基于分區(qū)域控制法的MPPT研究與仿真

齊潔瑩,周 明,史文秀,李 悅

(山東科技大學(xué),青島 266590)

基于分區(qū)域控制法的MPPT研究與仿真

齊潔瑩,周 明,史文秀,李 悅

(山東科技大學(xué),青島 266590)

針對變步長電導(dǎo)增量法響應(yīng)速度慢的缺陷,提出一種新的最大功率點(diǎn)(MPPT)控制方法,即在不同區(qū)域可以將短路電流比例系數(shù)法、定電壓跟蹤法與變步長電導(dǎo)增量法及時(shí)切換的MPPT控制方法。通過在PSCAD/EMTDC仿真平臺進(jìn)行驗(yàn)證,無論在標(biāo)準(zhǔn)狀況下還是環(huán)境突變時(shí),該方法均能迅速準(zhǔn)確地找到最大功率點(diǎn),大大提高了MPPT的收斂速度和控制精度,減少了在最大功率點(diǎn)附近的震蕩。

短路電流比例系數(shù)法;定電壓跟蹤法;最大功率點(diǎn)跟蹤;變步長電導(dǎo)增量

由光伏電池的結(jié)構(gòu)及發(fā)電原理可知,在不同的工況下電池存在不同的最大功率點(diǎn)。因此,為了保證發(fā)電系統(tǒng)的高效性,必須對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,并實(shí)時(shí)調(diào)整工作點(diǎn)的位置使其工作在最大功率點(diǎn)附近,這就是最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。在實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)中,控制方法主要有固定參數(shù)法(短路電流法、開路電壓法)、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法等[1-4]。傳統(tǒng)的固定參數(shù)法只需檢測一個參數(shù),控制簡單,但檢測時(shí)需斷開電路,且控制精確度低;電導(dǎo)增量法穩(wěn)定性較強(qiáng),但傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法收斂速度太慢。為此,本文提出一種在不同區(qū)域可以將短路電流比例系數(shù)法、定電壓跟蹤法與變步長電導(dǎo)增量法及時(shí)切換的MPPT控制方法。在MPPT的控制中,最大功率點(diǎn)的左側(cè)和右側(cè)要求響應(yīng)速度快,而靠近最大功率點(diǎn)處要求精度高且無震蕩。根據(jù)不同區(qū)域不同的控制要求,當(dāng)系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離MPP的左側(cè)及右側(cè)區(qū)間時(shí),分別使用短路電流比例系數(shù)法和定電壓跟蹤法控制,這樣系統(tǒng)在較遠(yuǎn)處均能迅速的回到MPP附近[4]。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近的區(qū)間時(shí),范圍變小,對控制的精確度要求大于對速度的要求,所以采用變步長電導(dǎo)增量法進(jìn)行控制,防止震蕩。通過搭建PSCAD/EMTDC模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,證明了該方法可行。

1 光伏電池特性

在工程中,光伏電池輸出電流、開路電壓和功率的函數(shù)可表示為[5]

式中:Ish為電池短路電流;I0為反響飽和電流;T為光伏電池的參考溫度;U為電池端電壓;q為一個電子電量;A為電池中半導(dǎo)體器件的P-N結(jié)系數(shù);K為玻爾茲曼常數(shù)。

依據(jù)上式在PSCAD/EMTDC下建立模型,分別給出溫度為25°C,光強(qiáng)從上到下依次為1000,700和500 W/m2時(shí)的P-U和I-U特性曲線圖,如圖1和圖2所示。

圖1 光伏電池P-U特性曲線圖

圖2 光伏電池I-U特性曲線圖

由圖1、圖2可知,光伏電池的最大功率點(diǎn)與環(huán)境因素密切相關(guān),特別是光照對最大功率點(diǎn)的影響非常大[6]。

2 分區(qū)域控制算法原理

分區(qū)域控制法的重點(diǎn)在于系統(tǒng)可以在不同區(qū)域選擇最適合該區(qū)域的控制方法,在環(huán)境突變時(shí),亦能夠迅速切換,及時(shí)跟蹤。

2.1 短路電流比例系數(shù)法、定電壓跟蹤法與變步長電導(dǎo)增量法

在MPP處有Umpp≈k1Uoc和Impp≈k2Isc,若已知短路電流值和開路電壓值,可迅速定位到MPP附近位置,這種利用短路電流值和開路電壓值來定位MPP的方法叫做短路電流比例系數(shù)法和定電壓跟蹤法。在文獻(xiàn)[7]中,檢測短路電流值及開路電壓值均需中斷系統(tǒng)工作,而在本文中經(jīng)過改進(jìn),使用了在線檢測獲取,避免對正常運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

