肖文波 余曉鵬

摘 ?要： 將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗課程，有利于提高教學質(zhì)量，為此，文中討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結(jié)果對比研究上述方法，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，其特點是震蕩中搜索電池輸出最大功率點;電導(dǎo)增量法的特點是平穩(wěn)且快速的搜索到最大功率點。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺的開發(fā)提供一種途徑。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電; 最大功率點跟蹤; 仿真平臺; 擾動觀察法; 電導(dǎo)增量法; Matlab

中圖分類號： TN830.4?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）12?0104?04

Abstract： The application of the virtual simulation technology in experimental courses can help to improve the teaching quality. Therefore， the principles of the perturbation observation method and conductance increment method are discussed in this paper for the maximum power tracking algorithm of the photovoltaic system， for which the simulation platform is established with the Matlab/Simulink. The above methods are comparatively researched by the simulation. The results show that the tracking algorithm of the perturbation observation method is simple and has the characteristics of searching the maximum power point output by the battery during oscillation， and the conductance increment method has the characteristic of searching the maximum power point stably and fast. The research can provide an approach for the simulation platform development of the photovoltaic power generation technology.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; simulation platform; perturbation observation method; conductance increment method; Matlab

0 ?引 ?言

隨著國家重視并開展虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)，許多學校重視并開發(fā)虛擬仿真實驗[1?3]。虛擬仿真實驗教學注入了新的活力，不僅避免了實驗條件等限制，又可以擴展實驗內(nèi)容，讓學生有機會獨立開展更多的探索性、研究性實驗，同時緩解實驗內(nèi)容與學時之間的矛盾，還有利于學生掌握現(xiàn)代仿真軟件工具、培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力[4?8]。最近，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，許多高校開設(shè)了相關(guān)課程。但是光伏發(fā)電本身具有非線性和時變性，無法建立精確的數(shù)學模型，且受外界天氣因素影響巨大[9]，所以相關(guān)理論教學難以形象闡述這部分教學內(nèi)容，尤其是光伏發(fā)電量最大功率點跟蹤技術(shù)[10]。由此，開發(fā)光伏發(fā)電最大功率點跟蹤仿真技術(shù)的平臺，對于教學十分重要[11?12]。

為此，本文討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結(jié)果對比研究，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，采樣的精度要求低且跟蹤速度較快;電導(dǎo)增量法可快速穩(wěn)定工作在最大功率點且輸出平穩(wěn)，但是對采樣的精度要求較高。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺開發(fā)提供一種途徑。

1 ?最大功率點跟蹤算法的原理

光伏發(fā)電最大功率點跟蹤原理是在給定條件下讓電池產(chǎn)生的電能高效地傳輸給負載，使系統(tǒng)的能量利用率盡量的提高。基本原理如圖1所示，圖中橫坐標是電池輸出電壓（V），縱坐標是電池輸出功率（P）。通過對比電池當前輸出功率與前一次功率的大小，判斷電池輸出最大功率的方向;然后通過增加或減少負載的大小調(diào)整輸出電壓，以達到電池輸出功率最大。

圖1 ?最大功率點跟蹤示意圖

目前，光伏發(fā)電最大功率點跟蹤算法大體可以分為擾動觀察法、電導(dǎo)增量法及其相關(guān)改進算法[13]。常用的有兩種就是擾動觀察法和電導(dǎo)增量法。擾動觀察法又稱為爬山法[14]，該方法原理簡單，其主要原理是通過不斷擾動光伏系統(tǒng)當前輸出電流或者電壓，采集擾動后的輸出電流和電壓并計算輸出功率，將輸出功率與前一次的功率進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來判定下一次的擾動方向。電導(dǎo)增量算法[15]是以電導(dǎo)和瞬時電導(dǎo)的比較確定最大功率點位置，具體是依據(jù)輸出功率與電壓曲線的斜率判斷：如果斜率大于0，那么輸出電壓應(yīng)該在最大功率點的左邊曲線;如果斜率小于0，那么是在最大功率點的右邊曲線;如果斜率等于0，那么正好為最大功率點輸出（也即滿足電流對電壓的導(dǎo)數(shù)等于負的電流除以電壓：[dIdV=-IV]）。下面對擾動觀察法和電導(dǎo)增量法具體流程進行說明。

