一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法

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MPPT 算法，产生 PWM 脉冲；4）负载，用来消化
或吸收光伏阵列所产生的能量，在本系统采用二极
管钳位型三相三电平的直流/交流(DC/AC)逆变器
将电能回馈给电网。
光伏阵列的输出电压 UPV 和电流 IPV 输入到变 步长自适应 MPPT 控制器中，变步长自适应 MPPT
控制器经过计算产生光伏阵列输出的参考电压
控制能力强、结构简单等优点，本系统采用升压型
变换器来实现光伏发电系统的最大功率跟踪；
3）MPPT 控制器，通过数字控制器实现不同的
光伏阵列
Boost 变换器 L
负载
图 1 为太阳能电池的等效模型。图中：Iph 为太 阳能电池的短路电流，其大小反映了光伏电池当下
的光照强度，光照强度越强，Iph 越大；Id 为暗电流， 是指光伏电池在无光照时，由外电压作用下 PN 结 内流过的单向电流；I 为太阳能电池的输出电流； Rsh 为并联电阻；Rs 为串联电阻[21]。当光照恒定时， 光生电流 Iph 不随光伏电池的工作状态而变化，此 时等效电路可以看作是一个电流为 Iph 的恒流源与 一只正向二极管 D 并联。
该方法结合自适应变步长控制器和电流预测控制器各自优 点，将此方法应用于中点钳位型三相三电平光伏发电系统。 建立起 10 kW 三相三电平光伏发电系统实验平台，并与传 统最大功率跟踪方法进行对比实验。实验结果表明：所提出 的最大功率跟踪方法使系统具有很好的静、动态性能。
关键词：扰动观察法；自适应变步长；最大功率点跟踪；电 流预测控制
0 引言
随着世界环境的恶化和常规能源的枯竭，太阳 能作为一种新型的绿色可再生能源，受到国内外的 广泛关注[1-3]。在能够利用的可再生能源中，太阳能 被认为是最具有潜力的绿色能源。据国际能源机构 (international energy agency，IEA)估计，到 2050 年， 光伏发电将提供 11%的电力能源，使每年减少相当 于 23 亿吨 CO2 的排放量[4]。
1 光伏电池的数学模型
Rs
I
Id
Iph
Rph
Fig. 1
达式为
图 1 太阳能电池等效模型 Electrical equivalent circuit of a solar cell
I = Iph − Id − Ud / Rsh
(1)
暗电流为
Id
=
I0 (exp
qU d AkT
− 1)
(2)
由式(1)、(2)可得
第 34 卷 第 6 期 2014 年 2 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.6 Feb.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 855
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.06.005 文章编号：0258-8013 (2014) 06-0855-08 中图分类号：TM53
Uref。光伏阵列的输出电压 UPV、输出电流 IPV、参 考电压 Uref 以及 Boost 变换器输出电压 Udc 通过电 流预测控制产生 Boost 变换器的 PWM 脉冲。
2.2 变步长自适应 MPPT 原理
不同的 MPPT 算法中，扰动观察法由于简单、
同。为获取最大输出功率，需相应地调节等效负载。
2 基于电流预测控制的变步长自适应的最 大功率跟踪
2.1 光伏发电系统及其最大功率跟踪原理
基于电流预测控制的变步长自适应的最大功
率跟踪结构图如图 2 所示。光伏发电系统包括以下
几部分：1）光伏阵列，将太阳能转化为电能；
2）升压型(Boost)变换器，Boost 变换器具有效率高、
I
=
I ph
−
I0 (exp
qU d AKT
−1) −
Ud Rsh
(3)
式中：I0 为反向饱和电流；q 为电子电量，1.6×10−19C； K 为玻尔兹曼常量，0.86×10−4eV/K；T 为绝对温度；
A 为 PN 结理想因子。
由光伏电池的数学模型可知，在不同的光照强
度和环境温度下，光伏电池输出的电压和电流不相
为提高整个光伏发电系统的最大功率跟踪控 制系统的动态和稳态性能，本文提出一种基于电流 预测控制的变步长自适应的最大功率跟踪方法，将 该 方 法 应 用 于 二 极 管 中 点 钳 位 (neutral-pointclamped，NPC)型三相三电平光伏发电系统。最后， 建立 10 kW 的 NPC 三相三电平光伏发电系统实验 平台，通过实验验证所提方法的可行性和优越性。
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中国电机工程学报
第 34 卷
步长是一对矛盾体，扰动步长的选择与系统的要求 有关。文献[10-11]提出用电导增量法来实现最大功 率点跟踪，但电导增量法要求高速的 A/D 采样，对 硬件要求比较高。随着数字信号处理器的发展，采 用各种先进的智能算法实现最大功率点跟踪得到 国外学者的广泛关注。文献[12]提出用模糊自适应 方法来实现最大功率点跟踪，最大功率跟踪的效果 与模糊表相关，而模糊表的制定与设计者经验相 关。文献[13]采用粒子群优化模糊控制器实现最大 功率点跟踪，同样，其模糊表的选择与设计者的经 验有关；另外，其算法特别复杂，在实际实现比较 困难。文献[14]为了减少输出功率稳态误差，提出 采用粒子群优化算法实现最大功率点跟踪，但粒子 群优化算法复杂。
An Adaptive and Variable Step MPPT Method Based on Current Predictive Controllers
YANG Yong1, ZHU Binbin1, ZHAO Fangping2, TAO Xuehui1, CAO Fengwen3
(1. School of Urban Rail Transportation, Soochow University, Suzhou 215137, Jiangsu Province, China; 2. School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Baoshan District, Shanghai 200072, China; 3. Jiangsu Province Engineering Research Center for Photovoltaic Generation, Suzhou 215104, Jiangsu Province, China)
设等效二极管 D 的端电压为 Ud，输出电流表
C1
C2
PWM 调制
IPV UPV
电流预测
Udc
变步长
控制
自适应 MPPT Uref
Hale Waihona Puke MPPT 控制路图 2 最大功率跟踪控制策略结构图 Fig. 2 Structure diagram of the MPPT control strategy
第6期
杨勇等：一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法
ABSTRACT: Due to the shortage of the fixed step perturbation and observation (P&O) method (if the perturbation step is small, it cannot fast track under a rapidly changing weather condition; and if the perturbation step is large, there will be large oscillating power around the maximum power point (MPP)). In order to improve the ability of fast current tracking, the paper proposed an adaptive variable step maximum power point tracking (MPPT) based on a current predictive controller. The new algorithm has combined the respective advantages of the adaptive variable step controller and the current predictive controller, which is applied to a neutral-point-clamped (NPC) three-phase three-level photovoltaic generation system. Comparative experimental tests for different conventional MPPT algorithms have been verified based on three-phase three-level photovoltaic generation system rated at 10 kW. The experimental results show that the proposed MPPT algorithm has good steady-sate and dynamic performance.
光伏阵列输出的功率与输出电压是非线性关 系，受气象条件的影响(如辐照和温度等)。为提高 光伏发电系统的效率，最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)是光伏发电系统不可缺 少的一部分[5]。文献[6-9]介绍了多种不同 MPPT 控 制方法。目前，最常用最大功率跟踪方法是扰动观 察法(perturbation and observation，P＆O)，其算法 简单，易于模块化实现，被测参数少，对传感器精 度要求不高。对于定步长的扰动观察法，过大的扰 动步长导致稳态功率振荡比较大；而过小的扰动步 长一旦外部条件变化较快时，无法快速跟踪。因此， 对于定步长的扰动观察法，系统的稳态精度与扰动