基于输入_输出参数的光伏电池最大功率控制的比较.doc

本文由lmj2003126贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2009 年 6 月 第 24 卷第 6 期 电 工 技 术 学 报 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Vol.24 Jun. No. 6 2009 基于输入 - 输出参数的光伏电池 最大功率控制的比较 杨水涛 1 张 帆 1 丁新平 2 钱照明 310027 266520） 1 （1. 浙江大学电气工程学院 2. 青岛理工大学自动化工程学院 摘要 杭州 青岛 根据观测对象的不同，光伏电池的最大功率点跟踪（MPPT）方法可以分为基于输入 参数和基于输出参数两种。为了深入分析两种控制方法的动、静态特性，本文以 Boost 拓扑为最 大功率跟踪电路，选用简单有效的扰动观测方法，利用开关平均法建立系统小信号模型，通过求 解占空比扰动至输入、输出观测对象之间的小信号传递函数，对比分析了基于输入参数和输出参 数 MPPT 系统的动态特性。分析结果利于合理选择最大功率控制方法，优化系统参数，指导占空 比扰动步长和扰动观测周期的选取。 关键词：光伏电池 中图分类号：TM615 最大功率跟踪 输入参数 输出参数 Comprehensive Research on the Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Based on Input Parameters or Output Parameters Yang Shuitao 1 Zhang Fan 1 Ding Xinping 2 Hangzhou Qingdao Qian Zhaoming 1 China China） 266520 （1. Zhejiang University 310027 2. Qingdao Technological University Abstract According to the different observing objects, the widely used photovoltaic maximum power point tracking (MPPT) techniques can be divided to two kinds, which are based on input parameters and output parameters respectively. To comprehensively investigate the performance of these two methods, this paper adopts the popular perturb & observe (P&O) method and develops the small-signal model of a boost MPPT converter using averaged switching method. The transfer functions from variations in the duty cycle to disturbances of the observe objects describes how system parameters influence the dynamic performance, also demonstrates the dynamic performance of each MPPT method. The investigation results are contributed to choose an appropriate MPPT control method, optimize the system parameters, perturb step of the duty cycle and P&O cycle. The theoretical analysis is verified experimentally. Keywords：Photovoltaic cells, MPPT, input parameter, output parameter 电池的输出功率是受日照强度和环境温度影响的非 线性函数。即使在外部环境稳定的情况下，光伏电 池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化。