光伏系统变步长扰动观测法MPPT算法研究.pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 光伏系统变步长扰动观测法 MPPT 算法研究王小昆，胡贤新* （中国矿业大学信电学院，江苏徐州 221116）摘要：光伏电池阵列输出功率受光照强度和温度变化的影响，因此最大功率点跟踪（MPPT）技术广泛应用于光伏系统中。在所有最大功率点(MPP)控制策略中，扰动观察（P&O）MPPT 算法因易实现被广泛应用，然而它的缺点是在稳定工作状态下工作点通过 MPP 时会导致能量振荡损耗，并且在光照强度或温度发生突变时表现较差的动态响应。在本文中，提出一种改进型变步长扰动观察 MPPT 算法，此方法依据工作点动态调整步长变化，与传统固定步长方法比较，本文提出的方法能有效地提高 MPPT 速度和转换效率，通过仿真和实验结果分析，验证了此改进算法的可行性。关键词：最大功率点跟踪；扰动观察法；变步长中图分类号：TM615 Research on Variable Step Size P&O MPPT Algorithm for PV Systems WANG Xiaokun, HU Xianxin Xuzhou Jiangsu 221116, China) (School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology, Abstract: Maximum power point tracking (MPPT) techniques are employed in photovoltaic (PV) systems to maximum the PV array output power which depends on solar irradiance and temperature. Among all the MPPT strategies,The P&O Maximum Power Point Tracking algorithm is mostly used, due to its ease of implementation. However, its main drawbacks are the waste of energy in steady conditions, when the working point moves across the MPP and the poor dynamic performances exhibited when a step change in solar irradiance or in temperature occurs. In this paper, a modified variable step size P&O MPPT algorithm is proposed, the step size is automatically tuned according to the operating point. Compared with the conventional fixed step size method, the proposed approach can effectively improve the MPPT speed and efficiency simultaneously. A theoretical analysis and the design principle of the proposed algorithm are provided and its feasibility is also verified by simulation and experimental results. Key words: Maximum power point tracking (MPPT); the Perturb and Observe (P&O); Variable Step Size 0 引言随着世界能源消耗的不断增加，石油、煤炭等不可再生能源不断枯竭，可再生能源在能源消费中的地位越来越突出，其取之不尽和对自然环境影响较小的特点，得到了广泛的应用 [1]-[2]，其中太阳能是主要清洁能源之一，主要是光伏发电系统投资成本越来越低，并且技术不断进步、系统运行稳定、维护简单、对环境无污染。光伏发电系统现在主要应用于蓄电池充电、扬水系统、居民生活供电、卫星系统供电等场所[3]-[4]。光伏系统存在两个重要不足，其一电池板发电效率非常低，在低光照强度下表现尤为突出，其二电能的产生随着天气状况变化而产生明显的变化，比如光照强度和温度变化等。最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，简称 MPPT）变成了光伏发电系统中的重要组成部分，它能将电池板阵列产生的最大功率传输到逆变系统中，实现效率的最优化。作者简介：王小昆（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向光伏并网系统及电力电子技术. E-mail: wangxiaokun83@126.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于控制器复杂程度，所用传感器数量，制造成本和性能有多种不同的 MPPT 控制方法被相继提出。MPPT 算法实现目标是跟踪的快速性和准确性，即在光照强度和温度发生突变时快速响应以及稳定工作时较小振荡。目前常用的方法有恒压法（CVT）、扰动观察法（Perturb and Observe，简称 P&O）或称爬山法、电导增量法以及几种改进的 MPPT 控制方法[5]-[8]。