基于功率闭环控制与PSO算法的全局MPPT方法

基于功率闭环控制与 PSO 算法的全局 MPPT 方法
李善寿 1，张兴 1，张鸿恺 2，赵为 3，倪华 3
(1．合肥工业大学电气工程与自动化学院，安徽省 合肥市 230009；2．安徽建筑大学智能建筑重点实验室， 安徽省 合肥市 230601；3．阳光电源股份有限公司，安徽省 合肥市 230088)
ABSTRACT: Based on the analysis of existing multi-peaks maximum power point tracking (MPPT) methods, a dynamic MPPT strategy was proposed based on the power closed-loop control. The strategy located the global maximum power point (GMPP) by the power closed-loop control method, and achieved the global scanning of P-U curves making use of the local instability phenomenon of power closed-loop control on the P-U curves. Thus, the impact of peak points distribution and parameters selection on the MPPT dynamic process was overcame. At the same time, a voltage blocking method was adopted to overcome the impact of power closed-loop control on the system stability. A variable step size tracking strategy based on particle swarm optimization (PSO) algorithm was used to eliminate the static power oscillation of MPPT. The feasibility and effectiveness of the method is verified by simulations and experiments, and results show that the method can track the GMPP under static and dynamic environment without any known information, which can improve tracking precision of the multi-peak GMPP under static and dynamic condition.
针对上述主要不足，本文提出一种基于功率闭 环扫描的全局 MPPT 方法，该方法首先采用功率闭 环控制实现全局最大功率点的定位，克服峰值点分 布及参数取值对 MPPT 动态性能的影响；然后结合 PSO 法的优点，在全局最大功率点附近的小范围内 采用 PSO 法实现全局最大功率点的稳态准确跟踪， 消除稳态功率振荡问题。文章首先分析 POC、PSO 法的不足，然后给出基于功率闭环的峰值点定位原 理，最后通过仿真与实验验证了该方法的可行性与 有效性并给出相关结论。
关键词：光伏阵列；全局最大功率点跟踪；功率闭环控制； 粒子群算法；多峰值特性
0 引言
实 现 全 局 最 大 功 率 点 跟 踪 (global maximum power point tracking，GMPPT)是提高光伏发电系统 总体效率的基本措施之一[1-2]。理想情况下，光伏阵 列中光伏电池都工作在相同温度和辐照度条件下， 此时光伏阵列的输出 P-U 曲线表现出单峰值特性， 采用扰动观测法、电导增量法等传统 MPPT 方法[1-3] 即可实现阵列的最大功率点跟踪。但实际工程中， 光伏电池会因为老化、局部遮挡和积尘覆盖等原因， 导致光伏电池的输出特性不一致，此时光伏阵列的 P-U 曲线将表现出多峰值特性[2,4-5]，传统的单峰值 MPPT 方法将可能陷于局部峰值点，导致光伏系统 出现输出功率损失，降低系统的总体发电效率[5]。
点之间电压范围的扫描。
ห้องสมุดไป่ตู้
Uref = Pmax / ipv + ustep
(1)
式中：Uref 为下一步参考电压；Pmax 为搜索到的最
光伏阵列输出功率/W
1 200 800 400
曲线 1 曲线 2
f e
c
d
m
b
a
0
0
100
200
300
光伏阵列输出电压/V
图 1 不同峰值点分布下 POC 法跟踪过程示意图 Fig. 1 Diagram of the POC tracking process under different peak points distribution