擾動觀察法判斷流程如圖2所示。

具體過程如下：控制器首先采集2個相鄰時刻的電壓和電流V（k），I（k），V（k-1），I（k-1），然后分別計算出它們的功率P（k），P（k-1）。通過求兩功率之差dP=P（k）-P（k-1）來判斷下一步擾動的方向。如果dP>0且V（k）-V（k-1）>0，則電壓向右邊擾動一個步長V（k）= V（k）+ΔV（ΔV是擾動步長）;其他情況類似，直到找到最大功率點。

圖2 ?擾動觀察法流程圖

電導(dǎo)增量法具體跟蹤過程如圖3所示?？刂破魇紫炔杉硶r刻的電壓V（k）和電流I（k），然后計算出此時電壓、電流微分dV，dI。通過dV，dI與0及[dIdV=-IV]比較來判斷下一步擾動的方向。當[dIdV=-IV]時，說明正工作在最大功率點;當[dIdV>-IV]時，說明在最大功率點的左邊，此時增加一個固定電壓值V（k）=V+ΔV;當[dIdV<-IV]時，表明在最大功率點的右邊，此時減小一個固定電壓值V（k）=V-ΔV。

圖3 ?電導(dǎo)增量法的流程圖

2 ?仿真電路圖

通過Matlab/Simulink模塊建立擾動觀察法和電導(dǎo)增量法的仿真圖。擾動觀察法的算法思想是：由輸出功率值的變化決定下一步占空比的變化方向。如果功率增加，則搜索方向不變;如果功率減小，則搜索方向相反。具體電路仿真如圖4所示。

電導(dǎo)增量法的算法思想是：由[dIdV]與[-IV]之間的關(guān)系來決定下一步占空比的變化方向。如果[-dIdV=IV]，則搜索方向不變;如果[-dIdV=IV]，則搜索方向相反。具體電路仿真圖5所示。

圖4 ?擾動觀察法電路模型圖

圖5 ?電導(dǎo)增量法電路模型圖

3 ?仿真結(jié)果討論

設(shè)置光伏電池短路電流Isc=4.75 A、開路電壓Voc=21.25 V、最大功率點處的電流Im=4.51 A、電壓Vm=17.25 V為初始數(shù)據(jù)，仿真時間段為0.4 s。在0 s，0.1 s，0.2 s， 0.3 s時刻電池所處環(huán)境條件分別為1 200 W/m2，25 ℃;900 W/m2，25 ℃;600 W/m2，25 ℃;1 000 W/m2，25 ℃。記錄光伏電池的最大功率輸出數(shù)據(jù)，以及擾動觀察法、電導(dǎo)增量法最大功率跟蹤數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 ?仿真結(jié)果

從圖6可以看出，在相同的光強和溫度條件下，不同方法尋優(yōu)達到最大功率點跟蹤的速度不同。電導(dǎo)增量法比擾動觀察法更快搜索到電池輸出最大功率點并穩(wěn)定下來;而擾動觀察法總是在震蕩中搜索電池輸出最大功率點。此外， 還發(fā)現(xiàn)在環(huán)境條件改變的情況下，電導(dǎo)增量法也能平穩(wěn)地搜索到最大功率點。由此可以說電導(dǎo)增量法性能優(yōu)于擾動觀察法。

4 ?結(jié) ?論

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗課程，有利于提高教學質(zhì)量。為此，本文討論光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導(dǎo)增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結(jié)果對比研究上述方法，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，其特點是震蕩中搜索電池輸出最大功率點;電導(dǎo)增量法的特點是平穩(wěn)且快速地搜索到最大功率點。該研究為光伏發(fā)電技術(shù)的仿真平臺的開發(fā)，提供一種途徑。

參考文獻

[1] 王本永，劉春生，孫月華.液壓與氣壓傳動課程虛擬樣機仿真教學探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2013（5）：56?57.

WANG Benyong， LIU Chunsheng， SUN Yuehua. Research on virtual prototype simulation teaching of hydraulic and pneumatic transmission course [J]. Heilongjiang education （Higher education research & appraisal）， 2013（5）： 56?57.

[2] 顧曉薇，王青，楊天鴻，等.東北大學采礦工程國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)與實踐[J].教育教學論壇，2016（10）：141?143.

