基于RTDS仿真的最大功率點(diǎn)交叉檢驗(yàn)的MPPT研究

王耀坤，姜志慧

（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519055）

0 引 言

光伏系統(tǒng)中，光伏板組成陣列可以被看作是直流電流電源，通常需要經(jīng)過(guò)直流-交流（DC-AC）逆變器后再接入電網(wǎng)。光伏板的發(fā)電功率是由有效接收的太陽(yáng)輻射決定的，由于太陽(yáng)輻射等外界環(huán)境的變動(dòng)性，需要采取最大功率追蹤（MPPT）來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)（MPP）。

目前，已有許多MPPT算法的研究，如固定步長(zhǎng)法、擾動(dòng)觀(guān)察法（P&O）和電導(dǎo)增量法（INC）等[1-6]?；贑曲線(xiàn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量MPPT算法引入了變化因子，使步長(zhǎng)根據(jù)距離MPP的遠(yuǎn)近而改變大小，可以在快速跟蹤MPP同時(shí)減小MPP的震蕩現(xiàn)象。然而，該算法也存在問(wèn)題，當(dāng)PV工作點(diǎn)接近并穿過(guò)MPP時(shí)，仍會(huì)引起明顯的震蕩現(xiàn)象，從而降低光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

因此，本文通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器（RTDS）仿真平臺(tái)，改進(jìn)設(shè)計(jì)并建立了一種具有最大功率點(diǎn)交叉校驗(yàn)（MPPcrosscheck）的可變步長(zhǎng)增量電導(dǎo)MPPT算法，實(shí)現(xiàn)了高效和低震蕩的MPPT算法目標(biāo)。實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器（RTDS）是專(zhuān)門(mén)為研究電力系統(tǒng)中的電磁瞬變而設(shè)計(jì)的設(shè)備，是由RTDS硬件和RSCAD軟件組成，可以連續(xù)地計(jì)算出并給出近似代表實(shí)際電力系統(tǒng)情況的結(jié)果，實(shí)時(shí)仿真時(shí)間步長(zhǎng)小[7]。

1 基本原理

1.1 基于C曲線(xiàn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量MPPT

由于受到光照、溫度及遮蔽等外部環(huán)境的影響，PV電源的發(fā)電功率總在變動(dòng)。因此，PV系統(tǒng)需要具有連續(xù)搜索并跟蹤MPP的能力。MPPT基于光伏電源的P-V特性，是一種用于跟蹤最大光伏功率的控制方案，通常由光伏系統(tǒng)的DC-AC逆變器來(lái)控制。該算法通過(guò)采樣計(jì)算相關(guān)參數(shù)，控制逆變器，以確保系統(tǒng)達(dá)到最高的能量轉(zhuǎn)換效率。MPPT的質(zhì)量往往取決于跟蹤MPP的效率、跟蹤的震蕩幅度以及外部條件變化時(shí)的跟蹤速度。

電導(dǎo)增量算法可以快速地追蹤外部環(huán)境的變動(dòng)，并且具有相對(duì)較高的精度和穩(wěn)定性。該算法根據(jù)PV特性曲線(xiàn)的斜率跟蹤MPP，如果斜率為正，意味著PV工作點(diǎn)位于MPP的左側(cè)，反之亦然。一種改進(jìn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量算法，PV工作點(diǎn)距離MPP較遠(yuǎn)時(shí)步長(zhǎng)取最大步長(zhǎng)，距離MPP較近時(shí)取很小步長(zhǎng)，既能快速跟蹤變化，又能顯著降低PV工作點(diǎn)在MPP的震蕩。具體公式為：

其中，Vref為用于實(shí)現(xiàn)控制的參考電壓。

基于C曲線(xiàn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量算法引入了C曲線(xiàn)：C曲線(xiàn)斜率的正負(fù)符號(hào)可以用于表示PV工作點(diǎn)距離MPP的遠(yuǎn)近。同時(shí)，根據(jù)PV曲線(xiàn)的斜率來(lái)確定步長(zhǎng)Sk。其中Vref為參考電壓、dVref為設(shè)定的最大步長(zhǎng)。具體公式為：

因此有：

1.2 仿真平臺(tái)及算法建模

用于搭建算法的仿真平臺(tái)為RTDS內(nèi)建的PV系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 基于RTDS的光伏系統(tǒng)仿真模型

該系統(tǒng)是一個(gè)典型光伏系統(tǒng)，由13.2 kV三相輸電線(xiàn)路連接的光伏模塊、電網(wǎng)和動(dòng)態(tài)負(fù)載組成[8]，擁有多個(gè)控制端口。在RTDS中構(gòu)建控制算法并設(shè)置采樣頻率為40 Hz，最大步長(zhǎng)為0.04 kV，C曲線(xiàn)中的N為1。

然而，源于C曲線(xiàn)MPPT的缺陷，實(shí)時(shí)運(yùn)行中，PV在MPP附近工作時(shí)有明顯的擾動(dòng)和震蕩。

1.3 基于C曲線(xiàn)MPPT的改進(jìn)分析

當(dāng)MPPT實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，用于計(jì)算和條件檢查的所有參數(shù)都依賴(lài)于直流電壓Vk和光伏電流的采樣，因此實(shí)際的PV曲線(xiàn)斜率和Vre曲線(xiàn)斜率是基于采樣的近似值。為了方便分析，規(guī)定條件語(yǔ)句，如下所示：