当然在实际工程中最为常用 MPPT 控制算法是比较电池阵列输出电压（电流）与给定的电压（电流），给定的电压（电流）为电池板理想最大功率点（Maximum power point ，简称 MPP）电压（电流），其原理是将产生的误差信号通过 PI 调节器控制功率变换器输出，从而近似控制电池阵列的 MPP 输出，其特点是控制方法简单、电路结构简洁、成本低、无振荡损耗，但不能随环境变化有效地实现 MPPT。另外一种控制算法是传统 P&O，其原理为比较前后两次功率差值，若差值为正，保持占空比扰动方向，若为负值，则占空比向相反的方向扰动，其特点跟踪效率较高、跟踪速度快、受环境干扰较小，但缺点是在 MPP 处有明显的振荡，损耗一部分能量[9]。为了克服传统 P&O 存在的缺点本文提出一种改进型的 MPPT 控制算法，此方法能有效减小在 MPP 处引起的振荡损耗和提高跟踪速度，提高系统转换效率。在光照或温度等条件发生变化时，控制器能自动调节占空比扰动大小达到 MPP，如果工作点远离 MPP 时，步长会增加以达到快速跟踪效果。 1 扰动观察法(P&O)对比分析扰动观察法（P&O）不直接检测外界环境因素的变化，而是根据直接测量到的光伏阵列的电压和电流等信息实现 MPPT 控制。 1.1 传统扰动观察法传统 P&O 主要是基于传感器采集电池板电压电流计算对应功率，控制器周期性比较前后两次功率之差来确定占空比扰动方向，如果电池板输出功率变大，此时保持占空比扰动方向，否则改变占空比扰动方向，传统 P&O 控制流程如图 1 所示。然而其缺点也非常明显，在 MPP 附近振荡损耗，步长太小会导致跟踪速度变慢，步长太大跟踪速度变快但在 MPP 处振荡更加明显，当外部环境变化较快时，不仅振荡损耗会增加，甚至系统可能会发生误判现象。当工作在 MPP 时，系统将在 MPP 附近产生振荡。为了减小振荡幅度，扰动步长应该减小，但是较小的扰动步长会减缓 MPPT 跟踪速度。 45 50 55 60 65 70 图1 传统的P&O控制流程图 Fig.1 Traditional P&O control flowchart 1.2 改进的扰动观察法 75 为了克服传统 P&O 的缺点，本文提出一种变步长 P&O，此方法在 MPP 附近有微小振 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 荡，当运行点远离 MPP 时会自动增加扰动步长达到快速响应的效果。该方法致力于简单、有效地提高跟踪准确性和快速性来克服传统控制算法存在的不足，此算法是变步长 P&O。改进的变步长 P&O 的控制流程如图 2 所示，其步长是随着电池板阵列工作点变化而自动调节占空比的增量。当光照强度发生变化时，能够准确的实现 MPPT，如果工作点远离 MPP 时，会自动增大占空比能满足快速跟踪效果。 80 图2 改进的P&O控制流程图 Fig.2 Improved P&O control flowchart 85 在大多数实际应用中，MPPT 是通过功率变换器（DC/DC 或 DC/AC）连接光伏电池板和负载来实现的，为了简化控制系统直接控制变换器的占空比，本系统采用的变步长控制算法如式（1）： ∗ D k ( ) = D k ( ) + N P Δ I Δ （1）此表达式中 N 是比例系数，决定 MPPT 系统执行情况， ( )D k∗ 为调节后的占空比， ( )D k 90 为当前占空比， P Δ I Δ 为功率 P 相对电流 I 的变化率。电池板工作在 MPP 左侧电池板工作在 MPP 处此控制算法内在原理特性如下所示： 0P Δ > I Δ 0P Δ = I Δ 0P Δ < I Δ 电池板工作在 MPP 右侧 95 当工作点在 0P Δ > I Δ 时，保持扰动方向并且扰动步长较大，在高频功率变换器的情况下能够快速跟踪 MPP，如果时，扰动占空比将向相反的扰动，直到工作在 MPP 为止，如果系统已经工作在 MPP 处，此时将保持现有占空比不变，其 P Δ I Δ 在 P-I 曲线内的 0P Δ < I Δ 0P Δ = I Δ 显示如图 3 所示。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图3 P Δ I Δ Fig.3 Show 在P-I曲线内的显示 P Δ I Δ in the curve of P-I 2 仿真结果分析为了验证改进的变步长扰动 MPPT 算法，在 MATLAB/SIMULINK 下搭建仿真模型，此系统功率变换器选择的基本拓扑是 BOOST 斩波电路。系统光伏电池板在光照强度和温度分 /W m 和 25oC 时基本参数为：开路电压为 51.5V，短路电流为 4.56A，MPP 电压 1000 2 别为为 43.2V，MPP 电流为 4.16A。比较变步长和固定步长 P&O，需要在相同条件下比较它们的运行结果，所以在 MPPT 控制算法中，选择相同的采样周期为 0.05ms，占空比要求在 0.05ms 改变一次。固定步长为 0.01 时在光照强度发生突变时，电池板电压、电流和功率输出如图 5 所示，变步长 N /W m 跳变到时电压、电流和功率如图 6 所示，光照强度突变都在 0.33s 处从 /W m 的整个动态运行过程。 2 1.1 10 × /W m 然后在 0.66ms 再恢复到 800 1000 1000 = − 2 2 4 图4 固定步长0.01仿真电压、电流、功率 Fig. 4 Simulation results of fixed size(0.01) voltage、current、power 通过比较固定步长 P&O 取 0.01 和变步长 N 取 1.1 10−× 4 时光伏电池板电压、电流和功率输出曲线可以看到无论是在 MPP 处的跟踪速度还是在稳定工作时功率振荡幅度，变步长 1.1 10 Fig. 5 Simulation results of variable size( 图5 N = × − 4 仿真电压、电流、功率 N 1.1 10 = × − 4 ) voltage、current、power - 4 - 100 105 110 115 120

