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      一種變步長電導增量法在光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤中的應(yīng)用研究

      2022-02-13 09:31:32趙曉亮
      中國設(shè)備工程 2022年3期
      關(guān)鍵詞:電導輸出功率增量

      趙曉亮

      (河南科技大學電氣工程學院,河南 洛陽 471023)

      光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池作為能量供給單元,其功率輸出隨著溫度和光照強度的變化而變化,在某一工作環(huán)境下,其功率輸出有唯一的最大值。為充分利用光伏電池的能效,需要對光伏電池的最大功率輸出點進行實時調(diào)控,使其盡可能穩(wěn)定工作在最大功率點附近,這就是光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)(maximum power point tracking,MPPT)。

      目前常用的MPPT方法有恒定電壓法,擾動觀測法和電導增量法。恒定電壓法具有控制簡單,追蹤速度快,但不適于溫度突變的情況;擾動觀測法具有結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)使用較少,但存在追蹤速度和精度的自有矛盾,并且在光照強度發(fā)生突變時,系統(tǒng)會產(chǎn)生誤判和擾動;電導增量法則可以迅速響應(yīng)光照強度的變化,并且具有較高的控制精度,但存在追蹤步長選擇無法兼顧追蹤速度和穩(wěn)定精度的問題。本文提出了一種變步長電導增量法,用來緩和最大功率點追蹤的速度和穩(wěn)定精度的矛盾。通過MATLAB/Simulink仿真,結(jié)果表明,提出的變步長電導增量法在外界條件發(fā)生突變時,可以快速準確地追蹤到最大功率點,并保證追蹤速度和穩(wěn)定精度。

      1 光伏系統(tǒng)的MPPT原理

      在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏電池的輸出功率和光照強度、環(huán)境溫度存在非線性關(guān)系,光伏電池的輸出特性是指在溫度恒定的前提下,對應(yīng)于某一光照強度,隨著輸出電壓的增加,光伏電池的輸出功率也隨之增大,當電壓增大到某一數(shù)值時,輸出功率達到最大值,此處為最大功率點處,之后輸出功率隨著電壓增大開始減小。在光照恒定的前提下,對應(yīng)于某一溫度,電流開始基本保持不變,當電壓增大到某一數(shù)值時,電流會出現(xiàn)急劇下降。

      光伏MPPT系統(tǒng)主要有光伏陣列、DC/DC變換電路、MPPT控制器組成。基于Boost電路的光伏MPPT系統(tǒng)如圖1所示。當系統(tǒng)的負載與電源內(nèi)阻相等時,負載得到最大功率。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,在光伏組件和負載之間串聯(lián)一個DC/DC變換電路,等效為一個外部負載。MPPT控制器根據(jù)采集到的輸出電壓和電流通過MPPT控制算法來調(diào)整開關(guān)管占空比,將信號送至PWM發(fā)生器,輸出相應(yīng)的脈沖信號來控制開關(guān)管的通斷,實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制。

      1.1 傳統(tǒng)的電導增量法

      電導增量法是通過改變電池陣列輸出電流和電壓的變化率來實現(xiàn)輸出功率的最大化。設(shè)電池陣列的輸出功率P=UI,其中U、I分別為輸出電壓和輸出電流,此時等式兩邊對電壓U求導,可得

      此時可分為三種情況:當dP/dU大于0時,光伏組件工作點在最大功率點左側(cè),需要增加擾動,增大輸出電壓;當dP/dU等于0時,光伏組件輸出功率最大,工作于最大功率點處,應(yīng)停止擾動,當dP/dU小于0時,此時光伏組件工作點在最大功率點右側(cè),應(yīng)減小擾動,輸出控制信號。

      傳統(tǒng)的電導增量法采用的是固定步長擾動,若步長選取過小,雖然追蹤精度會提升,同時追蹤速度較慢;若步長選擇過大,雖然追蹤速度加快,但是不能保證追蹤的精度,會加大最大功率追蹤過程中的波動,造成能量損失。

      1.2 基于變步長和MPC相結(jié)合的電導增量法

      為解決傳統(tǒng)的電導增量法在追蹤速度和穩(wěn)定精度之間的矛盾,本文研究了一種變步長與模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)相結(jié)合的的電導增量法,其實現(xiàn)步驟分為。

      首先,設(shè)置變步長:由光伏電池功率-電壓曲線可知,曲線上的點在向最大功率點靠近的過程中斜率逐漸變小,當曲線斜率為0時的工作點為最大功率點,因此本文將擾動變步長設(shè)為P-U曲線上點的斜率,在擾動過程中,將dP/dU作為實時步長進行擾動,由于擾動過程中越接近最大功率點dP/dU越來越小,等于是一個由大到小不斷變化的變步長,符合在追蹤過程中先用大步長加快追蹤速度,再用小步長穩(wěn)定精度的變步長MPPT設(shè)計思想。

      其次,應(yīng)用模型預(yù)測控制方法進行優(yōu)化:模型預(yù)測控制是目前廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的一種基于模型閉環(huán)優(yōu)化的控制辦法,其基本原理是在每個采樣時刻,系統(tǒng)計算出最優(yōu)輸入序列和與其相對應(yīng)的預(yù)測輸出序列,將所得到的最優(yōu)輸入解的第一個分量作用于對象并進行反復(fù)優(yōu)化;模型預(yù)測控制方法具有模型精度要求低、控制效果顯著且魯棒性強的優(yōu)點。

