光伏系统最大功率点跟踪技术的比较
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干扰观测法控制的 M PPT 仿真输出曲线如图 3 所示, 图 3a 为光伏电池 PV 输出的电压、电流曲线, 图 3b 为最大功率点跟踪效果图, 系统从光照强度为 700 W/ m2 曲线右侧启动, 显示在光照 强度剧烈变 化下的跟踪过程。
仿真中, 图 3a 电流波形上升沿较陡, 说明能快 速准确地进行 MP PT 跟踪; 图 3a 输出电压电流振 荡明显, 说明在最大功率附近反复调整; 图 3b 反映 出 M PP T 运行点左右摆动较大。
=
0.
( 1)
可得
-
I PV = V PV
dI dV
PV PV
.
( 2)
d d
P V
PV PV
=
0,
则 V PV= V MPP;
dP dV
P P
V V
>
0,
则 V PV < V MPP ;
d d
P V
PV PV
<
0,
则 VPV>
V MPP。
其中, V PV 和 I PV 分别为光伏阵列输出的电压和
电流, P PV 为光伏阵列输出的瞬时功率。
CHEN Jian, ZHAO Zhengming, YUAN Liqiang, ZHA Lanxi
( State Key Laboratory of Control and Si mulation of Power System and Generation Equipment, Department of El ectrical Engineering,
1 各典型控制方法实现原理
1. 1 干扰观测法的实现
干扰观测法的原理是先让光伏阵列工作在某一 参考电压下, 检测输出功率, 在此工作电压基础上加 一正向电压扰动量, 检测输出功率变化。若输出功 率增加, 表明光伏阵列最大功率点电压高于当前工 作点, 需继续增加正向扰动; 若所测输出功率降低, 则最大功率点电压低于当前工作点, 需反向扰动工
收稿日期: 2009-05- 18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50737002, 50707015) 作者简介: 陈剑( 1984 ) , 男( 汉) , 浙江, 硕士研究生。 通讯作者: 赵争鸣, 教授, E-mail: zhaozm@ t sing hua. edu. cn
陈 剑, 等: 光伏系统最大功率点跟踪技术的比较
70 1
作点电压[ 4-5] 。
1. 2 电导增量法的实现
电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬
间电导来改变控制信号。由光伏阵列特性曲线可知 最大功率点处满足电导条件[ 1, 6] :
dP PV dV PV
=
I PV
dV PV dV PV
+
VPV
dI PV dV PV
=
IPV +
V PV
dI PV dV PV
2 系统仿真
根据 M PP T 的控制方法, 建立由光伏电池通过 Buck 电路对蓄电池进行最大功率充电的主电路模 型, 采 用 MAT L AB/ Simulink 进行仿真, 模型中 包 括光伏电池模块、主电路模块和控制模块, 其电气主 电路模型如图 2 所示。
控制部分根据传感器采样获得数据分别采用上 述不同控制方法进行 M PP T 控制, 最后输出开关器 件的控制信号。
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清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
2010, 50( 5)
模糊控制法 M PP T 仿真输出曲线如图 5 所示。
图 3 干扰观测法控制下的 MPPT 仿真输出曲线
同理, 电导增量法控制的 M P PT 仿真输出曲线 如图 4 所示。
图 4 电导增量法控制下的 MPPT 仿真输出曲线
3 系统实验
实验平台由 300 W 光伏阵列、蓄电池组、L EM 霍尔电压电流传感器等组成。系统由传感器采样经 调理电路转换后由 T M S320F 2812 DSP 根据采样数 据和控制算法最终输出 PWM 控制脉冲控制开关器 件, 从而实现整个系统的控制。
实验中采用遮盖部分光伏电池并迅速移开的办 法产生光照变化效果, 测试各种方法在光照强度变 化下的跟踪效果。
Key words: phot ovolt aic pow er syst em ; maximum pow er point t rack ing; pert urb and ob servat ion algorit hm; i ncrement al conductance algorit hm ; f uzzy cont rol
仿真中, 图 4a 上升沿陡、超调量较小, 体现系统 动态响应较好; 图 4b 中 M PP T 运行点较为稳定, 摆动幅度小, 说明系统 M PP T 跟踪效果较为理想, 动稳态精度均较高。
图 5 模糊控制法控制下的 MPPT 仿真 输出曲线
仿真中, 图 5a 电压电流波形输出均较平稳, 说 明系统稳态性能较好; 图 5a 中电流输出超调衰减 较慢, 体现动态响应 不够灵活 的缺点; 图 5b 体现 M PP T 运行点较为稳定。
和隶属度函数经模糊控制器输出决定。定义模糊集
合: ZO= 零 P S= 正小 PB= 正大 NB= 负大 N S=
负小。定义模糊函数 F( ec ( n) , ec( n) ) 的输入输出
隶属度函数 E、CE、dD 如图 1 所示。 对模糊控制器输出 dD 进行积分运算, 即得控
制所需的占空比 D, 输出作用于主电路开关器件。
ISSN 1000- 0054 清华大学学报 ( 自然科学版) 2010 年 第 50 卷 第 5 期 CN 11- 2223/ N J T sing hua U n iv ( Sci & Tech) , 2010, V o l. 50, N o. 5
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光伏系统最大功率点跟踪技术的比较
ec ( n) =
P ( n) V ( n) -
P(n V(n-
1) 1)
dP dV
,
( 3)
ec( n) = ec ( n) - ec ( n - 1) .