因 此，为了最大限度地利用光伏电池产生的能量，需 要在光伏电池和负载之间串联最大功率点跟踪 （Maximum Power Point Tracking, MPPT）电路。常 收稿日期 2007-11-27 改稿日期 2008-04-24 1 引言 光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源近 年来获得了巨大的发展，如何最大限度地利用光伏 电池产生的能量是光伏利用的基本要求。由于光伏 用的 MPPT 方法有扰动观测法 （Perturb and Observe, 96 电 工 技 术 学 报 2009 年 6 月 P&O） 1-9 ；增量电导法（Incremental Conductance, INC） 10 率。在图 1 中，C1 为输入电容，C2 为输出电容，L 为电感，三者对系统性能有很大的影响。 ；短路电流、开路电压法 9,11 ；纹波关联法 等。其中， （Ripple Correlation Control, RCC） 12-13 扰动观测法由于简单实用，获得了广泛的应用。扰 动观测法的基本思想是：通过扰动光伏电池后级 DC/DC 变流器的工作占空比或者直接扰动光伏电 池的输出电压（或电流） ，然后观测光伏电池输出功 率的变化，根据功率变化的趋势，连续地改变扰动 占空比或者扰动电压（或电流）方向，使光伏电池 工作于最大功率点。 从观测对象来说，MPPT 又可以分为两种：一 种是基于输入参数的 MPPT 2-4 ，该控制方法直接 检测光伏模块的输出电压和电流， 计算光伏模块输 出功率而进行占空比调节， 通过各类寻优的方法来 获得光伏模块的最大输出功率； 另外一种是基于输 出参数的 MPPT 5-8 图1 Fig.1 DSP 控制的 MPPT 系统 DSP controlled MPPT system 电感电流的连续和断续取决于负载和电路参 数，假定在连续状态下设计电感参数为 Dvpv L ?I L fsw 式中 D开关占空比； ?iL电感电流纹波的峰峰值； fsw开关频率。 输入电容和输出电容按以下公式计算 ?iL C1 8?vpv fsw 式中 ?vpv输入电压纹波的峰峰值。 C2 式中 Io D ?Vo fsw ，对绝大多数负载来说，当输 出电压（或电流）达到最大的时候，其输出功率也 达到最大。所以，基于输出参数的扰动观测法只需 要检测单个输出变量（输出电流或输出电压） ，且 不需做乘法运算，不论模拟或者数字实现，都更加 容易。 不少文献都描述了基于输入参数、 输出参数的 MPPT 的实现方法。但很少有文献分析对比两种不 同控制方法的动、 静态特性以及系统参数对动态特 性的影响。本文采用扰动观察法，以 Boost 拓扑为 最大功率跟踪电路，采用扰动观测法，通过建立系 统小信号模型，深入分析了占空比扰动对输入、输 出观测对象的影响，在优化设计电路参数的基础 上，通过理论分析和实验验证，对比分析了基于输 入参数和输出参数 MPPT 系统的动、静态特性。研 究结果可以很好地指导 MPPT 控制方法的选择， 控 制 参 数 的 设 置 以 及 DC/DC 变 流 器 参 数 的 优 化 设 计。 （1） （2） （3） I o稳态输出电流； ?Vo输出电压纹波的峰峰值。 电感的纹 波 电流随电感 L 的增大而 减小，但 是电感的增加会影响系统动态特性，增大变换器 体积和成本。输入电容和输出电容的选取主要根 据相应的电压纹波要求。同样，输入输出电容的 增大有利 于 减小相应 的 输入输出 电 压纹波，但 是， 电容值的增大会增大系统成本，并且，输入输出 电容的增大对光伏电池最大功率跟踪动态特性有 很大的影 响 。值得注意 的是，Boost 电路输出 电 流 断续，输出电流相对输入电感电流而言电流脉动 很 大 ， 且 由 于 普 通 电 容 等 效 内 阻 （ ESR） 对 滤 波 性能的影 响 ，输出电容 的值一般 需 要大于式（3） 。 选取电感 电 流纹波等 于 输入平均 电 流的 10%； 输 入、输出电 压纹波等于 0.5%，结合表中的系 统 参 数，由式（1）式（3）可以计算 得 到 L279H, C 1 9.85F, C 2 1141.1F。实际系统 参数选取 见 下表。 2 系统参数设计 图 1 表示了一个数字信号处理器（DSP）控制 的最大功率跟踪系统，负载是蓄电池，也可以是其 他类型的负载。 由图 1 可知， 输入输出参数通过 DSP 的 AD 端口进行采样：基于输入参数的最大功率跟 踪需要采样光伏电池输入电压 vpv 和输入电流 ipv； 基于输出参数的最大功率跟踪只需要采样输出电流 。