【精品】光电应运系统中最大功率跟踪技术的评估

1、光伏应运系统主要的mppt技术的评估摘要一一本文介绍对常用的最大功率跟踪(mppt)技术的评估， 通过对可用功率、pv电压波纹、动态响应和传感器的使用等跟踪因 t(tf)做有一个意义的比较来对mppt技术进行评估。为了验证分 析程序，使用matlab/simulink和dspace ,将一个数字控制的 dc-dc升压整流器连接到安捷伦太阳能阵列板e4350b模拟器上。 这个主要的实验结果是由传统的mppt算法和如基于比例一积分 (pi)的ic法与基于pi的扰动观察法等改进的mppt算法而得出 的。此外，使用一个能够在线编程的功率曲线和计算tf的用户界 面，就可以对动态响应和tf进行评估。最后，

2、用一个典型的日用绝 缘材料来验证实验结果。关键词光电(pv)能源,pv最大功率点(mpp)跟踪(mppt)算法，pv功率曲线，pv跟踪因子(tf) oi.介绍石油危机表明了能源需求在不断的增长和传统燃料供应在不断 的减少，随着环保的关注，这促使着人类去研究和发展具有清洁、 可再半和对环境影响小等优点的可替代的能源资源。目前，在可替 代能源中，将从pv电池中获得的电能作为一种更为有用的口然能 源，因为太阳能是免费的、充足的、清洁的分布在整个地球上，同 时也是地球上所有能源生产过程的主要因素。此外，尽管大气对阳 光有反射和吸收的作用，但是入射到地球表面的太阳能大概是全球 消耗能源的万倍之上。pv电

3、池的优点是可以减少二氧化碳排放。到 2030年，由于pv电池的使用，每年二氧化碳减排量大约在1吉 吨，这相当于印度在2004年的排放总量，或者是300个火电的总排 放量【1】。根据专家介绍，到2040年从pv电池上获取的能量将会 成为重要的可替换的可再生能源。在这种情况下，分布式能源概念 的提出具有现实意义和可行性的技术手段，也促进了世界范围内各 项研究工作和研究水平的标准化。尽管通过pv电池来发电具有很多 优点，但是其转换效率低，而且初始投资费用也十分高；因此，为 了在操作中得到最大效率，使用技术方法从面板中得到最大功率是 十分有必要的。在均匀的光照条件下，pv板上出现一个独特的操作 点，这

4、个点就是最大功率点。光电功率的特点是非线性的，如图1 所示。在图一中考虑到太阳辐射和温度变化以及负载的变化，从单 独的pv电池中提取最大功率是十分复杂的事情。因此，为了克服这 个问题，在文献【3】-【21】中已经提到了多种方法来提取最大功 率，仔细比较这些方法可以得到对系统设计非常有要的信息。因 此，本文的主要目的就是通过在matlab/simulink中的模型和实验 结果，再对电压波纹、方法的启动、跟踪因子和传感器的使用做深 入比较，来进行mppt技术评估。mppt算法比较的相关论文可以在 文献【22】-【26】中可以找到。然而，本文提出了另外一些关于 mppt算法、它们的流程图、实验结果和

5、改进后的mppt中的基于pi 的ic法和p&0法的比较，市于基于pi的ic法和p&0法有特有的自 适应能力，其实验效果非常好。最后，在如此多的mppt实验方法 中，典型的日功率曲线实验结果在文献中却找不到。10(v)cmompp2025303551015voltage (v)图1 pv电流和电压特性rs iii 光电板模型pv电池的等效模型如图2所示，用反向并联一个二极管的电流 源和插入的非理想特性的的他（串联电阻）与心（并联电阻）组成 最简模型。pv面板仿真模型是基于一个pv输出电流的等效模型，其数学等式可以表示为:(1)这里v表示光电板输出的光电电压，5表示光电流，人表示稳

6、态电 流，g表示电荷量（1.6x10_,9c）, 表示p-n结的品质因素，k表示波 特兹曼常数（1.8x10也丿/k）, t表示温度（开尔文）。当电流i接近于实际的pv电流时，将等式（1）改进以出现一 个零跟。因此等式（1）就变成了等式（2）作为自己的pv电流函 数。用+八心）“ k-tv +心rp(2)通过求零值的可微函数newton-rhapson迭代法（3）得到电流i的 近似值，其中，电流i的初始值为零。(3)这样，公式（2）的导数为:(4)；q(v+i r)/k t 9 * rs'kt rp根据上述的等式，在matlab/simulink中就可以创建模拟pv板 的嵌入函数。这个

