基于动态阻抗匹配的单传感器MPPT算法研究_蒋平.pdf

110|电子制作 2023 年 1 月实验研究0 引言 由能源使用而带来的环境污染问题日益严重，寻找新能源已经迫在眉睫。其中，太阳能以清洁，丰富获得人们的青睐。但是，太阳能发电容易受到光照、温度、负载等外界条件的影响，且转化效率较低1。所以提高光伏电池的输出功率，就可以在一定程度上优化光伏系统，增大经济效益2。现在比较常用的算法有开路电压法和短路电流法3，该算法实现简单，跟踪速度也很快。但是该算法只能在特定的外界条件下使用，一旦环境出现变化该算法就会出现误判，造成能源的浪费；扰动观察法4是通过调整输出电压然后比较输出功率来调整占空比的，控制方法相对简单，但是稳定性较差；电导增量法5是通过计算光伏电池输出功率对电压求导的值来调整系统的输出电压，容易发生误判。另外还有模糊控制6、变步长电导增量法7等新型的方法。这些方法在跟踪速度和精度上都有很大的改进，但是大部分需要将光伏电池的输出电压和电流作为反馈量，而且控制方法较为复杂，使得一些算法的实用性较低。为了使系统和算法更加简单，跟踪速度和精度更加完美。本文从减少反馈量入手，提出了一种基于动态阻抗匹配的单传感器的简单 MPPT 算法，最后在 MATLAB/Simulink仿真平台上验证了其可行性。1 光伏电池等效模型光伏电池是由半导体构成的，可以吸收太阳能然后转化为电能8。可以用一个电流源和一个二极管的并联9来等效它的数学模型。其数学模型如图 1 所示。InhRsRshDIDIshIpv+-Vpv 图 1 光伏电池等效模型光伏电池的输出方程为：pvnhDshIIII=(1)exp*1pvpvsDojUI RIIqAKT+=(2)式中：Ipv是对外输出电流；Io 是二极管 D 的反向饱和电流；q 是电子的电荷；K 是波尔兹曼常数；A 是 D 的理想因子；Tj是光伏电池的结温；Upv是对外输出电压10。对图 1 的模型在一定的光照条件下进行 SIMULINK 仿真，得到图 2 所示的光伏电池输出 U-P 曲线。01020304050020406080100P/WU/V 图 2 U-P 曲线由图 2 可以看出光伏电池的输出功率有一个最大点。所以找到这个最大点便可以提高光伏系统的输出功率。2 基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法 2.1 单传感器 MPPT 的算法原理根据戴维南定理，用一个电压源 E 与一个内阻 r 的串联来等效光伏阵列，当且仅当等效输入负载R等于内阻r时2，电路输出最大功率达到最大。由于内阻 r 是非线性的，将其定义为/rPVrdUdI=，Ur 是内阻 r 上的电压。光伏电池的输出电压PVrUEU=，从而可以推出/PVPVrdUdI=。本文采用典型的 BOOST 电路来进行占空比调节，对于 BOOST 电路输入电压 Upv 与输出电压 Uo 之间的关 系 为/(1)OPVUUD=。D 为 占 空 比，假 设 BOOST电路损耗为零，根据能量守恒可以推出等效输入负载基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法研究蒋平1，伍青2，徐自强2(1.成都客车股份有限公司，四川成都，611731;2.电子科技大学，四川成都，611731)摘要：针对现有光伏发电系统的MPPT算法存在反馈量较多、跟踪速度和精度相矛盾等问题，提出一种只需要一个反馈量的简单MPPT算法。该算法在动态阻抗匹配的基础上，只需要将输出电流作为反馈量，利用二分法实现占空比和步长的寻优，使系统能够更快更稳定的追踪到最大点。最后对该算法进行MATLAB/Simulink仿真。结果表明该算法不仅可以减少检测误差，提高跟踪速度精度；还可以减少系统体积，节约成本。关键词：光伏发电系统；最大功率跟踪；动态阻抗匹配；二分法DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.002wwwele169com|111实验研究()2/1PVPVLRUIDR=,即可以推出光伏电池的输出电压Upv 如公式(3)。