当光伏电池通过 Boost 电路给蓄电 io（或电压 vo） 池充电时，输出电压基本保持不变，只需要采样充 电电流，当充电电流最大时，光伏电池输出最大功 第 24 卷第 6 期 表 Tab. 杨水涛等 系统参数 基于输入-输出参数的光伏电池最大功率控制的比较 97 Specifications and parameters of the MPPT system 光伏模块参数 Boost 电路参数 60 17.4 3.43 21.4 4.2 输出电压/V 开关频率/kHz 电感量/H 输入电容 C 1 /F 输出电容 C 2 /F 24 50 280 10 2000 由于环境温度一般变化缓慢，可以认为 T 0， 在日照强度不变的情况下可以得到光伏电池输出电 压、电流关系 ipv = 额定输出功率/W 额定电压/V 额定电流/A 开路电压/V 短路电流/A ipv ?vpv mpp vpv （7） 从式（4）和式（7）可以得到 ? 1 = ? ? Rs + ? I s Vmpp + Rs I mpp 1 e + ? Rh VT VT ? ? ? ? ? ? ? 1 3 系统动态特性分析和比较 在一定日照强度和温度下，光伏电池输出电压 ipv ?vpv mpp =? 1 Rmpp vpv 和电流 ipv 关系可以表示如下 10 ： vpv + Rsipv （8） 1) ? vpv + Rsipv Rh ipv = I H ? I s (e VT （4） 在最大功率点附近有以下关系 vpv = Vmpp + vpv ? ? ? ? ?ipv = I mpp + ipv ? ? ? Ppv = Pmpp + Ppv ? 式中 I H 光电流，取决于日照强度和电池温度； VT 温度的电压当量，只随温度变化； Is光伏电池反向饱和电流，只随温度变 化； 式中 Pmpp = Vmpp I mpp （9） 二极管理想因子； Rs光伏电池等效串联电阻； Rh光伏电池等效并联电阻。 对于给定的光伏电池输出电压 vpv，式（4）为 超越方程，无法直接求解。为了分析系统的动态特 性，先假设系统在某一恒定的光照下，稳定工作于 最大功率点附近，以下分析都基于此假设。因此可 以得到光伏电池输出功率 P (t ) ? 2 vpv (t ) ? ? ? ? P = Vmppipv + vpv I mpp + ipv vpv ? pv Vmpp ? v2 ? ? ? （10） = vpv ? I mpp ? ? + ipv vpv = ? ? ? Rmpp ? Rmpp ? 式（9）和式（10）是一个不论何种最大功率跟 踪电路拓扑都成立的结论。所以，基于输入参数的 最大功率跟踪系统动态特性的研究，从占空比扰动 至光伏电池输入功率的关系可以转化为研究从占空 Rmpp （5） 比扰动至光伏电池输入电压关系的研究。所以，以 下章节将根据小信号模型详细分析基于输入参数 （光伏电池输入电压）和基于输出参数（输出电压 或电流）的最大功率跟踪电路动态特性。 对开关管作开关平均，图 1 所示的基于 Boost 电路的最大功率跟踪控制系统等效小信号模型如图 2 所示，假设电路带电阻性负载 Rload。与传统 Boost 电路的小信号模型相比，在输入端增加了一个由输 入电阻和电容构成的无源网络。 式中 Rmpp光伏电池最大功率点等效内阻， Rmpp=Vmpp/I mpp； Vmpp, I mpp光伏电池最大功率点电压和电流。 由于假设光伏电池工作于最大功率点附近，可 以得到输出电流、输出电压、日照强度和环境温度 的扰动量的线性化模型 2 ipv = ?ipv ?vpv mpp vpv + ipv ?s mpp s+ ipv ?T mpp T （6） 式中 ipv 光伏电池输出电流； vpv 输出电压； s 日照强度； ? 温度在稳态工作点附近的小信号扰动。 T 图2 Fig.2 系统小信号模型 Small-signal model 98 电 工 技 术 学 报 2009 年 6 月 对于 Boost 电路，在最大功率点有以下稳态关 系 14 3.2 基于输出参数的 P&O 动态特性分析 基于输出参数的扰动观测法是根据输出电流 1 ? D = D ? ? 2 ? Rin = Rload D = Rmpp ? ? I pv = Vpv / Rmpp = DVo / Rmpp ? （或电压）的变化，来改变占空比扰动方向，使输 （11） 出功率达到最大。由图 2 可以得到输出电压的扰动 量为 v v ? ? ? ? vo = Gd o ( s )d + Gv o ( s )vpv + Givo ( s )io pv o 3.1 基于输入参数的 P&O 动态特性分析 根据式（10） ，对基于输入功率的扰动观测法的 （14） v 式中， Gd o ( s ) 是占空比至输出电压的小信号传递函 动态特性分析可以转化为对光伏电池输入电压的研 究。