7、模型相当于一个电压源，积分器表示用于存储 pv板入射电流的电容。光伏电气参量如表i.所示。最大功率鶯=200旳最大功率处电压%, = 26.3v最大功率处点流% =7.61a开路电压v,c = 32.9v短路电流5 =8.21 a短路电流温度系数 = 3.18xlo_3a/°c表i-光伏电气参量参1015202530355voltage (a)5020906030o21(m)god图3.在不同光照水平下的pv功率特征18050k -820k823(mrqmod906030 jfiv -jit°05101520253035voltage (v)图4.在不同温度下的pv功率特征

8、图3.和图4.中所示，考虑光照强度和温度变化因素得到的pv 电池的功率特征。从图中可知功率特性为非线性，并受气候变化影 响大。iii.主要的mppt技术a. 固定占空比法固定占空比法是最简单的方法，它不需要反馈，而对mpp负载 阻抗只需要调节一次。b. 恒电压方法在标准大气压下，恒电压(cv)法的实验结果表明在mpp处的电 压(vmpp)大约是pv开路电压(v0c)的70%-80%。这些mpp点在 不同的大气条件下，甚至光照强度发生变化，该模块终端的电压变 化特别小，但是当温度变化的吋，终端电压就会改变。因此，这种 方法必须使用在温度变化小的地区。可以肯低的一点是，在对pv电 压进行必要的测量

9、吋，使用一个简单的控制环就能得到mpp 4、 【5】、【21】、【22】。c. mpp轨迹特征法这种方法的基本的想法是在最大功率轨迹曲线上找到电压和电 流间的线性关系。mpp功率曲线的切线就是pv电流，该电流要求在 最小光照条件下仍满足该方法的灵敏度。该方法可以用公式（5）表 示。在参考文献【6】中可得到这个数学式子。可以观察到，很难获 得所有必要的电气参数，但可以得到一个与光电板不相连的电气参 数的线性近似值，并将它转换为与光电板相连的电气参量来作为一 种评估方法。由于最大功率轨迹曲线随着温度的变化而变化，因此 这个模型需要改进更新。通过定期测量开路电压可以就可以改进模 型，这就意味着pv电

10、路在整流器接口处开路，使得在这些瞬时过程 中功率损耗。在光照强度高时，这种mppt方法较好。近严-"他厶刖+%-2。+%（5） impp丿这里n是光电板单元数量，山刖是在最大功率处的电流，吟是温度 电压，是差分电压。d. p&0和基于pi的p&0p&0的操作方法是通过周期性的增加或者减少pv电池的输出端 子电压，再将当前周期中得到的功率和之前得到功率的差值与电压 变化作比（执行d%y） o如果电压改变，功率增加，那么控制系统就会在那个方向改变操作点；否则，控制系统就会向相反的方向改 变操作点。一旦电压变化方向确定，电压将会以恒定速率变化。这 个速率是一个可以在

11、最快响应和最小波动间的平横参量【5】、signal【7】、【18】、【21】-【24】。当步长改变时，根据mpp距离就 可以得到个改进的测试方法，这使得效率增加。这对得到mpp是 一个很好的方法，并且它不受pv版或者制造商的约束；但是，这种 方法也会受环境快速变化的影响。在文献8中可以找到p&0法算 法的比较。可用simulink实现p&0法，如图5所示，用下面等式 来表示该方法：(6)这里的 %p关于v的导数，好是常数，d是占空比。lpv(t)vpv(t) dp/dtd(t)gain> dv/dt图5.通过matlab/simulink构成的p&q装置图通过一个

12、数字控制器也可以改进模型，根据mpp的距离，选择 不同的步长，将传统的p&q转换为合适的解决方法。在稳定状态 下，操作点是不变的，除非外部环境突然改变。关键的思想是使用 一个闭环系统将d%y减为零，来执行基于pl的p&q法。e. ic法和基于pi的ic法ic法的机理是在mpp处，pv的功率斜率(优厂0)为零,左 侧斜率为正极，右侧斜率为负极，如图4所示【8】、【9】、【22】-【25】。因此，在此条件下，mpp处可以发现阵列的电导率 增加。利用公式(7)可以找到ic条件式(8)(7)dp = d(vxi) = i + v = () dv dvdva_£av v(a)k