()2*1*PVPVLPVURIDRI=(3)将占空比 D 看成电流 Ipv 的函数，公式两边同时对电流Ipv 求导并整理，可得如下公式：()()2211PVLPVLPVPVdUdDRD IDRdIdI=+(4)21*1PVPVIrdDRDdI=(5)由图 2 可以看出光伏电池的输出功率有且只有一个最大点，所以公式(5)中一定存在一点使得内阻 r 与等效阻抗R 相等，而该点就是最大功率点。所以可以由公式(5)得出在最大功率点时满足()/1/PVPVdD dIDI=。(1)当()/1/PVPVdD dIDI时，推出内阻 r 大于等效电阻 R，这时就减小占空比增加等效电阻 R。所以该算法通过实时采样光伏电流 Ipv，然后通过不断调整 BOOST 电路的占空比来实现光伏电池的内阻 r 与等效电阻 R 相等，从而实现光伏电池的最大功率追踪。2.2 基于二分法的 MPPT 算法实现采用二分法同时调节占空比和步长的大小，可以提高系统的追踪速度和稳定精度。整个算法的具体步骤如下：(1)先初始化占空比 d0和步长 a0，以及对输出电流 IPV进行采样。先判断环境是否发生突变，如果环境发生突变了就重新初始化占空比 d0和步长 a0，否则就进行步骤 2 的运算。(2)判断PVdI是否为零，如果PVdI等于零则占空比 dk+1不做变化，步长 ak+1等于零；如果PVdI不等于零，则进行步骤 3 的运算。(3)判断()/1/PVPVdD dIDI与是否相等，如果相等则占空比不做任何改变，如果不相等就进一步判断连续两次的步长是否同号。如果 ak与ak-1异号，则说明步长已经跨过最大点功率所对应的步长，就取 dk+1=(dk+dk-1)/2,为了减少波动步长也采用二分法即取ak+1=-ak/2。如果 ak与 ak-1同号就进行步骤 4 的运算。(4)比较()/1/PVPVdD dIDI与()/1/PVPVdD dIDI与的 大 小，如 果()/1/PVPVdD dIDI0ak+1=-ak/2dk+1=(dk+dk-1)/2ak/dIpv(1-dk)/Ipvak+1=-|ak|dk+1=dk+ak+1ak+1=|ak|dk+1=dk+ak+1ak+1=0dk+1=dk返回YNYNYNYNYN图 3 新型 MPPT 流程图3 仿真结果与分析在 MATLAB/Simulink 仿真平台上，搭建基于 BOOST电路的光伏系统仿真模型，如图 4 所示。图 4 光伏系统仿真模型112|电子制作 2023 年 1 月实验研究图 4 中设定仿真参数为：电路为 Boost 直流电路，电感值 L 为 360H，C1、C2均为 1000F；光伏电池的短路电流为 7A，开路电压 24V，UPmax为 20.16V，IPmax为 6.3A。设立仿真条件为：0s 时太阳光强度由 0W/m2突变为 1000 W/m2；0.2s 时太阳光照强度由 1000 W/m2突变为 700 W/m2；0.3s 时太阳光照强度由 700 W/m2突变为 1000 W/m2；0.4s 时负载由 20 突变为 6.67。在该仿真条件下对比了定步长 d=0.01 的电导增量法、新的不对称变步长的电导增量法以及基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法。对不同的算法进行仿真，得到的光伏组件输出功率的仿真结果如图 5 图 7 所示。0.00.10.20.30.40.50306090120150P/Wt/s 图 5 d=0.01 的定步长电导增量法0.00.10.20.30.40.50306090120150P/Wt/s 图 6 不对称变步长电导增量法0.00.10.20.30.40.50306090120150P/Wt/s 图 7 基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法从图 5 和图 7 中可以看出，定步长电导增量法和新型MPPT 算法在负载发生变化时都能重新追踪到最大功率点，但是后者在最大功率的波动明显小于前者；对比图6与图7，不对称变步长电导增量法与新型 MPPT 算法在最大功率点的波动较小，但是当负载发生变化时，不对称变步长电导增量法不能重新跟踪到最大功率点。