目前，光伏阵列的多峰值全局最大功率点跟踪 已经成为 MPPT 方法研究的一个热点方向，诸多学 者针对该问题开展了大量研究工作。文献[6]提出一 种两步法，该方法首先采用阻抗闭环控制实现光伏
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中国电机工程学报
第 34 卷
阵列 I-U 曲线上最大功率点的初步定位，然后采用 扰动观测法进行跟踪，但是该方法需要不断测量开 路电压和短路电流，同时容易陷入局部极值点且跟 踪过程较慢。文献[7]提出利用神经网路和模糊控制 技术实现多峰值最大功率点跟踪，但是该方法需要 大量的光伏阵列数据信息，需要掌握不同阴影模式 下峰值点的分布规律，因此该方法缺乏实用性。文 献[8]提出利用 Fibonacci 序列实现全局最大功率点 跟踪，该方法也同样依赖于光伏阵列结构和组件类 型等信息，依赖于对峰值点分布规律的掌握，同时 该方法存在陷入局部极值问题。文献[9-11]提出的 改进扰动观测(perturb，observe and check，POC)法 是一种基于等功率线扫描的全局扫描法，该方法不 存在陷入局部极值的问题，但其 MPPT 性能取决于 峰值点的分布，并且存在稳态功率振荡问题[2]。文 献 [12-18] 研 究 了 基 于 粒 子 群 (particle swarm optimization，PSO)算法的 MPPT 方法，该方法的突 出优点是不存在稳态功率震荡问题，稳态跟踪精度 高[13,18]，但存在稳态不收敛和陷入局部极值等问 题[17]。综合分析上述文献发现，POC、PSO 等现有 全局 MPPT 方法的主要不足是 MPPT 跟踪性能取决 于峰值点的分布、MPPT 方法的参数取值以及对光 伏阵列信息的掌握。
大功率；ipv 为阵列的当前输出电流；ustep 为最小 步长。
对于曲线 2 所示情形，由于最右侧极值点(b 点) 的功率远小于最大功率点(d 点)的功率，此时按式(1) 确定下一步参考电压，POC 法就必须以最小扰动步 长完成图中 e—d—c 点之间的电压扫描，从而导致 了 MPPT 跟踪性能下降。由此可见 POC 法的 MPPT 性能取决于峰值点的分布。此外，环境突变时 POC 法无法利用变化后的信息判断最大功率点的位置，
所以必须从开路电压处重新开始一次完整的搜索
过程。
1.2 PSO 法存在的主要问题 1.2.1 PSO 算法
PSO 算法是基于群体认知行为提出的迭代搜 索算法[12-18]，具有较为简单的表达形式，同时又具
有较好的全局搜索能力。PSO 迭代算法可以用 式(2)、(3)表示：
⎧⎪Δui ⎨
(n
+1)
= ω ⋅Δui (n) + c1r1 ⋅[Ui max c2r2 ⋅[UG max − ui (n)]
Key Scientific and Technological Projects of Anhui Province (1201a0201004); Anhui Provincial Natural Science Projects in Universities (KJ2013B050).
现全局最大功率点的定位，利用功率闭环控制在 P-U 曲线上 的局部不稳定现象实现 P-U 曲线的快速全局扫描，克服了峰 值点分布及算法参数取值对 MPPT 动态过程的影响。同时采 用电压截止控制克服了功率闭环控制对系统整体稳定性的影 响。采用基于粒子群(particle swarm optimization，PSO)算法 的变步长跟踪策略消除了最大功率点跟踪的稳态功率震荡 问题。最后，通过仿真与实验验证该方法的可行性和有效性， 结果表明，该方法不依赖光伏阵列的已知信息，便可实现静 态和动态环境下全局最大功率点跟踪，提高多峰值最大功率 点跟踪的动态速度和稳态跟踪精度。
摘要：基于对现有多峰值最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)方法不足的分析，提出一种基于功率闭 环控制的动态 MPPT 跟踪策略。该方法采用功率闭环方式实
基金项目：安徽省科技攻关重点项目(1201a0201004)；安徽高校省 级自然科学研究项目(KJ2013B050)。
第 34 卷 第 28 期 2014 年 10 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.28 Oct.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 4809
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.28.008 文章编号：0258-8013 (2014) 28-4809-08 中图分类号：TM 615
1 POC 法和 PSO 法存在的主要问题
1.1 POC 法存在的主要问题
POC 法基于等功率线扫描实现了功率曲线的
局部快速搜索，如图 1 中曲线 1 所示，由于最大功