基于改進(jìn)PSA算法的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究-第1篇

1、 基于改進(jìn)PSA算法的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究 陳仕彬+韓自奮+梁福波+拜潤(rùn)卿+李養(yǎng)俊+魏?jiǎn)?章云摘 要：為了在不同環(huán)境條件下使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量，需要對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，使系統(tǒng)的輸出功率最大化。對(duì)此，結(jié)合經(jīng)典的恒壓控制法提出了基于改進(jìn)PSA算法的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤方法。MPPT算法的主要組成部分包括系統(tǒng)的功率級(jí)和控制器，功率級(jí)的輸入電壓和輸入電流被用作MPPT算法的輸入，基于PSA算法的控制器則用來連續(xù)調(diào)節(jié)占空比，直到系統(tǒng)處于最大功率點(diǎn)。實(shí)例分析驗(yàn)證表明，該方法可以更加穩(wěn)定、精確地跟蹤到最大功率點(diǎn)。Key：光伏系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；占空比；改進(jìn)模式搜索算法：TM615

2、：A ：2095-1302（2016）11-00-030 引 言由于太陽能具有取之不盡、分布廣泛的特性，所以光伏發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域脫穎而出，為了能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率的最大化，需要對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。目前有很多算法可以確定系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)1-3，如查表法、曲線擬合技術(shù)、開路電壓法、短路電流法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等。查表法和曲線擬合技術(shù)需要很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；開路電壓法和短路電流法不適合工作條件發(fā)生變化的場(chǎng)合；擾動(dòng)觀測(cè)法會(huì)在最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩；電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜。然而盡管恒壓法能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT的基本功能并在光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)得以廣泛應(yīng)用，但在使用過程中無法引入外界條件參

3、量的變化情況，難以實(shí)現(xiàn)MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法4，5具有很強(qiáng)的細(xì)搜索能力，因此將改進(jìn)的模式搜索算法與恒壓法結(jié)合用于最大功率實(shí)時(shí)精確跟蹤。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、MPPT功率級(jí)、控制器、負(fù)載幾部分6，而最大功率點(diǎn)跟蹤主要由MPPT功率級(jí)和控制器來控制，對(duì)此本文首先建立功率級(jí)輸入端的模型7， 8，然后應(yīng)用改進(jìn)的PSA算法優(yōu)化控制器使其精確改變占空比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的穩(wěn)定跟蹤。1 光伏組件模型及最大功率點(diǎn)控制光伏組件功率級(jí)輸入端即光伏組件的輸出主要是產(chǎn)生的電流信號(hào)和電壓信號(hào)，設(shè)在參考條件下，構(gòu)建考慮太陽輻射變化和溫度影響時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池陣列數(shù)學(xué)模型如下式：（1）式中，U

4、為光伏電池陣列電壓，I為對(duì)應(yīng)的輸出電流，；Sref為太陽輻射參考值，取1 kW/m2；Tref為溫度參考值，取25；Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um分別為最大功率點(diǎn)電流和電壓，為電流隨溫度變化系數(shù)，為電壓隨溫度變化系數(shù)，以上參數(shù)都在Sref、Tref條件下獲??；Rs為光伏模塊串聯(lián)電阻；S為總太陽輻射，Tc為太陽電池溫度，Ta為環(huán)境溫度，tc為電池模塊溫度系數(shù)。當(dāng)負(fù)載電阻和內(nèi)阻相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的輸出功率。由于光伏陣列產(chǎn)生的功率會(huì)隨太陽輻照度和溫度變化而變化，因此參數(shù)的變化也會(huì)引起光伏電池的輸出特性變化，可根據(jù)輸出特性實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載，使其與光伏陣列內(nèi)阻相匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。2 仿

5、真實(shí)驗(yàn)與分析2.1 光伏電池功率曲線特性實(shí)驗(yàn)采用的太陽能電池板在光輻射度為1 000 W/m2，溫度為25的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的基本參數(shù)為：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A。基于Matlab/SimuLink工具箱構(gòu)建的光伏電池仿真模型如圖1所示。由圖2（a）可知，最大功率點(diǎn)處電壓受光輻射度影響較小，電流值隨著光輻射度的增加而增大；由圖2（b）可知，最大功率點(diǎn)處電壓隨著溫度的升高而降低，電流值受溫度影響較小。2.2 MPPT功率級(jí)和控制器MPPT算法的主要組成部分包括系統(tǒng)的功率級(jí)和控制器，功率級(jí)為DC-DC變換器的主電路9， 10，通過調(diào)整IGBT的