      應(yīng)用模型預(yù)測控制方法進行對變步長電導增量法MPPT進行優(yōu)化的過程為:將經(jīng)過變步長電導增量法處理后的電壓及電流值作為參考量輸入模型預(yù)測控制模塊,采用兩步長法對模型預(yù)測控制模塊中將來時刻的參考的電壓及電流值進行對比,得出最優(yōu)解,從而準確迅速的追蹤到最大功率點。

      MPC控制模塊是通過控制光伏電池MPPT系統(tǒng)中的Boost電路開關(guān)管的通斷來對電路中的信號實施控制的一種辦法,用f=0或者1來表示開關(guān)管的閉合和斷開,其中Boost電路的工作狀態(tài)分別如圖2、3所示。

      圖2 開關(guān)管斷開的工作狀態(tài)

      圖3 開關(guān)管閉合的工作狀態(tài)

      當f=1時

      整理得

      當f=0時:

      整理得:

      將帶有開關(guān)狀態(tài)的f代入公式中,可得:

      離散化得:

      在N步的模型中從k時刻工作到(k+n)時刻的系統(tǒng)狀態(tài)為:

      由上述可知,可以對光伏陣列的電壓和電流即IPV和UPV進行預(yù)測,通過對之前經(jīng)過基于變步長的電導增量法輸出的IPV和UPV作為參考電流和參考電壓實施采樣處理,將結(jié)果作為當前時刻與將來時刻預(yù)測值的參考。

      將得到的參考電壓和電流輸入MPC控制模塊,計算IPV(k+n+1)和UC(k+n+1),將結(jié)果作為預(yù)測后輸出對每個開關(guān)狀態(tài)的所選定的性能指標進行測算,設(shè)計兩步的預(yù)測控制的目標評價函數(shù),MPC控制模塊通過比較每一時刻評價函數(shù)的值得到最優(yōu)解來決定下一時刻f的值來決定擾動方向。該改進算法的控制原理圖如圖4所示。

      圖4 改進算法的控制原理圖

      在該改進的電導增量法MPPT系統(tǒng)中,通過變步長電導增量法MPPT模塊對輸出的電壓和電流實施調(diào)節(jié),對輸出的結(jié)果實施預(yù)測控制,再對將來時刻的工作狀態(tài)進行分析,根據(jù)分析結(jié)果對擾動方向進行判斷,并對電壓和電流實施控制來實施預(yù)測計算,系統(tǒng)中MPC控制模塊通過J函數(shù)來對Boost電路中的開關(guān)管的狀態(tài)來實施精確預(yù)測,J函數(shù)為:

      其中,C1和C2為常數(shù),iref和uref為期望值。

      1.3 仿真分析

      在MATLAB/SIMULINK平臺上搭建兩種算法的光伏發(fā)電MPPT仿真模型,仿真初始狀態(tài)在光照強度1000W/m2,溫度為25℃條件下,在0.45s時光照條件從1000W/m2突然降至800W/m2。傳統(tǒng)的電導增量法的仿真結(jié)果如圖5所示,由結(jié)果可知,采用傳統(tǒng)的電導增量法在0.27s左右光伏系統(tǒng)追蹤到最大功率點時,系統(tǒng)進入了穩(wěn)定狀態(tài),此時穩(wěn)態(tài)最大功率為3033.2W,穩(wěn)態(tài)最小功率為2961.6W,穩(wěn)態(tài)波動差值為68.3W,穩(wěn)態(tài)震蕩率為2.2%,在0.45s時光照強度產(chǎn)生變化,此時光伏系統(tǒng)的輸出功率也隨之產(chǎn)生變化,在0.47s左右系統(tǒng)進入了穩(wěn)定狀態(tài),此時穩(wěn)態(tài)最大功率為2333.2W,穩(wěn)態(tài)最小功率為2273.5W,穩(wěn)態(tài)波動差值為59.7W,穩(wěn)態(tài)震蕩率為2.6%,可知光伏系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電導增量法實施MPPT時輸出功率有較大的波動。

      圖5 傳統(tǒng)電導增量法MPPT仿真結(jié)果

      在相同條件下,對改進的變步長電導增量法仿真模型進行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示,由結(jié)果可知,由仿真結(jié)果可知,改進的電導增量法在0.19s左右系統(tǒng)追蹤到最大功率點,系統(tǒng)進入了穩(wěn)定狀態(tài),此時穩(wěn)態(tài)最大功率為3030.1W,穩(wěn)態(tài)最小功率為2982.6W,穩(wěn)態(tài)波動差值為50.5W,穩(wěn)態(tài)震蕩率為1.6%,在0.45s時光照強度發(fā)生了突變,在0.46s左右系統(tǒng)進入了穩(wěn)定狀態(tài)時,穩(wěn)態(tài)最大功率為2333.3W,穩(wěn)態(tài)最小功率為2324.9W,穩(wěn)態(tài)波動差值為8.4W,穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.36%;

      圖6 改進的電導增量法MPPT仿真結(jié)果

      2 結(jié)語

      本文在傳統(tǒng)電導增量法的基礎(chǔ)上提出了一種基于變步長和MPC相結(jié)合的電導增量法,通過仿真結(jié)果對比,表明了改進的算法在進行光伏陣列最大功率點追蹤時,不僅可以保證追蹤速度,還能降低在追蹤過程中光伏陣列的輸出功率波動,有效地改善了傳統(tǒng)電導增量法在追蹤速度和穩(wěn)定精度之間的矛盾。

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