无电压传感器的光伏MPPT研究

无电压传感器的光伏MPPT研究 摘要：最大功率点跟踪在光伏阵列工作时发挥着重要作用，针对目前采用的最大功率点跟踪算法均需要计算功率，提出了一种无电压传感器的改进型控制策略。该方法基于DC?DC变换器输入电流的控制，通过变步长调节实现占空比自寻优，使光伏阵列输出最大功率，算法实现过程不需要功率计算。最后通过仿真对该方法进行验证和测试，结果说明，该方法能准确实?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202118?0135?04StudyonphotovoltaicMPPTwithoutvoltagesensorWANGChangyun，LIChunlan，CAOChengshuai，WANGZeCollegeofMechanicalEngineeringandTraffic，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052，ChinaAbstract：MaximumpowerpointtrackingMPPTplaysanimportantroleinPVarrayworking.ThepowerneedbecalculatedinavailableMPPTalgorithms，thereforeanimprovedcontrolstrategywithoutanyvoltagesensorispresented.Themethod，onthebasisofthecontrolofinputcurrentofDC?DCconverter，realizestheself?optimizationofdutycyclebymeansofstepsizevarying，andmakesthePVarrayoutputmaximumpower，bywhichthepowerneedntbecalculatedinalgorithmrealizationprocess.Themethodwastestedandverifiedwithsimulation.Thesimulationresultsshowthatthemethodcanrealizethemaximumpowertrackingaccurately，andhasperfectdynamicresponsecharacteristicandstability.Keywords：PVarray；MPPT；controlstrategy；self?optimization0引言随着分布式电源发电技术的开展，光伏发电得到大规模的应用。相应的，光伏阵列控制技术成为了研究热点，而最大功率点跟踪MPPT技术因其可以提高光伏阵列的工作效率，得到了广泛关注。目前常用的MPPT技术主要有恒定电压法【1】、扰动观察法【2】和电导增量法【3】。恒定电压法控制策略简单易于实现，但其在外界条件变化后功率曲线会发生偏移，而无法工作在最大功率点MPP。扰动观察法概念清晰，简单可靠，但控制精度与响应速度存在矛盾。电导增量法需要高速的A/D采样，对硬件要求较高，实现较为困难，外界条件突变时，还可能误判。为此有研究提出包括模糊控制4?5、自寻优控制【6】等的改进方法。采用模糊控制对上述方法改进可以一定程度上优化策略，但跟踪效果与模糊表的选择有关，模糊表制定的优劣很大程度上取决于设计者的经验。以上MPPT技术虽各有优点，但大都需要采样光伏阵列的输出电压、电流并计算功率。为了简化电路结构，优化控制策略，本文提出一种不需要功率计算的无电压检测自寻优MPPT策略，并通过Matlab仿真验证其有效性。2无电压检测的MPPT策略实现当光伏电池工作条件确定后，式6中1Ro随之确定并可视为常数，因此2IL1-2+2IL21-?IL的正负决定了?Pi?IL的正负。当其结果为正时，当前电感电流小于最大功率电流，系统工作在最大功率点左侧，需要减小变换器占空比至式7成立；反之那么需要增大变换器占空比。但是，这种方法的固有缺点也使得其应用受到一定的限制：扰动步长?的选择使得跟踪速度与精度间存在矛盾，?较小可以提高MPPT精度，但跟踪时间会延长。对于光伏电池这类很依赖于外界环境的发电設备，时间越久，未知性越大；相反的?较大可提高速度，却相对的牺牲了精度，使得跟踪的波动性变大。根据变步长的思想8?9，结合第1节的原理，提出适用于无电压检测的变步长MPPT控制策略。当2IL1-2+2IL21-?IL值较大时说明距离最大功率点较远，可以采用较大步长缩短寻优时间，随着工作状态的调整，2IL1-2+2IL21-?IL不断降低，至一定区间后，可以改为小步长，改善寻优精度。