6、導(dǎo)通時(shí)間和輔助電路完成升降壓功能；控制器主要用于產(chǎn)生控制IGBT通斷的PWM控制信號(hào)，與功率級(jí)共同作用，調(diào)整負(fù)載與光伏陣列內(nèi)部阻值動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。MPPT控制算法實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。圖3中，改進(jìn)的PSA算法和恒定電壓法均包含于控制器部分11，改進(jìn)的PSA算法根據(jù)外界環(huán)境變化實(shí)時(shí)計(jì)算出最大功率點(diǎn)處電壓Umax作為恒定電壓法的參考電壓，從而改善了經(jīng)典恒壓法使用固定電壓值導(dǎo)致其忽略外部環(huán)境不足的問題，可大大提高最大功率點(diǎn)跟蹤的精確性。2.3 改進(jìn)的PSA算法為實(shí)現(xiàn)當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)ψ畲蠊β庶c(diǎn)進(jìn)行精確跟蹤，避免傳統(tǒng)跟蹤方法的缺點(diǎn)，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出效率，本文提出了基

7、于改進(jìn)的PSA算法的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。其流程圖如圖4所示。其中，搜索分段數(shù)=10，電壓間隔=Uoc/，初始步長(zhǎng)=/4，初始電壓值U（1）=， 3， ， Uoc-T，初始點(diǎn)xi=Ui（1），方向因子=1，-1，速度因子c1=2，終止條件=10-3，c2=2，k=1，全局比較因子=/100。2.4 優(yōu)化控制輸出將改進(jìn)的模式搜索算法實(shí)時(shí)計(jì)算得出的最大功率點(diǎn)處的電壓替換恒壓控制法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)的固定電壓值，并構(gòu)建其整體的仿真模型。其具體架構(gòu)如圖5所示。圖5 基于改進(jìn)PSA的MPPT仿真模型按照實(shí)際原型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為驗(yàn)證跟蹤的效果，當(dāng)系統(tǒng)從溫度25、光輻射度從1 000 W/m2變化為800

8、W/m2時(shí)，其仿真結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，該系統(tǒng)在光輻射度變化的條件下能夠快速做出調(diào)節(jié)，使其工作在最大功率點(diǎn)附近，且穩(wěn)定性較好，改善了傳統(tǒng)恒壓方法無法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，使其工作至最大功率點(diǎn)的現(xiàn)象。3 結(jié) 語為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確跟蹤，本文結(jié)合經(jīng)典的恒壓控制法提出了基于改進(jìn)PSA算法的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤方法，對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤中功率級(jí)輸入端特性曲線和MPPT控制算法進(jìn)行了深入分析，通過比較可知： （1）最大功率點(diǎn)處電壓、電流值可隨光輻射度和溫度的變化而變化；（2）可以通過外界環(huán)境變化實(shí)時(shí)計(jì)算出參考電壓，改善經(jīng)典恒壓法，進(jìn)而提高最大功率點(diǎn)跟蹤的精確性；（3）該系統(tǒng)在光輻

9、射度變化的條件下能夠快速調(diào)節(jié)，始終工作在最大功率點(diǎn)附近，穩(wěn)定性較好。Reference1趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用M.北京：北京科學(xué)出版社，2005.2熊遠(yuǎn)生，俞立，徐建明.固定電壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中應(yīng)用J.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（6）：85-88.3Al-Sumait JS， Al-Othman AK， Sykulski JK. Application of pattern search method to power system valve-point economic load dispatchJ. International

10、 Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2007， 29（10）： 720-730.4Salas V， Olias E， Barrado A， et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systemsJ.Solar energy materials and solar cells， 2006， 90（11）： 1555-1578.5黎靜華，韋化.基于模式搜索算法的電力系統(tǒng)機(jī)組組合問題J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，20

11、09，24（6）：121-128.6吳理博，趙爭(zhēng)鳴，劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（9）：1195-1198.7Fermia N， Granozio D， Petrone G， et al. Predictive & adaptive MPPT perturb and observe methodJ. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2007， 43（3）： 934-950.8衛(wèi)東，樓洪，肖昌允.太陽能光伏輸出特性最大功率點(diǎn)計(jì)算與模型參數(shù)求解J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：121-127.9Vaz AIF， Vicente LN. A particle swarm pattern search method for bound constrained global optimizationJ. Journal of Global Optimization， 2007， 39（2）： 197-219.10瑞奇奧等.光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化-建模、仿真和控制M