值可设计在开关频率的1/2-1/10的范围内，在本论文中为了更好地滤除高频噪声，设置其值为开关频率的1/5，即。由于增益交越频率为4kHz，因此的零极点都在带宽之内，都会对系统的稳定性产生影响，由图4.2可知，的低频增益太高，需要在低频处引入一个极点以降低低频增益。低频极点的引入，会使得系统相位裕量变差，因此还要在带宽点引入一个零点，用于抵消此低频极点的影响。零点的产生相对应会产生一个极点，为了令此极点对系统不产生影响，此极点的频率值应远大于增益交越频率。综上可知，传递函数应包含两个极点与一个零点。其中零点和第一个极点位于低频处，第二个极点位于高频处。的第一个极点，用于提高系统的低频增益；零点设计为，用于抵消的两个极点；第二个极点设计为，对系统不产生影响，求得 (4.9)式(4.8)与式(4.9)相乘，得到系统的开环传递函数。图4.3为用Matlab画出的校正后系统开环函数伯德图。由图4.3可得为4.33kHz，相位裕量为36.1度。图4.2 系统开环传递函数伯德图图4.3 校正后系统开环传递函数伯德图扰动观察法虽控制简单、容易实现，对参数检测的精度要求不高，在日照变化不是很剧烈的情况下具有较好的MPPT控制效果，但由于该方法始终对MPPT电路中的功率器件施加扰动，故光伏器件的输出功率只能工作在最大功率点附近。在控制过程中，扰动步长d的值对最大功率点控制的影响较大:d较大时，该控制方法对日照变化跟踪速度快，但是由于光伏器件特性不对称，其输出功率会在最大功率点附近产生功率振荡现象；d较小时，可减弱或消除光伏器件输出功率的振荡，但对日照变化的跟踪速度变慢。实际应用中要对其进行实验后才可选定扰动步长d。 （a）d为1%TS （b）d为0.2%TS图4.4 扰动观察法不同扰动步长输出功率仿真波形图4.4是d分别为1%TS和0.2%TS情况下扰动观察法的仿真波形，其中TS为MPPT电路中开关器件的工作周期。从图中可以看出：扰动步长d较小时，光伏器件的输出功率仅存在一定的波动，没有功率振荡现象发生，但对日照反映速度较慢；扰动步长d较大时，光伏器件的输出功率对日照变化的响应速度较快，但在最大功率点附近存在严重的功率振荡现象。由于本文中，只在最大功率点附近才进行扰动观察法控制，为了更大的减小功率振荡现象，提高光伏电池的利用效率，故采用较小的扰动步长，即d为0.5%TS和0.2%TS。5 系统仿真为了验证所本文方法的有效性，在Matlab软件下对该方法进行了仿真，仿真模型如图5.1所示。在温度为25的情况下，仿真可得光强在500W/m2时最大功率为1690W，在光强为1000W/m2时最大功率为3261W。光强在0.5s时由500W/m2急剧变化到1000W/m2的情况下，分别采用扰动观察法和固定电流结合扰动观察法进行MPPT仿真，可以得到如图5.2图5.4所示结果。根据上述各图所示的仿真结果，可以总结出MPPT方法在稳态情况下的比较如表5.1所示。图5.1 MPPT控制系统仿真模型当电池外部环境发生变化时，电池输出功率经过动态过程后达到稳定。对比图5.2、图5.3可以看出，在扰动观察法中步长大时，在光强变化时能迅速跟踪最大功率点，但稳态输出时功率存在较大的波动。从表5.1中看出，步长大时稳态输出功率均值呈现下降。从图5.4可以看出，在光强突变时，结合法采用固定电流法对最大功率点进行快速跟踪，使工作点快速移动到最大功率点附近，在稳态输出时，采用变步长的扰动观察法，不断逼近最大功率点。图5.2 D=0.02时的扰动观察法仿真波形图5.3 D=0.002时的扰动观察法仿真波形图5.4 固定电流法结合扰动观察法仿真波形对比图5.3、图5.4可以看出，固定电流法