基于动态阻抗匹配和两步模型预测控制的最大功率点跟踪算法.docx

基于动态阻抗匹配和两步模型预测控制的最大功率点跟踪算法付波１，张敏１，李波２，黄英伟３，范秀香１，施阳１（１．湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 ４３００６８；２．湖 北文理学院机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 ４４１０５３；３．温 州市供电局，浙江 温州 ３２５０００）摘要：为提高光伏阵列的能量利用率 ，提 出了一种基于动态阻抗匹配（ＤＩＭ）和 两步模型预测控制（ＭＰＣ）的 最 大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算 法 ，首 先建立光伏状态空间方程 ，计 算 当 前 时 刻 光 伏 系 统 动 态 阻 抗 并 预 测 下 一 时 刻 外部阻抗 ，然 后定义成本函数构建两步模 型 预 测 控 制 器 ，预 测 开 关 管 状 态 控 制 ＤＣ／ＤＣ 电 路 内 部 阻 抗 接 近 外 部阻抗 ，从 而实现光伏发电系统快 速 和 稳 定 地 输 出 最 大 功 率 ，并 通 过 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 软 件 建 立 仿 真 模 型 进 行验证。结果表明 ，该 算法可行 、有 效 ，且 大幅提高了光伏系统最大功率跟踪的快速性和稳定性。关键词：最大功率点跟踪算法；阻抗匹配；模型预测控制；光伏系统；优化控制中图分类号 ：ＴＭ６１５文献标志码 ：Ａ引言模型的配置和特点１２太阳 能 是 目 前 最 具 前途 的一种可再生能 源［１］，由于光伏 阵列输出功率随太阳辐射和 温 度 的改变而改变，为确保光伏阵列的输出效率最大 ， 近年来出 现 了 多 种 最 大 功 率 点 跟 踪 （ＭＰＰＴ）算 法，常见的有 开路 电 压 法［２］、短 路 电 流 法［３］、爬 山 法［４］、扰 动 观 察 （Ｐ＆Ｏ）法［５］ 和 电 导 增 量 （ＩＮＣ） 法［６］等，这些方 法虽在一定程度上能保证光 伏 阵 列的最大功率输出，但在稳定性、快速性以及成本 控制等方面存在不足。２０１３ 年，郑 颖楠等［７］提 出 了非线性等效阻抗匹配 （ＩＭ）法，即 利用内外等效 阻抗匹配误差作为控制变量以获得较好的动态跟 踪性能，该 方法控制简单、反 应速度快，但 较难控 制内部和外部阻抗的匹配精度 ；同年，黄艺等［８］提 出模型 预 测 控 制 （ＭＰＣ）算 法，该 算 法 具 有 非 线 性、多变量控制等良好特性 ，可很好地平衡跟踪速 度和系统稳定性，适用于对模型变量的优化控制 。 鉴此，本 文将动态阻抗匹配 （ＤＩＭ）和 两步模型预 测控制 （ＭＰＣ）相 结合，通 过 ＭＰＣ 模块实时 交 互 最优动态阻抗匹配，预测占空比变化趋势 ，大大提 高了 光 伏 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 的 快 速 性 与 稳定性。系统结构图１为光伏并网发电系统结构图 ，该 系 统 由 ＤＩＭ 模块、ＭＰＣ 模 块 和 控 制 升 压 电 路 来 实 现 最 大功率跟踪。２．１图 １光伏系统结构图 Ｆｉｇ．１ ＰＶｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ光伏电池特性图２ 为 Ｐ－Ｖ 和Ｉ－Ｖ 仿 真 特 性 曲 线，温 度、光２．２强和工作电压变化常导致输出功率的变化。阻抗匹配光伏阵列的内阻抗是动态和非线性 的 ，调 节 升压电路开关管占空比可调节光伏阵列外部阻抗 值。若能实现光伏阵列外阻抗与内阻抗匹配 ，即可获得最大输出功率。典型的升压电路等效拓扑２．３收稿日期 ：２０１４－０５－０９，修 回日期 ：２０１４－０６－０９基金项目：国家自然科学基金项目；湖北省自然科学基金项目（２０１３ＣＦＢ０６３）；武汉市科技攻关计 划项目（２０１３０１２４０１０１０８４５）；湖北工业大学科研基金项目（ＢＳＱＤ１２１０７）；广东省工业攻关项目（２０１１Ｂ０１０１０００３７）作者简介：付波（１９７３－），男 ，教 授 、硕 导 ，研究方向为电力系统自动化 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｕｂｏｆａｎｘｘ＠ｍａｉｌ．ｈｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ第 ３２卷 第 １０期付 波等 ：基于动态阻抗匹配和两步模型预测控制的最大功率点跟踪算法 ·１９５·图 ４光伏阵列的阻抗匹配等效电路 Ｆｉｇ．４ ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｏｆＰＶａｒｒａｙ戴维南定理，将 升 压电路与光伏阵列组合等效为 一个恒电势 源 Ｅ 与 等 效 内 阻ｒ 的 串 联 结 构。 当 负载等效阻抗 ＲＬ 等 于 电 源 内 阻 抗ｒ 时，即 从 电 源传输最大功率到负载。光伏阵列等效阻抗是典型的连续非线性单调阻抗，其预测动态内阻抗定义为：图 ２光伏电池输出特性曲线 ｄｕｒ（６）ｒ＝ｄｉＦｉｇ．２ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｂａｔｔｅｒｙｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅ见 图 ３。 令 光 伏 阵 列 的 输 出 电 压、电 流 分 别 为 ｖＰＶ 、ｉＰＶ ，升 压