根据图 2 可以得到 v ? ? vpv = Gd pv ( s )d v ? + Gi pv ( s )io o 数，表示占空比扰动直接引起的输出电压变化； v Gv o ( s ) 是 光 伏 电 池 输 入 电 压 至 输 出 电 压 的 小 信 号 pv （12） 传递函数， 表示光伏电池输入电压变化引起的 Boost 输出电压变化； Givo ( s ) 表示负载电流至输出电压的 o 式（12）表明，当负载突变或占空比扰动都可 能引起光伏电池输入电压变化，当然，日照强度和 温度变化也会引起光伏电池输入电压变化，所以扰 动观测法可能在快速变化的环境中和负载扰动的条 件下逻辑混淆，导致扰动方向不正确。在只有占空 比扰动的条件下，Gi pv ( s ) = 0 ，从图 2 可以得到占空 o 传递函数。式（14）说明占空比的扰动、光伏电池 输入电压的变化、负载突变时的电流扰动都会引起 输出电压的变化。同输入参数的扰动观测法一样， 当日照强度等环境快速变化，或者负载快速切换时 对输出电压的影响都会导致扰动观测法逻辑混淆， 出现扰动方向错误。在不考虑负载电流扰动的情况 下，认为 Givo ( s ) =0，式（14）变为 o v 比扰动至光伏电池输入电压的传递函数为 Gd pv ( s ) = =? v vpv ? d Co Rmpp s + 2 D 2 o 2 D L ? + Co Rmpp + D 2Ci Rmpp ? s + 2 D 2 LCi Co Rmpp s 3 + (Co + D 2 Ci ) Ls 2 + ? ? Rmpp ? ? ? Vo v v ? ? ? vo = Gd o ( s )d + Gv o ( s )vpv pv （15） （13） 对 v Gd pv ( s ) 动态特性影响最大的参数是输入电容 C1 v 由图 2 可以得到占空比扰动至输出电压的传递 函数如式（16） ；光伏电池输入电压至输出电压的传 递函数如式（17） 。 Gd o ( s ) = =? v 的值，图 3 表示了不同输入电容下 Gd pv ( s ) 的单位阶 跃响应，可以看出，输入电容值越大，系统阶跃响 应的超调量 Mp 和调整时间 T s 都会随之增加。对于 扰动观测法来说，占空比扰动的周期值必须大于调 整时间，否则瞬态的输入功率变化会影响最大功率 跟踪的逻辑判断，导致跟踪出现较大振荡，甚至不 稳定。按式（2）选取输入电容等于 10F，从图 3 中可以看出系统调整时间大约为 0.2ms。另外，输 出电容 C2 对 v Gd pv ( s ) vo ? d LCi s 2 + ( L / Rmpp ? Ci Rmpp ) s D 2 L ? LCi Co Rmpp s 3 + (Co + D 2 Ci ) Ls 2 + ? + Co Rmpp + D2 Ci Rmpp ? s + 2 D 2 ? Rmpp ? ? ? D Vo （16） v v Gv o ( s) = o pv ? vpv =? D 2 ? D 2 L ? + Co Rmpp + D2 Ci Rmpp ? s + 2 D 2 LCi Co Rmpp s 3 + (Co + D2Ci ) Ls 2 + ? ? Rmpp ? ? ? 几乎没有影响。 （17） 式（16）对应的波特图和单位阶跃响应如图 4a 和图 4b 所示, 从图 4a 可以看出，占空比至输出电 压的传递函数在全频率范围内增益都非常低 （?20dB） ，单位阶跃响应在经过非常短暂的瞬态 调整后削减到接近于 0，所以占空比扰动对输出电 压的直接影响非常小，可以忽略，这点与传统的 图3 Fig.3 Gd pv ( s ) 的单位阶跃响应 v Step responses Gd ( s) pv v Boost 电路有很大区别。图 5 表示了光伏电池输入 v 电 压 至 输 出 电 压 的 传 递 函 数 Gv o ( s ) 的 单 位 阶 跃 响 pv 应。 输出电容 C2 对输入电压至输出电压的传递函数 第 24 卷第 6 期 杨水涛等 基于输入-输出参数的光伏电池最大功率控制的比较 99 的动态特性影响很大，从图 5 中可以看出，输出电 容越大，输入电压至输出电压的动态响应越慢，其 单位阶跃响应达到稳态时间越长。 v 池的输入电压变化又会通过 Gv o ( s ) 引起输出电压的 pv 变化。该过程可以用图 6 来说明。 