( 4)
定义模糊 控制规则为: 若当前正 向调节控 制
PWM 占空比使输出功率增加, 则继续正方向调整,
反之则反方向调节, 调节幅度由具体的模糊规则表
陈 剑, 赵争鸣, 袁立强, 查澜曦
( 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084)
摘 要: 针对目 前光 伏系 统最 大功 率点 跟踪 ( M P PT ) 技术 研究和应用现状, 根据 控制算 法的不 同分类, 选取 干扰 观测 法、电导增量法、模糊控制法作为研究对象, 分别建立 控制模 型, 采用 M AT LA B/ Simulink 进 行系 统整 体仿 真, 并对 3 类 方法进行实验研究, 将 仿真和 实验结 果进行 分析比 较, 得出 各类 M P PT 控制方 法在稳态控制精度、动态响应 、误判 纠正 及硬件实现要求等方面的量化参数。基于以上量化参数, 结 合各种方法的理论分析和实验波形, 提出各种方法在 实际应 用中的适用条件和 范围, 便 于实际 系统 在众 多 M PP T 实现 方法中合理选取最佳方案。
关键词: 光伏系统; 最大功率点跟踪; 干扰观 测法; 电导增 量法; 模糊控制
中图分类号: T M 615 文章编号: 1000- 0054( 2010) 05-0700- 05
文献标识码: A
Comparison of maximum power point tracking technologies for photovoltaic power systems
根据判定结果调整参考电压即可实现控制。
1. 3 模糊控制法的实现
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
定义输出偏差 E 及其变化率 CE 作为模糊控制 器的输入, 将控制系统所需要的控制变化量以微分
dD 的形式从模糊控制器输出[ 7] 。若当前采样和上
次采样数值分别用 n 和 n- 1 来表示, 则可定义模糊
控制器输入变量 ec( n) 及其变化率 ec ( n) 的函数表 达式为[ 8-10] :
目前主要文献均针对某一特定方法进行研究, 缺乏对各种控制方法实际应用效果的系统化比较研 究, 采用实际控制平台进行实用性研究的则更少。
本文根据方法分类, 选取最具代表性的干扰观 测法、电导增量法、模糊控制法作为研究对象, 分别 建立控制模型, 采用 M AT L AB/ Simulink 对系统主 电路及控制系统进行整体仿真, 并在实验平台上对 各种方法分别进行实验研究。
实验波形如图 6 所示。 图 6a 波形上升沿和下降沿变化迅速, 体现出干 扰观测法跟踪速度较快的特点, 但上升沿和下降沿 均出现电流毛刺, 为光照强度剧烈变化时出现的误 判断引起, 且稳态运行时 输出电流波动范 围较大; 图 6b 上升沿和下降沿均较 为平滑, 体 现动态响应 快、跟踪精度高的优点; 图 6c 中, 当光照突然增大, 电流增加迅速, 但超调较大, 说明动态 响应精度不 够, 系统调节速度较慢, 但电流波形波动较小, 最后 仍能回到初始值, 说明稳态精度理想。
Tsi nghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: M ax imum pow er point t rackin g ( M PPT) t echnologies and t h eir applicat ion s w ere classif ied based on t h e dif f eren ces of cont rol algorit hm s w it h t h ree t ypical met hods analyzed, i. e. t h e pert urb and ob ser ve algorit hm, in crem ent al conductance algorit hm and fu zzy cont rol al gorit hm. Th e cont rol model f or each met hod w as est ablis hed wit h t h e sy st em s imulat ed us ing M A T LA B/ Simul ink. E xperi ment s w ere made t o verif y t he f easibilit y and perf orman ce of t h e met hods. By analyzing an d comparing t he sim ulati on and experiment al result s, t he quant it at ive charact erist ics of each m et hod w ere obt ained, incl uding t h e st eady s tat e accuracy, dynamic resp on se, m isjudgment correct ion an d h ardw are requi rement s. Theref ore, t he r esul t s provide t h e ap plicable condit ions of t h e t hree m et hods f or choosing th e opt imal s cheme in pract ical M PPT appli cat ions .
