基于模型预测控制的MPPT控制策略_黄艺

Abstract： A new maximum power point tracking (MPPT) optimization algorithm with the model predictive controller (MPC) is introduced. The proposed controller scheme combines the modified incremental conductance (INC) algorithm current based with the MPC to track the maximum power point of PV array. In the implementation of algorithm, the cost function is established, then the future behavior of the controlled variables is estimated, finally the right direction in P-U curve is decided rapidly. The MATLAB simulation results show that this control strategy effectively solves the misjudgment phenomenon of traditional conductance method under abrupt changes of solar irradiance. At the same time, with improved system stability, the method greatly reduces the time of maximum power point tracking and the energy loss in the system. Key words： predictive control technique； modified incremental conductance； MPPT 0
1 光伏电池的建模仿真 1.1 光伏组件物理与数学模型
实际上 ， 光伏电池就是一块大面积平面二极 管 ， 其等效电路模型如图 1 所示 [1]。
(Model Predictive Control ，MPC) 已经应用在电力电
收稿日期 ： 2012-08-01 。 作者简介 ： 黄 艺 （1988- ）， 男 ， 江苏南京人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为光伏发电技术 。 E-mail ：huangyit317@
RS 为串联电阻 ， 主要由电池的表面电阻 、 体电阻 、 电极导体电阻等组成 ；RSH 为旁漏电阻 ， 主要由硅
片的边缘不清洁或体内的缺陷造成的 。 由图 1 可得出负载电流为
S （1- γΔT ）ln(1+βΔS) （8） Sref S （1+ αΔT ） Sref
（9 ） （10）
I′m=Im
UL+ILRs （1 ） RSH 式 中 ：q 为 电 子 电 荷 ，q =1.6 ×10 -19 C ；A 为 常 数 因 IL=ISC-IDO[e -1] 子 ( 正偏电压大时 ，A 值为 1 ； 正偏电压小时 ，A 值 为 2) ；T 为光伏电池温度 ；K 为波尔兹曼常数 ，K =
q(UL+ILRS) AKT
DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2012.11.021
第 30 卷 第 11 期 2012 年 11 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.30 No.11 Nov. 2012
基 于 模 型 预 测 控 制 的 MPPT 控 制 策 略
光伏电池瞬时输出功率 P=UI ， 两边同时对 U 求 导得 ：
dP dI =I+U dU dU
令
(11)
dP dI I ， 此式为光伏电池工 =0， 则 =－ dU dU U
作在最大功率点的条件 ， 并且相应地对系统进行 调节 ， 来完成 MPPT 控制 。 电导增量法的主要特点是控制精度高 ， 稳定 度高 ， 且与光伏电池输出特性及参数无关 。 但是 在 外 界 环 境 变 化 强 烈 时 ，会 产 生 误 判 ，对 系 统 的 跟踪效率有较大影响 。
Research of MPPT control strategy based on model predictive control technique
HUANG Yi ， HE Yi ， ZHANG Zhen-yu
（College of Automation and Electrical Engineering ， Nanjing University of Technology ， Nanjing 211816 ， China ）