13、ia?v(b)az iav v(c)(8)这里公式(a)在mpp条件下得到的，公式(b)是在mpp左侧 条件下得到的，公式(c)是在mpp右侧条件下得到的。从理论上讲，一旦在mpp处功率对电压的导数为零，那么稳态 振荡将会消除。然而，由于分辨率的数字化的实现，斜率为零几乎 不会发生。特别强调的一点是，该方法还有一个改进版本，其不受 环境条件快速瞬变的影响【10】，【11】。ic法同p&0法一样，需 要监测pv电压和电流。然而，ic法不需要计算pv功率。该方法可 以通过增加一个简单的pi控制器来提高ic法，将实际电导和增量 电丫间的错误减到最少,因为该补偿器可以根据系统的需要来调整 和更

14、新。这样，使用公式(6)和(7),通过一个pi控制器，ic 法可以实现可视化，如图6所示。此外，pi控制器可以减少稳态 状态下振荡纹波动，将包括分辨率数字实现在内的问题减为最小。 当pv远离mpp, 旦它存在大步长时，这种方法就可作为一种适应性的解决方案；通过与mpp的距离来减小步距，最后，当达到mpp 的时候，系统的运行点就不变了，除非气候条件发生了改变。数字 pi可以直接控制占空比（d）或者转换器的电流（/厶）。在这两个 量约束下，非常容易找到mpp。使用仏可以使控制更有吸引力，一 旦外部环境发生巨大变化，它可以使变换电流器中电流产生很小的 变化；但是，如果d是一个控制量，在转换器的操作点

15、处，外部环 境巨大的变化就意味着大的电流变化。这样，在第二种情况下，控 制器的带宽必须减少。图6使用pi控制器构成的ic装置图0法是通过一个中间变量0的方程，来找到最大功率点处的近 似值。在参考文献【12】中给出了如下式子：0二这里c = （g/（ks厂他）是取决于电荷量，连接光电板的质量因素（“），玻尔兹曼常数心，温度t和串联pv板数量（他）。此外，随着操作条件的变化，在最佳点的0值仍然儿乎不变。 这样，参考文献【12】，使用面板的电压、电流和插入一个带有常 数的传统闭环，可以连续计算岀0值。然而，为获得最佳性能，必 须知道pv电气参数，这些参数会减少这种方法的吸引力。这种方法 的实现如图7

16、所示。图7.法装置图g.系统的振荡和波动的相关联性系统振荡法是根据最大功率传输原则，它通过振荡来决定最佳 操作点。在mpp处，对于平均电压振荡幅值的比例是常数。这种方 法只需要知道pv电压，用相似的电路就可以轻易的实现这种方法【13】、【14】。它的实现是以滤波器的使用为基本特点。对于振 荡系统的实现，可以使用双栅频率（在并网转换器的情况下）或者 是附加低频波动。然而，为了避免错误的开关状态和电磁感应干扰 的增加的问题，在得到最优操作点前必须滤除开关频率，因为这， 在转换开关频率中，通常不选择这种方法。脉动关联也是基于最大 功率转换原则，它通过所有过滤器的振荡功率来获得最佳点。换句 话说，使用

17、高频滤波器来得到高频脉动的功率和电压，这用来计算 %。这个导数的符号是用一个信号函数来显示右侧区域的操作，积分器用来保证mpp。此外，这种方法提出了快速收敛渐近mpp,并且还能在实现收敛速率类似于开关转换器的频率；然而，它被转换控制器的增益所限制【15】、【16】。h.温度法另外一个很好的选择是使用温度法，对于严格的功率变化，温 度变化的缺点是可以避免的。为了达到这个目标，采用低成本的温 度传感器和改进后的mpp算法，来保证mpp轨迹。然而，由于光伏 阵列温度分布的不规则，在实际中实现温度传感器是一个棘手的问 题。在小的光电转换器中温度分布的不均匀是可以避免的。此外， 该传感器可能会出现校准差

