MPPT算法在直流微网功率分配的应用研究

王子豪;卢子广;朱沙;周明雨

【摘 要】Aiming at the power output allocation problem that the power sharing control strategy in the traditional DC microgrid which using the distributed power converters cannot make outer power allocation arbitrarily,an intelligent BOOST circuit based on MPPT algorithm and load current feed-forward method is used to realize the arbitrary regulation of the output power of the PV panels in the DC microgrid system.The simulation and experimental results show that the proposed method can realize arbitrary power output from the distributed generators by comparing with the traditional distributed generators power-sharing method.%针对传统的直流微网结构中分布电源变流器多采用功率均分的控制策略而不能实现输出功率任意分配的情况,采用了基于MPPT算法与负载电流前馈的智能型升压控制器,实现了太阳能光伏电池板在直流微网系统中输出功率的任意调节.仿真和实验结果表明,与传统的分布电源功率均等输出的控制方法相比,该控制方法可以由分布电源输出任意功率.

【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2018(043)002 【总页数】8页(P6-553)

【关键词】直流微网;光伏发电;MPPT;功率分配 【作 者】王子豪;卢子广;朱沙;周明雨

【作者单位】广西大学 电气工程学院,广西 南宁530004;广西大学 电气工程学院,广西 南宁530004;广西大学 电气工程学院,广西 南宁530004;广西大学 电气工程学院,广西 南宁530004 【正文语种】中 文 【中图分类】TM615 0 引 言

新时代的能源危机与环境保护的重重压力使人们对新能源发电技术的需求日益迫切[1]。于是，分布式新能源发电组成的微电网系统得到了社会各界的重视与支持。现代家用电器多为低压、小功率的直流负载。于是，小型低压直流微网受到越来越多的关注[1]。

传统的直流微网结构多采取等电压、等电流的各支路功率相等的功率均分模式。据文献[2]，采用平均电流模型可得到各DC/DC变换器输出均等电流；据文献[3]，采用有源DC/DC模块也可得到均流输出。但上述方法只能实现各分布电源的均等功率输出，无法实现直流微网系统中各分布电源的任意功率分配。

本文基于以上直流微网中的均流方法并作了改进，将负载电流前馈方法结合变步长增量电导MPPT算法应用于电流新型智能升压电路，并将其应用于由磷酸铁锂电池与光伏电池板组成的两端低压直流微网系统中，以实现磷酸铁锂电池与光伏电池板输出功率的自由分配。最后，通过Matlab仿真并制作了基于DSP28335控制的智能型升压电路，验证了方法的正确性与有效性。 1 直流微网系统结构

直流微网系统结构如图1所示。其中，2个分布式直流电源DC1到DC2经过各自DC/DC变换器后与直流微网相连；2个分布式交流电源AC1到AC2经过各自的

AC/DC变换器相连后与直流微网相连。负载端为2个直流负载R1和R2与2个交流负载Z1到Z2。直流负载与直流传感器R相连，可测得直流负载的电压、电流、温度等信息。交流负载与交流传感器Z相连，可测得交流负载的电压、电流、相位与温度等信息。传感器与控制器相连，将测得信息反馈到控制器，控制器将收集信号处理后改变DC/DC、AC/DC变换器的占空比，以调整各分布电源的输出功率。

图1 直流微网结构Fig.1 DC microgrid structure 1.1 磷酸铁锂电池模型

磷酸铁锂电池(LiFePO4)具有比能高、价格适中、输出电流大、技术成熟等优点，故在微电网中作为储能、稳压设备等被广泛使用。本研究用磷酸铁锂电池作为直流母线稳压电源。

磷酸铁锂电池用磷酸铁锂作为正极，内部由正负极、电解液和隔膜组成[4]。其放电时化学式为：FePO4+xLi++xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4。由化学式可知该电池反应可逆且不存在金属沉淀现象，可持续输出大电流。

如图2所示，E0为理想电压源，Rr为极化内阻并与电容Cr并联，R0为欧姆内阻；E0为磷酸铁锂电池的开路电压，Ub为电池的端电压，R0为非接触电阻；Rr为电池中电化学和浓度极差化内阻，与Cr并联构成了阻容电路。 由基尔霍夫定律可得： E0-Ub-IbR0-IrRr=0， (1)

dUcr/dt=(Ib-Ir)/Cr。 (2)

从式(1)中可以看出，铅酸铁锂电池的端电压可表示为开路电压减去内部压降之和。可见，在磷酸铁锂电池外部并联电容稳压、滤波后，其开关电源电压环截止频率远

大于电池的电压变换速率。因此，相比于其他电源，如风电、光伏等分布电源，磷酸铁锂电池可作为直流母线稳压源。 1.2 光伏电池板模型

太阳能光伏发电具有清洁性、可再生性以及取之不尽、用之不竭等特点，是最有发展前景的能源[5]。基于光生伏特效应原理的光伏电池板在光照强度一定时可以看成一个恒流源与一只二极管并联。其等效模型如图3所示。

图2 铅酸铁锂电池模型Fig.2 Model for LiFePO4 battery

图3 光伏电池板等效模型Fig.3 Model for PV panel 由基尔霍夫回路定理可得： Ipv=Iph-ID-Ish， (3)

式中，Iph为光伏板内部的光生电流，正比于光伏板的受光面积与光照强度；ID为二极管电流大小，表示光伏板内部的暗电流；Ish为流过光伏电池内部等效电阻Rsh的漏电流；Ipv为输出负载电流。其中： (4)