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn P&O 都明显优于固定步长控制算法，当然改变固定步长大小能在一定程度上提高跟踪速度或减小振荡幅度，但不能同时实现，然而变步长控制算法就可以很好的解决这样的难题。 3 实验结果分析 125 为了验证改进 P&O 在实际应用中是否能达到理论分析的优越性，本系统设计了硬件工作电路，使用高性能数字信号处理器 TMS320F2812 编写算法程序，使其开关频率和采样频率为 20KHZ，实现占空比调节周期同步。在此条件下分别对两种 MPPT 控制算法进行对比实验，其实验结果电压、电流和功率输出曲线分别如图 6 和图 7 所示。此系统工作条件是光照强度是 731 /W m ，跳变光照强度为 2 643 /W m ，环境温度为14oC ，时间 PM2:00。 2 130 135 140 145 图6 固定步长0.01实验电压、电流、功率 Fig. 6 Experimental results of fixed size(0.01) voltage、current、power Fig. 7 Experimental results of variable size( − 4 ) voltage、current、power 图7 N = 1.1 10 × − 4 实验电压、电流、功率 N 1.1 10 = × 通过实验输出曲线比较分析变步长扰 P&O 比固定步长有明显改善，特别 MPPT 稳定运行时，变步长控制算法振荡相对固定步长要小的多，这样减小部分能量的损耗，提高系统的转换效率，同样在 MPP 处的跟踪速度也明显提升，在光照发生突变时能够很快实现 MPPT，能很好满足实际工程需要。 4 结论本文提出了改进变步长扰动观察法 MPPT 控制算法，此控制策略能够有效提高光伏系统的动态和稳态工作性能，可以克服传统控制算法中存在的缺点。通过在 MATLAB/SIMULINK 中搭建的 MPPT 系统控制模型，分别对固定步长和变步长控制算法进行了对比分析，说明了变步长 P&O 的控制效果更佳。实验结果证明变步长 P&O 在实际应用中优势明显，具有良好的实际应用价值。 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 150 155 160 165 [参考文献] (References) [1] Chen Hao, Gu J J. Implementation of Three-Phase Switched Reluctance Machine System for Motors and Generator. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, 2010, 15(3):421-432. [2] Chen Hao. The Novel Wind Power-Solar Energy Photovoltaic Complementary Power Plant System. Dynamics of Continuous, Discrete and Impulsive Systems, Series B. 2006:1108-1112. [3] 赵争鸣,刘建政,孙晓英等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005,1-18. [4] 吕贝,邱海梅,张宇.太阳能光伏发电产业及现状[J].华电技术,2010,32(1):73-76. [5] 余世杰,何慧若,曹仁贤等.光伏水泵系统中 CVT 及 MPPT 的控制比较[J].太阳能学报,1998,19(4):394-398. [6] 周林,武剑,栗秋华等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高压电技术,2008,22(6):1145-1154. [7] Chee Wei Tan,Green T C,Hernandez-Aramburo C A.An improved maximum power point tracking algorithm with current mode control for applications[C].International Conference on Power Electronics and Drives Systems.Kuala Lumpur,Malaysia,2005:489-494. [8] Fangrui Liu,Shanxu Duan,Fei Liu,et al.A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems[J].IEEE Transactions Industrial Electronics,2008,55(7):2622-2628. [9] Feina N,Petrone G,Spagnuolo G,et al.Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(4):963-973. - 6 -

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