18、或者是连接不正确的错误，从而使pv温 度测量错误。这种方法类似于vcte法，正是因为这样，实现它就非 常的简单【17】、【19】-【21】。温度法的计算公式为：jppw = f ）+ %（t-tre/）（10）这里的匕神是最大功率时的电压，t是光电板表面的最大温度。tkvqc 是匕仲的温度系数，：篇是标准条件下的测试温度。iv.仿真结果一般的升压型直流一直流转换器模型通过matlab/simulink用 来模拟负荷变化，在一般的模型中添加一个波动（低频波纹）来做 振荡系统mppt测试。在所有的测试中都要考虑相同的温度和辐射。 所有的算法都要逐步调整到最佳效率，即增加步的大小（或者增 益）直到满

19、足条件；超过最佳效率点后，tf将减少。图8显示的是 一些反应最好的mppt算法评估，这里的最大功率用蓝色显示，在图 中的蓝色曲线是从并网功率中提取到的光电功率。仿真设置包括一个2.5mh的电感，一个36“f的输出电容，和一个50q的负载。表i 概括了光电特性。10211801501209060(m) jomod' o21o o21v301801501209060(m) jomod3023456time (s)o o o o18 5 22 1119060300(m) jumod8020509060(m ) jumod301correlation34time (s)56图8.最好的mppt

20、技术提取光伏电池电源功率根据应运程序来比较和适当调整每种算法，这就有必要提供可以用于作为比较的标准性能的措施。图12是实验室的实验装置。 除了典型的动态响应措施外，在这些情况下还有一些额外指标。因为使用光伏电池转换的能量作为一种能量能源是必不可少的，非常 重要的一种测试方法就是tf,即可用能量的百分比。在稳定状态下 纹波电压也是非常重要的，因为纹波电流的限制，使得面板在mpp 处仍然有效。对于在到达98%的提取功率的mppt算法，在mpp处的 波动电压也不会超过8.5%【27】。其他的因素，比如实现简单，传感器的数量简单和成本也是值 得考虑的。图9中显示的是tf,由图可知，p&0改进法

21、、ic改进 法、基于pi的ic法、脉动相关法、温度法和0法比较突出，0法 和基于pi的ic法可以提取pv的最大能量，其分别提取的能量为 98. 5%和 98. 3%o10.980.960.940.920.90.880.860.841234567891011methods图9.从pv板中提取能量的百分数5 00 2modified ic j(m)199.198.007.393.3253.35033753.400time (s)973919 (a) jumod3,3253,3503,3753.400time (s)50025 51919(m) jqmod0053 人3 9( beta )1ii一

22、- j 3,3253,3503.3753.400time (s)55619(correlation )00397 n3,3253,3503,3753,400time (ic based on pi)5199.5619003,3253,3503,3753.400time (s)5x197(temperature method3,3253,3503,3753,400time (s)199.198.300图10稳定状态下的功率波动（约200w/p ）图10.所示的是在稳态系统中提取的功率波动的比较，在稳定 状态系统中功率波动小时，0法、基于pi的ic法、和温度法比较 突出。就动态响应来说，当pv板最

23、小的时候或者变化最快的时候， mppt的各种方法也应该相互比较当前条件它们是如何工作的。仅仅 对测试来说，得到功率从10200w的瞬吋变化结果，使用图11可 以评估出来。根据这些结果，基于pi的ic法、脉动关联法和改进 的ic法具有明显的优点，改进后的ic法达到稳态所需时间更短。 当pv远离mpp时，一旦改进后的ic法出现最大步长时，这种情况 就发生了。需要强调的是，ic法和p&0发具有相同的质量指标，因为他们都是基于相同的原则来寻找mppt,在mpp处dp/dv值为零【28】。o2.022,22.32.42,52.6time (s)o o1 82 1(m) god5020906030

24、o21o12.22,32.42.52,6time (s)801501209060(m)3()2.02.12.22.32.42.52.6time (s)0000001 8 5 2 9 0 32 1 i i(m)娶0o212.223242.52.6time (s)805020906030(m)9 ol22.0108050209060302 i 1(m) jomodtemperature2.022.22.32.42.52.6time (s)1080502090603002 1112.22,32.42.52.6time (s)图11 最大功率跟踪动态特性（10-200w阶跃变化）图12.实验室实验装置

25、v.实验结果原型系统和实验装置如图12所示，该装置由示波器、太阳能 电池阵列模拟器、转换器和计算机组成。该算法在dspace ace400平台中实现数字化，这个平台是一个 以dsp tm320f240为核心的仿真环境。这部分介绍主要仿真结 果。辐射和温度配置使用的是安捷伦e4350b光电模拟器。当控制系 统采样率10khz时，升压dede转换器工作的开关频率为50khzo0法、cv法、p&0法和ic法的动态响应验证结果如图13所 示。根据动态响应结果，该评估方法提供了很好的性能。当功率变 化(100200w和200100w)吋，它们都使光伏输出功率变的小于 20mso只有cv法的初始化