仿真中, 光伏电池模型额定功率为 300 W, 在 0. 025、0. 03、0. 035 s 不同时刻改变光照 强度 P U 分别为 700、800、900、1 000 W/ m2, 温度参数定为 25 。为便于比较, 采样频率统一为 5 kH z, 干扰 观测法和电导增量法的电压参考值单步变化量均为 0. 1 V, 模糊控制则由控制算法自身判定。
光伏发电将太阳能直接转换成电能, 具有诸多 优点, 应用越来越广。由于光伏阵列输出电压、电流 受外界光照强度、环境温度等因素影响, 呈非线性特 征, 因此如何调整负载特性, 使系统尽可能地实时输 出最大功率, 即为最大功率点跟踪( MP PT ) 技术, 在 光伏系统中尤为重要。
M PP T 技术已成研 究热点, 其 控制方法 多样, 控制效果不尽相同, 实现过程也大有区别。根据文 [ 1- 3] , 可将各种控制方法分为间接近似控制法、直 接采样控制法以及人工智能控制法 3 大类。间接控 制法主要有曲线拟合法、查表法等; 直接采样控制 法主要有干扰观测法、电导增量法等; 人工智能控 制法主要有模糊控制法、神经网络控制法等。
仿真中, 图 3a 电流波形上升沿较陡, 说明能快 速准确地进行 MP PT 跟踪; 图 3a 输出电压电流振 荡明显, 说明在最大功率附近反复调整; 图 3b 反映 出 M PP T 运行点左右摆动较大。
=
0.
( 1)
可得
-
I PV = V PV
dI dV
PV PV
.
( 2)
d d
P V
PV PV
=
0,
则 V PV= V MPP;
dP dV
P P
V V
>
0,
则 V PV < V MPP ;
d d
P V
PV PV
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0,
则 VPV>
V MPP。
其中, V PV 和 I PV 分别为光伏阵列输出的电压和
电流, P PV 为光伏阵列输出的瞬时功率。
CHEN Jian, ZHAO Zhengming, YUAN Liqiang, ZHA Lanxi
( State Key Laboratory of Control and Si mulation of Power System and Generation Equipment, Department of El ectrical Engineering,
1 各典型控制方法实现原理
1. 1 干扰观测法的实现
干扰观测法的原理是先让光伏阵列工作在某一 参考电压下, 检测输出功率, 在此工作电压基础上加 一正向电压扰动量, 检测输出功率变化。若输出功 率增加, 表明光伏阵列最大功率点电压高于当前工 作点, 需继续增加正向扰动; 若所测输出功率降低, 则最大功率点电压低于当前工作点, 需反向扰动工
收稿日期: 2009-05- 18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50737002, 50707015) 作者简介: 陈剑( 1984 ) , 男( 汉) , 浙江, 硕士研究生。 通讯作者: 赵争鸣, 教授, E-mail: zhaozm@ t sing hua. edu. cn
陈 剑, 等: 光伏系统最大功率点跟踪技术的比较
70 1
作点电压[ 4-5] 。
1. 2 电导增量法的实现
电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬
间电导来改变控制信号。由光伏阵列特性曲线可知 最大功率点处满足电导条件[ 1, 6] :
dP PV dV PV
=
I PV
dV PV dV PV
+
VPV
dI PV dV PV
=
IPV +
V PV
dI PV dV PV
2 系统仿真
根据 M PP T 的控制方法, 建立由光伏电池通过 Buck 电路对蓄电池进行最大功率充电的主电路模 型, 采 用 MAT L AB/ Simulink 进行仿真, 模型中 包 括光伏电池模块、主电路模块和控制模块, 其电气主 电路模型如图 2 所示。
控制部分根据传感器采样获得数据分别采用上 述不同控制方法进行 M PP T 控制, 最后输出开关器 件的控制信号。
70 2
清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
2010, 50( 5)
模糊控制法 M PP T 仿真输出曲线如图 5 所示。
图 3 干扰观测法控制下的 MPPT 仿真输出曲线
同理, 电导增量法控制的 M P PT 仿真输出曲线 如图 4 所示。
图 4 电导增量法控制下的 MPPT 仿真输出曲线
3 系统实验
实验平台由 300 W 光伏阵列、蓄电池组、L EM 霍尔电压电流传感器等组成。系统由传感器采样经 调理电路转换后由 T M S320F 2812 DSP 根据采样数 据和控制算法最终输出 PWM 控制脉冲控制开关器 件, 从而实现整个系统的控制。
实验中采用遮盖部分光伏电池并迅速移开的办 法产生光照变化效果, 测试各种方法在光照强度变 化下的跟踪效果。
Key words: phot ovolt aic pow er syst em ; maximum pow er point t rack ing; pert urb and ob servat ion algorit hm; i ncrement al conductance algorit hm ; f uzzy cont rol
仿真中, 图 4a 上升沿陡、超调量较小, 体现系统 动态响应较好; 图 4b 中 M PP T 运行点较为稳定, 摆动幅度小, 说明系统 M PP T 跟踪效果较为理想, 动稳态精度均较高。
图 5 模糊控制法控制下的 MPPT 仿真 输出曲线
仿真中, 图 5a 电压电流波形输出均较平稳, 说 明系统稳态性能较好; 图 5a 中电流输出超调衰减 较慢, 体现动态响应 不够灵活 的缺点; 图 5b 体现 M PP T 运行点较为稳定。
和隶属度函数经模糊控制器输出决定。定义模糊集
合: ZO= 零 P S= 正小 PB= 正大 NB= 负大 N S=
负小。定义模糊函数 F( ec ( n) , ec( n) ) 的输入输出
隶属度函数 E、CE、dD 如图 1 所示。 对模糊控制器输出 dD 进行积分运算, 即得控
制所需的占空比 D, 输出作用于主电路开关器件。
ISSN 1000- 0054 清华大学学报 ( 自然科学版) 2010 年 第 50 卷 第 5 期 CN 11- 2223/ N J T sing hua U n iv ( Sci & Tech) , 2010, V o l. 50, N o. 5
13/ 35 700- 704
光伏系统最大功率点跟踪技术的比较
ec ( n) =
P ( n) V ( n) -
P(n V(n-
1) 1)
dP dV
,
( 3)
ec( n) = ec ( n) - ec ( n - 1) .