传统变步长将第二段扰动设为定值，使得步长选择对控制效果影响显著，这无疑降低了控制策略的通用性。为了弥补这一缺点，本文将第二段步长改为变量，随着系统工作点逐渐接近MPP，每次的扰动步长取上一时刻扰动步长的12。这样不仅降低了对扰动步长选择的要求，提高了策略通用性，还实现了光伏阵列工作点越远离MPP，追踪速度越大，越接近MPP，系统振荡越小的目的。随着扰动步长的每次减半，假设不加以限制可能出现控制策略实现时实际扰动输出值k接近于零，此时扰动近乎于无，系统无法到达最大功率输出。因此需要设置极小值防止这一情况。本文取=510-4。变步长判断条件的设置将会影响控制效果。如果取值过小，系统极易进入最大功率点右侧，此时最大功率判断条件为负，功率变化对扰动更加敏感，为控制带来不利；如果取值过大，那么较早进入短步长扰动，追踪时间加长，无法发挥变步长的优越性。由图2可知，无论当前的功率点位于最大功率点左侧还是右侧，随着输出功率越来越接近最大功率点，PI曲线的斜率绝对值?Pi?IL呈逐渐减小趋势。因此，可在根本扰动观测法的根底上，添加对爬坡斜率的再判断，作为变步长交界点的判断依据。经过验证，本文变步长的判断条件设置为?Pi?ILtan15，系统采用第一级扰动步长k=Spl；2假设?Pi?ILtan15，那么使每次扰动步长为上次扰动值的12，即k+1=12k；3判斷k，假设成立那么输出扰动值为k，否那么输出扰动值为。4计算2IL1-2?IL+2IL21-?，假设结果为正，那么扰动方向不变，假设结果为负，那么将扰动反向。5检测系统是否工作在MPP，是，那么结束扰动，否，那么重复上述步骤。无电压检测的改进型MPPT控制流程如图3所示。3仿真及分析在Matlab/Simulink仿真环境下建立图4所示的结构光伏系统仿真模型。相关仿真参数设定：直流侧电容均为500F，电感为5mH，DC?DC电路为Boost型；光伏阵列短路为电流9.21A，开路电压为21V，最大功率电流为8.57A，最大功率电压为17.4V。光伏阵列工作温度设为45，输入光照强度为400W/m2；初始占空比0设为0.5。为了说明本文提出的无电压检测的改进变步长MPPT策略控制效果的优良性，针对图4仿真电路，分别采用传统扰动观察法、无电压检测的扰动观测法及无电压检测的改进型扰动观测法，通过相应的振荡值、追踪时间比较分析。仿真结果分别如图5图7所示。初始扰动步长均设置为0.02。由图5图7可知，在仿真条件相同时，传统的扰动观测法输出功率均值为83.7W，振荡值为8W，追踪时间为0.22s；无电压检测MPPT输出功率均值为84.1W，振荡值为3W，追踪时间为0.28s；无电压检测的改进变步长输出功率均值为84.3W，振荡值为1.2W，追踪时间为0.17s。可以看出采用本文提出的无电压检测的改进变步长扰动观测法可以有效减小输出振荡，加快追踪速度。4结论本文在分析Boost型DC?DC变换器工作原理的根底上，提出了一种基于变换器输入电流控制，应用最大功率算法调节占空比，完成跟踪的无电压检测的改进型MPPT。该方法无需功率计算，当光伏阵列工作环境变化时，先采用长扰动步长加速逼近MPP，至一定范围后，每次的扰动步长改为前次扰动的12，以此实现越接近MPP振荡越小。通过Matlab/Simulink仿真验证了这一方法的正确性。本算法具有结构简单、本钱低、追踪速度快、效率高的优点。参考文献【1】汪义旺，曹丰文，张波，等.光伏发电系统最大功率点快速跟踪控制研究J.电力电子技术，202110：14?2021：2100?2102.【3】董密，杨建，彭可，等.光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制J.中国电机工程学报，202121：48?模糊控制的光伏发电系统的MPPT控制J.电源技术，20211：92?96.【5】AREDESMA，FRANCABW，AREDESM.FuzzyadaptiveP&OcontrolforMPPTofaphotovoltaicmoduleJ.Journalofpowerandenergyengineering，2021，24：120?129.【6】徐彭涛，赵巧娥，张强，等.基于中值观测的自适应变步长MPPT算法研究J.现代电子技术，2021，3722：150?152.【7】贺益康，潘再平.电力电子技术M.北京：科学出版社，2021：152?156.8胡义华，陈昊，徐瑞东，等.一种两阶段变步长最大功率点控制策略J.电工技术学报，20218：161?166.