基于RTDS仿真的最大功率點交叉檢驗的MPPT研究

王耀坤，姜志慧

（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519055）

0 引 言

光伏系統(tǒng)中，光伏板組成陣列可以被看作是直流電流電源，通常需要經(jīng)過直流-交流（DC-AC）逆變器后再接入電網(wǎng)。光伏板的發(fā)電功率是由有效接收的太陽輻射決定的，由于太陽輻射等外界環(huán)境的變動性，需要采取最大功率追蹤（MPPT）來跟蹤最大功率點（MPP）。

目前，已有許多MPPT算法的研究，如固定步長法、擾動觀察法（P&O）和電導增量法（INC）等[1-6]。基于C曲線的可變步長電導增量MPPT算法引入了變化因子，使步長根據(jù)距離MPP的遠近而改變大小，可以在快速跟蹤MPP同時減小MPP的震蕩現(xiàn)象。然而，該算法也存在問題，當PV工作點接近并穿過MPP時，仍會引起明顯的震蕩現(xiàn)象，從而降低光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

因此，本文通過實時數(shù)字模擬器（RTDS）仿真平臺，改進設計并建立了一種具有最大功率點交叉校驗（MPPcrosscheck）的可變步長增量電導MPPT算法，實現(xiàn)了高效和低震蕩的MPPT算法目標。實時數(shù)字模擬器（RTDS）是專門為研究電力系統(tǒng)中的電磁瞬變而設計的設備，是由RTDS硬件和RSCAD軟件組成，可以連續(xù)地計算出并給出近似代表實際電力系統(tǒng)情況的結(jié)果，實時仿真時間步長小[7]。

1 基本原理

1.1 基于C曲線的可變步長電導增量MPPT

由于受到光照、溫度及遮蔽等外部環(huán)境的影響，PV電源的發(fā)電功率總在變動。因此，PV系統(tǒng)需要具有連續(xù)搜索并跟蹤MPP的能力。MPPT基于光伏電源的P-V特性，是一種用于跟蹤最大光伏功率的控制方案，通常由光伏系統(tǒng)的DC-AC逆變器來控制。該算法通過采樣計算相關參數(shù)，控制逆變器，以確保系統(tǒng)達到最高的能量轉(zhuǎn)換效率。MPPT的質(zhì)量往往取決于跟蹤MPP的效率、跟蹤的震蕩幅度以及外部條件變化時的跟蹤速度。

電導增量算法可以快速地追蹤外部環(huán)境的變動，并且具有相對較高的精度和穩(wěn)定性。該算法根據(jù)PV特性曲線的斜率跟蹤MPP，如果斜率為正，意味著PV工作點位于MPP的左側(cè)，反之亦然。一種改進的可變步長電導增量算法，PV工作點距離MPP較遠時步長取最大步長，距離MPP較近時取很小步長，既能快速跟蹤變化，又能顯著降低PV工作點在MPP的震蕩。具體公式為：

其中，Vref為用于實現(xiàn)控制的參考電壓。

基于C曲線的可變步長電導增量算法引入了C曲線：C曲線斜率的正負符號可以用于表示PV工作點距離MPP的遠近。同時，根據(jù)PV曲線的斜率來確定步長Sk。其中Vref為參考電壓、dVref為設定的最大步長。具體公式為：

因此有：

1.2 仿真平臺及算法建模

用于搭建算法的仿真平臺為RTDS內(nèi)建的PV系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 基于RTDS的光伏系統(tǒng)仿真模型

該系統(tǒng)是一個典型光伏系統(tǒng)，由13.2 kV三相輸電線路連接的光伏模塊、電網(wǎng)和動態(tài)負載組成[8]，擁有多個控制端口。在RTDS中構(gòu)建控制算法并設置采樣頻率為40 Hz，最大步長為0.04 kV，C曲線中的N為1。

然而，源于C曲線MPPT的缺陷，實時運行中，PV在MPP附近工作時有明顯的擾動和震蕩。

1.3 基于C曲線MPPT的改進分析

當MPPT實時運行時，用于計算和條件檢查的所有參數(shù)都依賴于直流電壓Vk和光伏電流的采樣，因此實際的PV曲線斜率和Vre曲線斜率是基于采樣的近似值。為了方便分析，規(guī)定條件語句，如下所示：