( 4)
定义模糊 控制规则为: 若当前正 向调节控 制
PWM 占空比使输出功率增加, 则继续正方向调整,
反之则反方向调节, 调节幅度由具体的模糊规则表
陈 剑, 赵争鸣, 袁立强, 查澜曦
( 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084)
摘 要: 针对目 前光 伏系 统最 大功 率点 跟踪 ( M P PT ) 技术 研究和应用现状, 根据 控制算 法的不 同分类, 选取 干扰 观测 法、电导增量法、模糊控制法作为研究对象, 分别建立 控制模 型, 采用 M AT LA B/ Simulink 进 行系 统整 体仿 真, 并对 3 类 方法进行实验研究, 将 仿真和 实验结 果进行 分析比 较, 得出 各类 M P PT 控制方 法在稳态控制精度、动态响应 、误判 纠正 及硬件实现要求等方面的量化参数。基于以上量化参数, 结 合各种方法的理论分析和实验波形, 提出各种方法在 实际应 用中的适用条件和 范围, 便 于实际 系统 在众 多 M PP T 实现 方法中合理选取最佳方案。
关键词: 光伏系统; 最大功率点跟踪; 干扰观 测法; 电导增 量法; 模糊控制
中图分类号: T M 615 文章编号: 1000- 0054( 2010) 05-0700- 05
文献标识码: A
Comparison of maximum power point tracking technologies for photovoltaic power systems
根据判定结果调整参考电压即可实现控制。
1. 3 模糊控制法的实现
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
定义输出偏差 E 及其变化率 CE 作为模糊控制 器的输入, 将控制系统所需要的控制变化量以微分
dD 的形式从模糊控制器输出[ 7] 。若当前采样和上
次采样数值分别用 n 和 n- 1 来表示, 则可定义模糊
控制器输入变量 ec( n) 及其变化率 ec ( n) 的函数表 达式为[ 8-10] :
目前主要文献均针对某一特定方法进行研究, 缺乏对各种控制方法实际应用效果的系统化比较研 究, 采用实际控制平台进行实用性研究的则更少。
本文根据方法分类, 选取最具代表性的干扰观 测法、电导增量法、模糊控制法作为研究对象, 分别 建立控制模型, 采用 M AT L AB/ Simulink 对系统主 电路及控制系统进行整体仿真, 并在实验平台上对 各种方法分别进行实验研究。
实验波形如图 6 所示。 图 6a 波形上升沿和下降沿变化迅速, 体现出干 扰观测法跟踪速度较快的特点, 但上升沿和下降沿 均出现电流毛刺, 为光照强度剧烈变化时出现的误 判断引起, 且稳态运行时 输出电流波动范 围较大; 图 6b 上升沿和下降沿均较 为平滑, 体 现动态响应 快、跟踪精度高的优点; 图 6c 中, 当光照突然增大, 电流增加迅速, 但超调较大, 说明动态 响应精度不 够, 系统调节速度较慢, 但电流波形波动较小, 最后 仍能回到初始值, 说明稳态精度理想。
Tsi nghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: M ax imum pow er point t rackin g ( M PPT) t echnologies and t h eir applicat ion s w ere classif ied based on t h e dif f eren ces of cont rol algorit hm s w it h t h ree t ypical met hods analyzed, i. e. t h e pert urb and ob ser ve algorit hm, in crem ent al conductance algorit hm and fu zzy cont rol al gorit hm. Th e cont rol model f or each met hod w as est ablis hed wit h t h e sy st em s imulat ed us ing M A T LA B/ Simul ink. E xperi ment s w ere made t o verif y t he f easibilit y and perf orman ce of t h e met hods. By analyzing an d comparing t he sim ulati on and experiment al result s, t he quant it at ive charact erist ics of each m et hod w ere obt ained, incl uding t h e st eady s tat e accuracy, dynamic resp on se, m isjudgment correct ion an d h ardw are requi rement s. Theref ore, t he r esul t s provide t h e ap plicable condit ions of t h e t hree m et hods f or choosing th e opt imal s cheme in pract ical M PPT appli cat ions .
仿真中, 光伏电池模型额定功率为 300 W, 在 0. 025、0. 03、0. 035 s 不同时刻改变光照 强度 P U 分别为 700、800、900、1 000 W/ m2, 温度参数定为 25 。为便于比较, 采样频率统一为 5 kH z, 干扰 观测法和电导增量法的电压参考值单步变化量均为 0. 1 V, 模糊控制则由控制算法自身判定。
光伏发电将太阳能直接转换成电能, 具有诸多 优点, 应用越来越广。由于光伏阵列输出电压、电流 受外界光照强度、环境温度等因素影响, 呈非线性特 征, 因此如何调整负载特性, 使系统尽可能地实时输 出最大功率, 即为最大功率点跟踪( MP PT ) 技术, 在 光伏系统中尤为重要。
M PP T 技术已成研 究热点, 其 控制方法 多样, 控制效果不尽相同, 实现过程也大有区别。根据文 [ 1- 3] , 可将各种控制方法分为间接近似控制法、直 接采样控制法以及人工智能控制法 3 大类。间接控 制法主要有曲线拟合法、查表法等; 直接采样控制 法主要有干扰观测法、电导增量法等; 人工智能控 制法主要有模糊控制法、神经网络控制法等。