圖3 光伏電池dP/dU-U特性曲線圖

圖4 光伏電池dP/dI-I特性曲線圖

為了解決不同步長選取導(dǎo)致的光伏系統(tǒng)動態(tài)速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾,本文采用了變步長電導(dǎo)增量法。由圖1中電池P-U特性曲線可知,|dP/dU|的大小與距離MPP的位置成正比,因此將step=N×|dP/dU|作為算法中步長數(shù)據(jù),N為比例因子[10]。遠(yuǎn)離MPP時(shí),步長較大,保證了跟蹤速度;接近MPP時(shí),步長較小,避免了最大功率點(diǎn)附近的震蕩。

2.2 分區(qū)域控制法算法原理

根據(jù)采集的電壓、電流計(jì)算光伏電池的輸出功率,并計(jì)算dP/dU的值。結(jié)合法算法原理過程如圖5所示。

圖5 結(jié)合法算法原理過程圖

圖6 算法流程圖

3 仿真結(jié)果比較分析

為驗(yàn)證提出方法的有效性,在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對普通的電導(dǎo)增量法及結(jié)合法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真對象為最大輸出功率為630 W的光伏電池,主電路為BOOST電路,逆變電路使用典型的基于電網(wǎng)電壓定向的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量PWM控制策略[11]。主電路圖如圖7所示。

分別在標(biāo)準(zhǔn)狀況下及環(huán)境突變情況下對兩種方法進(jìn)行仿真對比。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)狀況下仿真分析

在光照為1200 W/m2,溫度為25 ℃條件下,變步長電導(dǎo)增量法的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路圖

圖8 變步長電導(dǎo)增量法仿真結(jié)果圖

從圖8可以看到,輸出功率有較好的穩(wěn)定性,但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPPT的最終穩(wěn)定需要的時(shí)間約為2.3 s。

分區(qū)域控制法的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 分區(qū)域控制法仿真結(jié)果圖

從圖9可以看到,在0.67 s時(shí),系統(tǒng)便已實(shí)現(xiàn)了MPPT的穩(wěn)定輸出,與變步長電導(dǎo)增量法相比,大大縮短了尋找MPP的時(shí)間。

3.2 環(huán)境突變時(shí)仿真分析

設(shè)置在3 s時(shí),光照從1200 W/m2變?yōu)?00 W/m2,變步長電導(dǎo)增量法的仿真結(jié)果如圖10所示,經(jīng)過0.8 s后波形穩(wěn)定。結(jié)合法仿真結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看到,環(huán)境突變后,MPPT能夠在0.1 s內(nèi)迅速進(jìn)行追蹤,且功率穩(wěn)定,與變步長電導(dǎo)增量法相比,大大縮短追蹤時(shí)間。

圖10 環(huán)境變化時(shí)變步長電導(dǎo)增量法仿真結(jié)果

圖11 環(huán)境變化時(shí)分區(qū)域控制法仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 論

MPPT分區(qū)域控制法針對變步長電導(dǎo)增量法響應(yīng)速度慢的缺陷,在不同區(qū)域分別使用改進(jìn)的短路電流比例系數(shù)法、定電壓跟蹤法、變步長電導(dǎo)增量法來控制。經(jīng)在PSCAD/EMTDC仿真可知,無論是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下或環(huán)境突變時(shí),該方法的穩(wěn)定性都很強(qiáng),且響應(yīng)時(shí)間非常短,大大滿足了迅速性的要求,提高了光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

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(責(zé)任編輯 王小唯)

Research and simulation of MPPT based on the regional control method

QI Jieying,ZHOU Ming,SHI Wenxiu,LI Yue

(Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Aiming at the defect of slow respond speed in using variable step-size incremental conductance method,author proposed a new MPPT control method.That is the method that enables the short circuit current ratio coefficient method,constant voltage tracking method and the variable step incremental conductance method switching in time.Through the test on PSCAD/EMTDC simulation platform,this method can quickly and accurately find the maximum power point whether under normal conditions or environmental catastrophe.In doing so,convergence speed and control precision have been greatly improved and the shock have been reduced near the maximum power point.

short circuit current ratio coefficient method; constant voltage tracking method; maximum power point tracking; variable step incremental conductance

2016-05-07。

齊潔瑩(1992—),女,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及低電壓穿越。

TM914

A

2095-6843(2016)06-0529-04