其中，ΔVk=Vk-Vk-1,ΔPk=Pk-Pk-1,ΔCk=Ck-Ck-1。

當(dāng)跟蹤MPP時(shí)，很難精確地控制PV工作點(diǎn)使其正好落在MPP。因此，Vk和Vref會(huì)在MPP的左右兩側(cè)往復(fù)震蕩。圖2為PV工作點(diǎn)穿越MPP時(shí)的采樣過(guò)程。

由圖2可知，當(dāng)PV工作點(diǎn)穿過(guò)MPP時(shí)，ΔVk的符號(hào)不變。然而，的符號(hào)無(wú)法確認(rèn)，因?yàn)榇藭r(shí)分別位于MPP的兩側(cè)，無(wú)法被視為斜率近似值，可以大于或小于從而導(dǎo)致步長(zhǎng)的失序。

2 算法改進(jìn)

2.1 MPP交叉檢驗(yàn)

表1為PV工作點(diǎn)穿越MPP時(shí)的采樣過(guò)程。

圖2 PV工作點(diǎn)穿越MPP時(shí)的采樣過(guò)程

表1 PV工作點(diǎn)穿越MPP時(shí)的采樣過(guò)程

由表1可知，當(dāng)PV工作點(diǎn)穿越MPP時(shí)，IF3k和IF4k輸出的1或0的概率約為50%，這導(dǎo)致算法在MPP附近追蹤時(shí)出現(xiàn)了約為50%的最大步長(zhǎng)±m(xù)ax(dVref)，使參考電壓Vref大幅來(lái)回震蕩，進(jìn)而導(dǎo)致光伏輸出功率的大幅波動(dòng)。為了改進(jìn)上述算法，本文引入了MPP交叉檢驗(yàn)（MPPcrosscheck），其定義如下：

在最大步長(zhǎng)算法路徑前引入IF3cc，當(dāng)PV工作點(diǎn)在MPP附近并穿越MPP時(shí)，能使步長(zhǎng)保持在一個(gè)很小的值（Sk），可以避免出現(xiàn)大步長(zhǎng)的失序現(xiàn)象。根據(jù)此原理，改進(jìn)的MPPT算法的邏輯框圖如圖3所示。

圖3 帶有交叉檢查的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量MPPT邏輯框圖

2.2 MPP停止追蹤算法

電導(dǎo)增量MPPT是一種不間斷的追蹤算法，由于控制系統(tǒng)本身的局限性以及光伏系統(tǒng)和外部條件的多重干擾，使得PV系統(tǒng)直流端的電壓難以完全被追蹤和控制。當(dāng)MPPT在MPP附近工作時(shí)，被追蹤和控制的直流回路電壓會(huì)在MPP周?chē)鶑?fù)交叉移動(dòng)。因此，加入MPP停止追蹤算法（MPPstop）。綜合MPPcrosscheck與MPPstop的MPPT算法的邏輯框圖如圖4所示。

3 仿真結(jié)果及分析

圖5、圖6與圖7、圖8分別展示了恒定光照強(qiáng)度（1 000 W/m2）下與光照強(qiáng)度階躍變化（400～1 000 W/m2）時(shí)幾種MPPT算法的仿真結(jié)果，其中橫軸為時(shí)間t/s，縱軸包括PV直流輸出電壓VDCA8、PV直流參考電壓VMMPA和PV直流輸出功率Pin。

3.1 恒定光照強(qiáng)度（1 000 W/m2）

圖5顯示了固定步長(zhǎng)MPPT的問(wèn)題，其中在MPP附近往復(fù)追蹤導(dǎo)致了電壓和功率的震蕩。如圖6采用改進(jìn)的帶交叉檢驗(yàn)的變步長(zhǎng)MPPT算法，明顯使震蕩減小，顯著提高了PV系統(tǒng)直流回路功率（Pin）的追蹤精度和追蹤效率。此外，圖6比圖5具有更高的平均輸出電壓及功率，同時(shí)消減了往復(fù)追蹤帶來(lái)的震蕩。

圖4 MPPcrosscheck和MPPstop的全局結(jié)構(gòu)邏輯框圖

圖5 基于固定步長(zhǎng)MPPT的仿真結(jié)果（光強(qiáng)恒定）

圖6 帶有MPPTstop和MPP交叉檢驗(yàn)的MPPT仿真結(jié)果（光強(qiáng)恒定）

圖7 基于固定步長(zhǎng)MPPT的仿真結(jié)果（光強(qiáng)變化）

圖8 帶有MPPTstop和MPP交叉檢驗(yàn)的MPPT仿真結(jié)果（光強(qiáng)變化）

3.2 光照強(qiáng)度階躍變化（400～1 000 W/m2）

光強(qiáng)階躍變化中，改進(jìn)的MPPT算法相較于典型的固定步長(zhǎng)MPPT算法，其PV直流回路電壓能夠更快接近光強(qiáng)變動(dòng)后的MPP，同時(shí)電壓的震蕩幅度也相對(duì)較小，提高了PV系統(tǒng)追蹤日照變化的效率。

4 結(jié) 論

通過(guò)基于RTDS的光伏系統(tǒng)的MPPT算法建模和實(shí)時(shí)仿真，引入了MPP交叉校驗(yàn)并改進(jìn)了基于C曲線(xiàn)的MPPT算法，使系統(tǒng)在追蹤電壓并穿越MPP時(shí)保持微小的步長(zhǎng)，同時(shí)MPP停止算法可以消除連續(xù)往復(fù)追蹤MPP而引起的電壓及功率的震蕩。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的MPPT使PV系統(tǒng)直流端的輸出性能有所提高，使其相較于經(jīng)典的固定步長(zhǎng)MPPT算法具有更小幅的功率震蕩和更高的追蹤效率。