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基于优化型变步长扰动观察法的光伏MPPT仿真研究.pdf
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1、科技与创新Science and Technology&Innovation802023 年 第 20 期文章编号:2095-6835(2023)20-0080-03基于优化型变步长扰动观察法的光伏 MPPT 仿真研究胡昊明,雷初聪,易荣卫(赣南科技学院,江西 赣州 341000)摘要:光伏电池最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技术的核心任务是寻找到最大功率点的位置,以提高算法的利用效率。目前常见的 MPPT 算法,例如扰动观察法、恒定电压法等存在着跟踪精度低、响应速度慢等问题。选择在常用的扰动观察法上进行优化,利用输出功率与工作功率的绝对值作
2、为扰动条件,得到改进后的变步长扰动观察法,用于保证系统尽可能处于最大功率点。通过 Matlab/Simulink 仿真验证发现这种方法能够同时兼顾 MPPT 步长的速度和精度。关键词:最大功率点跟踪;扰动观察法;Matlab/Simulink;步长中图分类号:TM615文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.20.023相比于化石、煤油、天然气等不可再生能源,太阳能、风能等可再生能源在发电领域具有更加广阔的应用前景1-2。由于光伏发电具有能量密度大、发电便捷、发电灵活、便于利用等优点,相比于其他可再生能源,其在发电领域中得到了更为广泛的应用3。然而,光伏发电也存在诸
3、多不足之处,例如发电效率低、受自然环境因素影响较大、对电力系统正常的频率调整会对其有较大干扰等缺点,其中最为核心的问题是光伏发电效率低4。为提高光伏发电的效率,常采用 MPPT 控制算法。MPPT 算法从自然影响因素入手,尽量去减少自然因素对系统的影响,想办法提升系统的适应能力,使光伏系统工作点尽量保持在最大功率点,提高系统的有效转换率5。利用 MTTP 算法可以让光伏电池得到最大程度的利用,使光伏系统高效平稳地运行6。目前常见的 MPPT 算法有扰动观察法、恒定电压法、电导增量法等,这些方法存在着跟踪精度低、响应速度慢、环境自适应能力差等缺点7-9。对此,本文首先提出光伏电池工程数学模型并进
4、行仿真,为最大功率点追踪的研究建立基础。而后在光伏电池模型的基础上对最大功率点追踪进行介绍分析,选择了在定步长扰动观察法的基础上对其进行优化,通过改变趋近最大功率点时占空比的大小提升对最大功率点的追踪速度和准度,提出了优化后的变步长扰动观察法。最后通过仿真对比,验证了该方法的可行性。1光伏电池的物理模型及仿真1.1光伏电池的物理模型光伏电池可以被看作是一个非线性的直流电流源,可以把光伏电池电路进行简化,得到的等效电路如图 1 所示10。等效电路图中包含电流源 Iph、二极管VD、并联电阻 Rsh和串联电阻 Rs等元件。图 1光伏电池等效电路图当在理想条件下(把并联电阻 Rsh当作无穷大),可求
5、得电池的输出电流表达式,如下式所示9-10。1exps0phAkTIRUqIII)(式中:I0为反向饱和电流的数值,单位 A;q 为电子电荷,取值 1.610-19C;U 为电池输出电压的数值,单位V;A 为二极管因子;k 为玻尔兹曼常数,取值1.3810-23J/K;T 为绝对温度的数值,单位 K。由于 Iph、I0、Rs、A 的数据极难测量,为了在一定的精度上模拟太阳能电池的特性,可以根据电池厂家提供的一些技术参数建立工程模型,如下式所示10。1-scmocm2oc2mscm1oc21sc1ln1-exp11exp1IIVVCVCVIICVCVCIIIsRsRshIshIVDIphVSci
6、ence and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期81式中:Isc为固定日照强度和温度下输出的最大电流的数值,单位 A;Voc为固定日照强度和温度下输出的最大电压的数值,单位 V;Im为固定日照强度和温度下最大功率点电流的数值,单位 A;Vm为最大功率点电压的数值,单位 V;C1和 C2分别为等效电容,单位 F。Isc、Voc、Im、Vm这 4 个参数会随着环境的改变而发生变化,需要采用相应的补偿系数去推算出任意电池温度和某光照强度下的这 4 个参数,如下式所示10。)()()()(TcSbVVTaSSIITcSbVVTaSSII1eln11eln
7、1mrefmrefmrefmocrefocrefscrefsc式中:Sr e f为参考太阳辐射强度的数值,取值1 000 W/m2;T 为实际电池温度与参考电池温度的差值;e 为自然对数的底数,其值约为 2.718 28;S 为实际光强与参考光强差值,S=SSref;a、b、c 为补偿系数,推荐 a=0.002 5、b=0.000 5 W/m2、c=0.002 88。当电池温度和太阳光照改变,通过上式可以得出4 个技术参数的近似值,再计算出任意温度 T 和某光照强度 S 下太阳能电池的输出特性。1.2光伏电池的仿真根据光伏电池的物理模型,使用 Matlab/Simulink软件对太阳能电池进行
8、建模,模型如图 2 所示。图 2光伏电池的仿真模型2优化后的变步长扰动观察法2.1优化原理传统的定步长扰动观察法在扰动量的设置上存在着局限性,步长较大时虽能保证系统响应快,但会在最大功率点附近形成震荡,造成部分功率损失;步长较小时能够有效减小震荡幅度,却会增加系统响应时间8-10。因此本文在一般扰动观察法基础上,提出了一种比较容易实现的变步长扰动观察法。光伏电池的电压-功率特性图如图 3 所示,当工作点在最大功率点附近,电压的变化量U 不大,对输出功率影响小;但在远离最大功率点位置工作时,U 对光伏系统的输出功率影响较大。各个点斜率对应着不同功率点的位置,最大功率点处斜率为 0。图 3电压-功
9、率特性图由图 3 可以清晰看到 4 个点的斜率大小的比较式,如下式所示,可以发现最大功率点为 k2。这样,可以此为基础条件,利用输出功率与电压图上点的斜率的绝对值作为扰动条件,以此确定扰动步长,提高算法的精确度和速度。0dddddddddddddd22441122331122kkkkkkkkkkkkkkU/PU/PU/PU/PU/PU/PU/P对输出的采集范围小时,输出电压的变量也小,这时光伏电池电压-功率特性图上每个点斜率的绝对值与光伏电池每个点的输出功率变化量比上输出电压变化量的值相等,即 dP/dU=P/U。只要求得P/U就能确定当前时刻最大功率点追踪的扰动步长,即在时刻 k 的扰动步长
10、D(k)的求法为:DkUkPkDkUkUkUkPkPkP)()()()()()()()()(/11式中:P(k)为 k1 时刻到 k 时刻占空比变化引起的输出功率变化量的数值;U(k)为 k1 时刻到 k时刻占空比变化引起的输出电压变化量的数值;D(k)为 k 时刻占空比变化步长的数值;D 为占空比固定变化量的数值,是定值。优化后变步长扰动观察法流程图如图 4 所示。2.2仿真结果采用 Matlab/Sinulink 构建优化后的变步长扰动观察法的仿真模型,仿真系统结构图如图 5 所示。电压 U/Vk2k4k1k3科技与创新Science and Technology&Innovation82
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