GU Xiaowei， WANG Qing， YANG Tianhong， et al. Construction and practice of national virtual simulation experiment teaching center of mining engineering in Northeastern University [J]. Education teaching forum， 2016（10）： 141?143.

[3] 周世梁.基于We平臺的核電廠仿真綜合實驗教學指導(dǎo)模式[J].物理實驗，2017，37（11）：34?35.

ZHOU Shiliang. The guidance mode for comprehensive experimental teaching of nuclear power plant simulation based on the We platform [J]. Physics experimentation， 2017， 37（11）： 34?35.

[4] 馬勇，查國翔，王聰.電力電子教學虛擬仿真實驗平臺的搭建與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（12）：63?65.

MA Yong， ZHA Guoxiang， WANG Cong. Construction and research of virtual simulation platform for power electronics teaching [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（12）： 63?65.

[5] 張瑤，劉樹青，吳金嬌.仿真實驗在實踐教學中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（23）：14?15.

ZHANG Yao， LIU Shuqing， WU Jinjiao. Application of simulation experiment in practical teaching [J]. China modern educational equipment， 2015（23）： 14?15.

[6] 彭芳麟，梁穎，劉振興.在計算物理基礎(chǔ)課中用Matlab培養(yǎng)學生的編程能力[J].大學物理，2013，32（9）：9?14.

PENG Fanglin， LIANG Ying， LIU Zhenxing. How to develop students′ programming abilities for computation with Matlab in courses of computational physics？ [J]. College physics， 2013， 32（9）： 9?14.

[7] 趙法剛，周海濤，楊保東，等.現(xiàn)代物理虛擬仿真實驗中心建設(shè)的探索與實踐[J].實驗室科學，2016，19（4）：178?181.

ZHAO Fagang， ZHOU Haitao， YANG Baodong， et al. Exploration and practice of the modern physics virtual simulation experiment center [J]. Laboratory science， 2016， 19（4）： 178?181.

[8] 尹志會.利用現(xiàn)代信息技術(shù)改善大學物理教學淺析[J].教育與職業(yè)，2014（5）：131?132.

YIN Zhihui. Using modern information technology to improve college physics teaching [J]. Education and vocation， 2014（5）： 131?132.

[9] 楊詩晨，劉燦，徐鐵鋼.太陽能電池特性的研究：一項有意義的創(chuàng)新研究實驗[J].物理與工程，2014，24（2）：69?72.

YANG Shichen， LIU Can， XU Tiegang. Research on characteristic of solar battery： a significant innovation research experiment [J]. Physics and engineering， 2014， 24（2）： 69?72.

[10] LOUKRIZ A， HADDADI M， MESSALTI S. Simulation and experimental design of a new advanced variable step size incremental conductance MPPT algorithm for PV systems [J]. ISA transactions， 2016， 62： 30?38.

[11] 張麗萍，朱堯富，馬立新.仿真技術(shù)在光伏系統(tǒng)功率跟蹤中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（8）：114?117.

ZHANG Liping， ZHU Yaofu， MA Lixin. Application of simulation technology in the PV system power tracking [J]. Experimental technology and management， 2014， 31（8）： 114?117.

[12] 蘇婷，王金梅，臺流臣.改進電導(dǎo)增量法在提高光電轉(zhuǎn)換效率中的研究[J].自動化儀表，2012，33（12）：1?4.

SU Ting， WANG Jinmei， TAI Liuchen. Research on enhancing efficiency of photoelectric conversion by improving conductance incremental algorithm [J]. Process automation instrumentation， 2012， 33（12）： 1?4.

[13] KARAMI N， MOUBAYED N， OUTBIB R. General review and classification of different MPPT techniques [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2017， 68（1）： 1?18.

[14] 劉軍.光伏陣列MPPT擾動觀察法的分析與改進[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（3）：243?244.

LIU Jun. Analysis and improvement of photovoltaic array MPPT perturbation observation method [J]. Electronic technology & software engineering， 2016（3）： 243?244.

[15] LIU Yihua， CHEN Jinghsiao， HUANG Jiawei. A review of maximum power point tracking techniques for use in partially shaded conditions [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2015， 41： 436?453.