Fig.6 图 6 占空比扰动对输出电压的影响 Influence of variations in duty cycle on output voltage v 综上所述，基于输入参数的扰动观测法，占空 比的扰动通过 Gd pv ( s ) 影响到输入参数（光伏电池输 入电压） ，其动态特性主要受输入电容 C1 影响，输 （ a ）频率响应 入电容 C1 值越小，其动态响应可以越快；而基于输 出参数的扰动观测法，占空比的扰动直接通过 v Gd o ( s ) 对输出几乎没有影响，而需要先通过 Gd pv ( s ) v 影响光伏电池的输入电压，电池的输入电压变化再 v 通过 Gv o ( s ) 间接引起输入输出参数的扰动。观测法 pv 动态特性不仅受到输入电容 C1 影响， 而且受到输出 电容值越大， 动态响应越慢。 Boost 在 电容 C2 影响。 电路中， 输出电容 C2 值一般远大于输入电容 C1 值， 所以基于输出参数的扰动观测法动态响应必然比基 于输入参数的扰动观测法慢很多。 （ b ）单位阶跃响应 图4 Fig.4 v Gdo ( s ) 的频率响应和单位阶跃响应 o 4 实验验证及其性能分析 对于采用扰动观测法的最大功率跟踪系统，为 v Bode diagrams and step responses of Gd ( s) 了减小在稳态工作点附近的振荡，需要减小扰动步 长，但是扰动步长的减小导致每个扰动周期观测对 象的变化量减小，使控制逻辑容易受到信号噪声和 采样误差的干扰而判断错误。对采样信号进行低通 滤波虽然能有效地降低干扰， 但是会同时引入延时。 为了解决上述问题，本文基于输入参数的扰动观测 法的程序流程如图 7 所示，基于输出参数的扰动观 测法只需要将图 7 中观测的对象由输入功率更改为 输出电压 （或电流） 图 7 中?D 为扰动占空比， 。 Slope 图5 Fig.5 不同输出电容下 Gvv ( s) 的单位阶跃响应 o pv o pv 取 1 或者?1，代表着占空比扰动的方向。为了能够 在小占空比扰动的情况下准确地采样到观测对象的 变化而又不引入控制延时，采用与开关频率相同的 高采样频率，每 N 个开关周期的采样结果平均之后 进行比较，根据比较的结果判断 Slope 的符号以决 定扰动方向。也就是说，图 7 所示的扰动观测法中 采用高等级采样频率（fsw ）与稍低等级的扰动频率 ，N 的取值可以越小，系统动态响应越快， （fsw /N） Step responses of Gvv ( s) with different output capacitors 从图 4 和图 5 可以看出，基于输出参数的扰动 观测法, 与传统 Boost 电路不同的是，由于输入无 源阻抗网络的存在。占空比的扰动对输出电压的直 接影响非常小，但是占空比的扰动通过 v Gd pv ( s ) 影响 光伏电池的输入电压，由于功率平衡关系，光伏电 100 电 工 技 术 学 报 2009 年 6 月 系统搜寻到最大功率点的过程越快，不过 N 的取值 受到前文中论述的系统动态特性限制。采用 N 次平 均后的值作比较可以有效地避免瞬态过程的影响和 减小 DSP 的 AD 采样误差。 启动时刻输入电压和电流， 输出 压 vpv 的稳态波形。 电压和电流波形如图 9 所示。为了进一步检验系统 的动态响应， 10 是电阻性负载从 10?切换到 20? 图 时输入电压和电流，输出电压和电流波形。从实验 结果可以看出，基于输入参数的最大功率跟踪稳态 振荡非常小，且在启动时刻或在负载扰动情况下快 图8 Fig.8 基于输入参数控制的 MPPT 稳态波形 Experimental results during operation in steady state: P&O MPPT via input parameters 图7 Fig.7 基于输入参数的扰动观测法程序流程 Flowchart of the P&O algorithm via input parameters 为了有效地减少最大功率跟踪在稳态工作点附 近的振荡，采用小扰动步长?D=1/400；采样频率 fsa 等于开关频率，fsa =500kHz。本文对基于输入参数 和输出参数的最大功率跟踪进行了对比实验以验证 两者的动、静态特性。控制算法采用 16 位 DSP 芯 片 TMS320LF2407A 实现， 该芯片具有 10 位 AD 采 样和较高的处理速率（40MIPS） ，能够实现各种灵 活的控制策略。实验系统的参数见表。 基于输入参数的实验中，N=10，可以得到扰动 周期 TVD = N / fsw = 200s 。