S=1.0 kW/m2 S=0.8 kW/m
2
6 5 4 3 2 1 0 0 5
S=0.6 kW/m2 S=0.4 kW/m2 S=0.2 kW/m 10 15
图 3 ，4 为 在 光 伏 电 池 温 度 恒 定 的 条 件 下 ， 光 伏 电 池 的 输 出 随 辐 照 度 与 负 载 变 化 的 U-I 和
dP dU
P -U 输 出 特 性 曲 线 族 。 由 该 曲 线 族 可 见 ， 开 路 电 压 Uoc 随着辐照强度的变化很小 ， 而短路电流 ISC 则随辐照强度的变化有着明显的改变 。 由仿真
引言 为使光伏电池始终能够在最大功率点附近 工 作 ，必 须 进 行 最 大 功 率 点 跟 踪 ，电 导 增 量 法 是 被采用最多的 MPPT 算法之一 。 但是 ， 常规的电导 增量法在辐照强度变化激烈的环境下 ， 随时可能 发生误判 ， 直接导致功率的损耗 。 近年来 ， 随着 IC 控制器件的飞速发展 ， 原先 只在工业过程控制领域所应用的模型预测控制 子变换器方面 。 基于模型预测控制的电导增量法 的引入 ， 使预测的功率点与下一扰动得到的功率 点近似在一条 U-I 曲线上 ， 从而避免了误判现象 的发生 ， 有效地解决了外部环境剧烈变化时产生 的误判问题 。
U′m= Um（1+γΔT ）ln(1+βΔS)
式 中 ： Sref 为 标 准 照 度 ， Sref =1 000 W/m2 ； Tref 为 标 准 温 度 ， Tref =25 ℃ ； e 为 自 然 底 数 ； α 为 电 流 温 度 补 偿 系 数 ， α =2.5 × 10 -3 ； γ 为 电 压 温 度 补 偿 系 数 ，
+
S T
1 2
-
Tref Sref
1
K-
Isc 1/u ×
相乘
×
相乘
Isc′
1/u
函数 2 相乘
函数 1 求和
×
Im′ 1
+
求和
1-(Im/ISC)
f(u ）
函数 3

示波器
a + 求和 1
KK-
Im
b +求和
×
相乘 函数 1
+
× ×
UOC′ Um′
c2
函数 6 f(u ）
2 - 函数 5 +
相乘
1
UOC
曲线可以看出 ， 所建立光伏电池模型与无锡尚德 的 STP250S-20-250 W 电池所给定特性输出参数 相对一致 ， 符合本文对仿真的要求 ， 可用于模拟在 不同辐照度条件下光伏组件的电气输出特性 。
9 8 7
短路电流 /A
(30.7V,8.15A)
dP =0 时 ， 输出最大功率 Pmax。 dU
图 1 光伏电池单二极管等效电路 Fig.1 Equivalent circuit of the single diode model
ΔT=T－Trgf ΔS= I′SC=ISC U′SC=UOC S －1 Sref S （1+ αΔT ） Sref
（5 ） （6 ） （7 ）
图中 ：ISC 为光子在光伏电池中激发的电流 ， 它与 太阳的辐照度成正比 ， 温度升高时 ，ISC 会略有上 升 ；IVD 为通过 P-N 结的总扩散电流 ， 与 ISC 反向 ；
电 池 组 件 STP250S-20-250 W 的 参 数 如 下 ：
电导增量法从电池的输出功率随输出电压 的变化而变化的规律出发 ， 推导出系统工作在最 大功率点时 ， 电导变化率和电导之间的关系 。 图 4 显示 ， 当光伏电池输出电压由零逐步增加时 ， 的值由正变负 ； 当
Uoc=37.4 V ； Isc=8.63 A ； Ump=30.7 V ； Imp=8.15 A。 1.3 Simulink 模型仿真结果
黄 艺， 何 毅 ， 张振雨
211816）
（南京工业大学 自动化与电气工程学院 ， 江苏 南京 摘
要 ： 提 出 一 种 新 的 基 于 模 型 预 测 控 制 (MPC) 的 最 大 功 率 点 跟 踪 (MPPT) 优 化 算 法 。 该 目 标 控 制 算 法 把 基 于
电 流 的 改 进 型 电 导 增 量 法 与 模 型 预 测 控 制 算 法 相 结 合 ，完 成 对 光 伏 阵 列 最 大 输 出 功 率 的 快 速 跟 踪 。 在 算 法 执 行 过 程 中 ， 通 过 建 立 系 统 性 能 指 标 函 数 ， 评 价 与 估 算 出 未 来 控 制 变 量 的 动 作 ， 从 而 决 定 P-U 曲 线 的 跟 踪 方 向 。 仿 真 结 果 表 明 ：该 控 制 策 略 有 效 地 解 决 了 传 统 电 导 增 量 法 在 外 界 环 境 激 烈 变 化 时 所 产 生 的 误 判 现 象 ，在 提 高 系 统 稳 定 性 的 同 时 ，大 大 地 减 少 了 最 大 功 率 点 跟 踪 时 间 和 系 统 的 能 量 损 耗 。 关键词 ： 模型预测控制 ； 改进型电导增量法 ； 最大功率点跟踪 中图分类号 ： TM615 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1671-5292 （2012 ）11-0001-05