为了更清楚的对比新型算法的优点，将具体的仿真结果数据制成表 1。其中 t 代表仿真环境变化时跟踪到 MPP 点的时间；Pmax代表环境稳定时的最大功率。从表 1 的仿真数据可知，当光照强度或者负载发生变化时新型 MPPT 算法的追踪速度可以达到 8ms 远远快于另外两种算法。而且新型 MPPT 算法不论在哪种仿真环境下所追踪到的最大功率都比相同环境下的定步长电导增量法和不对称变步长电导增量法大，所以新型 MPPT 算法的效率更高。从流程图 3还可以看出，新型 MPPT 算法的占空比和步长都利用二分法来不断进行调整。不仅控制方法简单，对不同光伏系统的适用性也较强。表1 仿真结果数据定步长电导法变步长电导法新型MPPT0-1000W/m2t/ms1142081000 W/m2Pmax/w12412671271000-700W/m2t/ms192012700 W/m2Pmax/w837183518577700-1000W/m2t/ms2012101000W/m2Pmax/w124126712720-67t/ms20351167Pmax/w1241001274 总结本文提出了基于动态阻抗匹配的单传感器MPPT算法，与传统的定步长电导增量法和新型的不对称变步长电导增量法进行对比，该算法具有如下优势：（1）基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法只需要将输出电流作为反馈量，可以减少由电压反馈带来的检测误差，提高系统精度。尤其是在硬件方面可以减少电压传感器的使用，即节约硬件成本又减少硬件体积。（2）基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法采用二分法同时来改变占空比和步长，二分法来改变占空比可以提高系统的动态性能，快速的追踪到 MPP。二分法用于步长的改变，理论上可以无限减少稳态误差，减少再 MPP 点的波动。算法简单，对不同光伏系统的适用性较强。（3）基于动态阻抗匹配的单传感器 MPPT 算法在跟踪速度和在最大功率点的稳定性上都优于传统算法，尤其是在负载突变时也能较快并准确的跟踪到最大点。（下转第 25 页）wwwele169com|25智能应用当检测到停止投食按键坐标电平发生变化后，控制 PWM 波进而控制舵机的开合角度，关闭投食阀门关闭投食。当检测到返回按键坐标的电平发生变化后，则退回模式选择操作界面。3.2 定时自动控制程序设计在进入自动模式后，首先MCU控制LCD显示屏显示“换水时间”、“定时投食时间”、“投喂重量”、“确定”和“返回”几个选项。在 LCD 屏上置有“+”、“-”按键，当检测到“+”或“-”按键坐标电平变化时，则控制定时换水时间对应增加或减少。同理定时投喂时间和投喂重量设定也是一样的操作过程。当检测到确定按键坐标电屏发生变化后，开始进入到自动控制模式，MCU 控制 LCD 显示屏显示“进入到自动控制模式”，在自动模式下，定时器不断计时，当定时器计时时间达到定时换水时间后，产生中断，检测低位鸭嘴式传感器电平状态时候为 0，若为 0 则 MCU 控制排水继电器打开，若为 1 则关闭注水继电器，持续检测高位鸭嘴式开关电平状态是否为 0，若不为 0 则控制注水继电器打开，若为 0 则控制注水继电器关闭。当定时器计时时间达到定时投食时间后，产生中断，控制舵机旋转打开投食门，单片机与 HX711 重力传感器通信，读取重量数据，当读取重量=原重量-设定重量时，MCU 控制舵机关闭喂食槽。3.3 屏幕显示及报警功能实现当系统正常运行时，显示剩余食物重量，此时重力传感器采集剩余食量数据，并将数据通过 MCU 处理后，显示在显示屏上，如果采集到的重量小于设定的重量时，控制 LCD显示屏显示食物不足警报，当采集到的重量达到或大于设定的重量值时，控制 LCD 显示屏则停止显示食物不足警报。4 系统调试和运行制作完成的系统如图 6 所示。系统经过多次测试，测量数据与实际重量相比整体偏低，原因为 LCD显示重量的最小精度为1g，称重