26、所需时间长，从关闭状态达到mpp需要花 费1.6so而法所需的时间短，从关闭状态达到mpp需要花费约为 500mso实验上，p&0法和ic法所需时间最短，但是在稳定状态扰 动将使功率损耗。vote''vp&o(b)图13. mppt方法的动态特性。(a)步阶为(200-100w)和(100- 200w) ,(b)初始化(0-200w),尺度：电压(20v/div),电流(5a/div),功率(100w/div)，时间【(a) 20 和(b)200ms/div。在评估mppt算法中，波动相关法呈现出最好的初始化时间，即 从0到最大功率只需要50ms。这种动态特性很

27、容易在图14中验 证。这种方法调到最好性能，之所以这种方法突出是因为它提供的 动态特性接近开关转换器的频率，但是受限于转换控制器的增益。为了方便实验评估和计算tf,需要使用c+builder来建立一 个采集管理系统。计算机用户界面如图15.和图16所示。使用这个 系统就可以通过远程程序控制阵列模拟器从而形成一组的太阳辐射 和温度曲线来形成功率曲线。它的通信是通过通用接口总线的通用 串行总线来实现计算机和阵列模拟器的数据交换。其所提取功率的 评估如图17 所示，这里厲ax代表最大可用功率，畀弋表能量转 换。用运一个典型的类似日常绝缘的配置，如图18和图19所示， 对这些配置中一些好的响应意味着一

28、个较大的增益，而这与能量提 取能力的研究有关。模拟每天的特性，即功率配置不是一整天的时 间，而是从上午6点到下午6点。最后，表ii总结了分析mppt算 法的一些主要特征。在实验评估中，可以使用数字pi控制器实现 p&0算法，也可执行基于pi可适应的p&0法。类似于可适应的ic 法，这种p&0法的实现意味着关于更高的tf更有趣的结果，也可以 减少稳态系统的振荡。因此，这种mppt算法也可以应运到相同的日负荷配置中，其结果如图18和图19所示。当pv远离mpp吋，或 者当pv到达mpp时，步距减少时，一旦数字控制器执行大的步长则 更高的tf可以理解，尽量减少在稳态系统中功率

29、的损耗。图15用户界面图一独特操作点program of the solar array emulator叵冈urvque power point perfc oj power | save in memory |set curvesimppfa)vmpp(v)voc(v) a11.309222821.71.425303221.828354oroonoxv<>startstopindividual curve time | |3.1 tracking factor | |97.5825653076172(573f3save waveforms22020018016014012010

30、0806040200return to the def auk mode图16.用户界面图一功率图acquisition system 一 power profilee/vodoooooooqqqq2 08642086422 2 11111qm0do ooooooooooo208642086422 2 11111tf = 92.1%tf = 91.8%n u和 ,/i 99i o i vv i vvv vvwvhvvvb cvcte 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24time (s)2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24time (s)图17

31、mppt方法功率提取实验100w/div20v/div5v/div10ms/divr-i.power(w)voitage(v)current(a)p&o bn§ed on pipower(w)power(w)voltage(v)current(a)p&() based on pivoltage(v)10ms/div100w/div20v/div5v/div(coitelationcorrelationcurrent(a)power(w)voltagefv)loms/div100w/div20v/div5v/div图18类似日常绝缘和温度的功率配置一示波器采集。右侧波应

32、该使用太阳跟踪器。data acquisition power curves5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 time (s)5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 time (s)5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 time(£)图19.类似的日常绝缘的温度分布-一计算tfmethoddependency of parrayrtracking eactor(tf)implementationaccuratesensorsdctenopoorvery simplenovcteyesreasonablesimplenovp&onogoodsimpleyesvjicnogoodmediumyesv.lmodihed p&onovery goodcomplexyesv.lp&o based on pinoexcellenimediumyesvjmodiged icnovery goodcomplexyesvjic based on pinoexcellentmediumyesv.lbetayesexcellentmediumyesv.isystem oscillationyesreasonablesimplenovripple correlationnogoodcomp