对比图 3 中的 Gd pv ( s ) 阶 跃响应，T VD 的值略大于阶跃响应调整时间，所以 扰动观测法的逻辑不会因为瞬态的影响而做出错误 的判断。同时，可以计算出占空比从 0100%变化 所需要的搜寻时间等于 80ms，该响应速度足够快， 可以适应各种快速变化的天气情况。基于输入参数 的最大功率跟踪实验结果如图 8图 10 所示，图 8 给出了负载接 24V，容量为 100Ah 铅酸蓄电池时的 驱动信号 Vg，电感纹波?I L，输入电流 ipv，输入电 Fig.10 图 10 电阻切换时输入、输出电压和电流波形 （10?20?）：基于输入参数 Experimental results during load transients （10?20?）: P&O MPPT via input parameters v 图9 Fig.9 启动时刻的输入、输出电压和 电流波形：基于输入参数 Experimental results at start-up instant: P&O MPPT via input parameters 第 24 卷第 6 期 杨水涛等 基于输入-输出参数的光伏电池最大功率控制的比较 101 速地搜寻到最大功率点，具有较好的动、静态特性。 能够适应快速变化的天气情况。 基于输出参数的最大功率跟踪实验结果如图 11图 13 所示。据 3.2 节的分析，基于输出参数的 最大功率跟踪系统动态响应由于同时受到输入、输 出电容的影响，且输出电容值一般远大于输入电容 值，所以，其动态响应较慢。图 11 表示当 N=10 和 N=40 时基于输出参数控制的输入电压和电流、 输出 电压和电流波形，表明了过高的扰动频率会导致系 统出现较大的振荡。实验表明 N100，系统可以稳 定工作。由于基于输出参数的最大功率试验稳态波 形与图 8 所示的波形没有太大的差别，限于篇幅原 因，本文省略了基于输出参数的最大功率跟踪稳态 波形。启动时刻输入电压和电流，输出电压和电流 波形如图 12 所示；图 13 表示电阻性负载从 10?切 换到 20?时输入电压和电流， 输出电压和电流波形。 从图 12图 13 可以看出，启动时刻和负载切换时 候，系统搜寻到最大功率点时间大于 200ms，大约 为基于输入参数的最大功率跟踪响应时间的 10 倍， 这也与两者分别采用的扰动频率之比一致。 Fig.12 图 12 启动时刻的输入、输出电压和 电流波形: 基于输出参数 Experimental results at start-up instant: P&O MPPT via output parameters 图 13 Fig.13 电阻切换时输入、输出电压和电流波形 （10?20?）:基于输出参数 Experimental results during load transients （10?20?）: P&O MPPT via output parameters 5 (a) N=10 结论 本文以基于 Boost 拓扑的光伏电池最大功率跟 踪系统为例，用开关平均法建立了系统在最大功率 点的小信号模型，通过求解占空比扰动至输入、输 出观测对象之间的小信号传递函数，对比分析了两 种不同控制方法的动态特性以及系统参数对动态特 性的影响。通过理论分析和实验验证了：基于输入 参数的扰动观测法可以通过合理选择扰动步长和扰 动周期，有效减小系统在稳态工作点附近的振荡， 同时保持快速的动态响应，具有良好的动、静态特 性，适应各种快速变化的天气情况。而基于输出参 数的扰动观测法， 由于只需要检测单个输出变量 （输 出电流或输出电压） ，且不需做乘法运算，不论模拟 或者数字实现，具有容易实现的优点，但是，占空 比的扰动对输出参数几乎没有直接影响，而需要先 通过影响光伏电池的输入电压，电池的输入电压变 化再间接引起输出电压的变化。基于输出参数的扰 (b) N=40 图 11 Fig.11 不同扰动周期下的基于输出参数控制的 输入、输出电压和电流波形 Experimental results with different P&O cycle: P&O MPPT via output parameters 102 电 工 技 术 学 报 2009 年 6 月 动观测法需要多经过一个输入电压至输出电压的环 节，其动态响应大约比基于输入参数的扰动观测法 慢一个数量级，适合低成本和对天气变化要求不高 的场合。 参考文献 1 Xiao Weidong, Nathan Ozog, William G Dunford. 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