其中，ΔVk=Vk-Vk-1,ΔPk=Pk-Pk-1,ΔCk=Ck-Ck-1。

當跟蹤MPP時，很難精確地控制PV工作點使其正好落在MPP。因此，Vk和Vref會在MPP的左右兩側(cè)往復震蕩。圖2為PV工作點穿越MPP時的采樣過程。

由圖2可知，當PV工作點穿過MPP時，ΔVk的符號不變。然而，的符號無法確認，因為此時分別位于MPP的兩側(cè)，無法被視為斜率近似值，可以大于或小于從而導致步長的失序。

2 算法改進

2.1 MPP交叉檢驗

表1為PV工作點穿越MPP時的采樣過程。

圖2 PV工作點穿越MPP時的采樣過程

表1 PV工作點穿越MPP時的采樣過程

由表1可知，當PV工作點穿越MPP時，IF3k和IF4k輸出的1或0的概率約為50%，這導致算法在MPP附近追蹤時出現(xiàn)了約為50%的最大步長±m(xù)ax(dVref)，使參考電壓Vref大幅來回震蕩，進而導致光伏輸出功率的大幅波動。為了改進上述算法，本文引入了MPP交叉檢驗（MPPcrosscheck），其定義如下：

在最大步長算法路徑前引入IF3cc，當PV工作點在MPP附近并穿越MPP時，能使步長保持在一個很小的值（Sk），可以避免出現(xiàn)大步長的失序現(xiàn)象。根據(jù)此原理，改進的MPPT算法的邏輯框圖如圖3所示。

圖3 帶有交叉檢查的可變步長電導增量MPPT邏輯框圖

2.2 MPP停止追蹤算法

電導增量MPPT是一種不間斷的追蹤算法，由于控制系統(tǒng)本身的局限性以及光伏系統(tǒng)和外部條件的多重干擾，使得PV系統(tǒng)直流端的電壓難以完全被追蹤和控制。當MPPT在MPP附近工作時，被追蹤和控制的直流回路電壓會在MPP周圍往復交叉移動。因此，加入MPP停止追蹤算法（MPPstop）。綜合MPPcrosscheck與MPPstop的MPPT算法的邏輯框圖如圖4所示。

3 仿真結(jié)果及分析

圖5、圖6與圖7、圖8分別展示了恒定光照強度（1 000 W/m2）下與光照強度階躍變化（400～1 000 W/m2）時幾種MPPT算法的仿真結(jié)果，其中橫軸為時間t/s，縱軸包括PV直流輸出電壓VDCA8、PV直流參考電壓VMMPA和PV直流輸出功率Pin。

3.1 恒定光照強度（1 000 W/m2）

圖5顯示了固定步長MPPT的問題，其中在MPP附近往復追蹤導致了電壓和功率的震蕩。如圖6采用改進的帶交叉檢驗的變步長MPPT算法，明顯使震蕩減小，顯著提高了PV系統(tǒng)直流回路功率（Pin）的追蹤精度和追蹤效率。此外，圖6比圖5具有更高的平均輸出電壓及功率，同時消減了往復追蹤帶來的震蕩。

圖4 MPPcrosscheck和MPPstop的全局結(jié)構(gòu)邏輯框圖

圖5 基于固定步長MPPT的仿真結(jié)果（光強恒定）

圖6 帶有MPPTstop和MPP交叉檢驗的MPPT仿真結(jié)果（光強恒定）

圖7 基于固定步長MPPT的仿真結(jié)果（光強變化）

圖8 帶有MPPTstop和MPP交叉檢驗的MPPT仿真結(jié)果（光強變化）

3.2 光照強度階躍變化（400～1 000 W/m2）

光強階躍變化中，改進的MPPT算法相較于典型的固定步長MPPT算法，其PV直流回路電壓能夠更快接近光強變動后的MPP，同時電壓的震蕩幅度也相對較小，提高了PV系統(tǒng)追蹤日照變化的效率。

4 結(jié) 論

通過基于RTDS的光伏系統(tǒng)的MPPT算法建模和實時仿真，引入了MPP交叉校驗并改進了基于C曲線的MPPT算法，使系統(tǒng)在追蹤電壓并穿越MPP時保持微小的步長，同時MPP停止算法可以消除連續(xù)往復追蹤MPP而引起的電壓及功率的震蕩。仿真結(jié)果表明，改進后的MPPT使PV系統(tǒng)直流端的輸出性能有所提高，使其相較于經(jīng)典的固定步長MPPT算法具有更小幅的功率震蕩和更高的追蹤效率。