式中，Upv表示光伏板的等效对外输出电压；Io为流过二极管的最大反向饱和电流；n为调整系数，取n=1.3；q为电子电荷量(1.6×10-19J/K); k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);T为光伏电池板温度(K)；Rs为电池内的等效串联内阻[6]。将式(4)与基尔霍夫定律联立得： (5)

2 控制策略

2.1 变步长增量电导MPPT控制法

MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器即“最大功率点跟踪”太阳能控制器，该控制器可以通过调节电气模块的工作状态，实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值，使系统以最高的效率对磷酸铁锂电池充电，可提高光伏电池板的发电效率[7]。其系统结构如图4所示。

图4 光伏电池板系统结构模型Fig.4 Model for PV panel system structure MPPT技术的核心是选取合适的MPPT算法。目前常用的是固定步长的增量电导法，此种方法无法兼顾动态快速跟踪性能和稳态性能[8]。本研究对增量电导法进行了改进，将变步长增量电导法应用于发电系统中。修正变步长增量电导法的基本原理是在每个 MPPT控制周期中，根据采集到的太阳能电池的输出电压和输出电流，分别计算出相邻两次采集到的的光伏P—U曲线导数的变化趋势，据此对步长值进行调整，从而改变接下来的PWM 占空比，以便使转换电路的输出电压可以快速稳定地达到最大功率点处的输出电压[9]。系统工作原理示意图如图5所示。 图5 变步长增量电导MPPT算法原理示意图Fig.5 Principle diagram of variable step-sized incremental conductance MPPT method 当系统的达到最大输出功率点时，有： (6) 即： (7)

那么，步长为：

(8)

为保证变步长MPPT 算法根据步长的变化规则收敛，则需step=ΔD(t)max,那么有： (9)

式中，D(t)为t时刻的占空比，n为步长调整因子，ΔD(t)max为可变步长的上限值，k为修正比例系数。其中，ΔD(t)max需通过系统初始步长来确定，并以此作为变步长的上限[10-11]。变步长增量电导法算法流程图如图6所示[12]。 2.2 新型智能型BOOST型电路控制方法

图7为新型智能型BOOST电路的拓扑，其结构与电压型BOOST结构相同。其中，Upv为光伏输出的输出端电压；L为电感，其等效电阻为RL；SW为开关管；D为二极管；Co为输出电容；Rload为外直流负载。

在电感稳态时，在稳态电感电流斜坡的几何中心作一条线，即为平均电感电流IL，如图8所示。

由拓扑结构可以看出，在tON时间段，平均开关电流为IL。类似地，在tOFF时间段内，平均二极管电流也等于IL。于是，在全周期时间内，开关管与二极管的平均电流等于二者各自的加权平均值[13]，即： (10) (11)

图6 变步长增量电导法流程图Fig.6 Algorithm flow chart of variable step incremental conductance method

图7 新型智能型BOOST电路模型Fig.7 Model for a new intelligent BOOST circuit

图8 电感稳态电流图Fig.8 Steady state current diagram of inductance 在BOOST型电路中，平均输入电流等于平均开关电流，平均二极管电流等于负载电流[14]。于是，在新型智能型BOOST型电路中，开关闭合使得电感充电，则电感电流最大值为： (12)

又因为新型智能型BOOST电路的平均二极管电流ID_AVG等于负载电流。因此有：

ID_AVG=IO=IL×(1-D)， (13) 所以，有： (14)

新型智能型BOOST电路输出恒定电流，由BOOST电路所提供的电压为UO。于是有：

UO=IORload。 (15)

由基尔霍夫定律及伏秒定律可得： (16)

于是可得出：

(17)

本文新型智能型BOOST控制策略如图9所示。采用电流源电压、电流控制方法。将负载总电压UR与参考电压Uref比较，以防止外部电压因母线电压突然升高而电流型BOOST仍然输出高电流，以致使直流负载电压突然升高而导致的负载过压损坏与系统崩溃。由式(14)可知，二极管电流ID为BOOST电路恒定输出电流，与参考电流Iref比较后输出恒定电流。将负载总电压UR变化作为负载电流后作为前馈，防止直流母线电压骤降导致的系统波动。

图9 新型智能型BOOST电路控制结构图Fig.9 Control structure of a new intelligent BOOST circuit 3 仿真与实验结果 3.1 仿真结果

为验证本研究中设计系统的有效性，采用两端直流微网模型，并在

MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。其中，磷酸铁锂电池为60 V，以防止因内阻过小而被电流型BOOST反冲串联二极管；电感选取0.2 mH；开关频率为50 kHz；选择纯阻性负载10 Ω。所得仿真结果如图10～图13所示。由图10～图11可知，当磷酸铁锂电池与基于变步长增量电导MPPT算法的新型智能型升压电路并联后，直流母线电压为59.2 V，此时电感电流输出为6 A。由图12～13可知，通过所提出的算法可实现分布电源输出功率的自由调节，在图13中，电感电流4 A。由图10～13可知，当自由改变光伏电池板的输出电流时，图10、图12中直流微网母线电压均为59.2 V，维持不变，而电感电流由图11中的6 A变为图13中的4 A，证明该算法可实现光伏电池板的任意功率输出。仿真结果证明了该算法的有效性。

图10 电感输出电流6 A时直流母线电压Fig.10 DC bus voltage when inductor output of 6 A

图11 电感输出电流6 A时电感电流Fig.11 Inductor current when inductor output of 6 A

图12 电感输出电流4 A时直流母线电压Fig.12 DC bus voltage when inductor output of 4 A

图13 电感输出电流4以A时电感电流Fig.13 Inductor current when inductor output of 4 A 3.2 实验结果

选择60 V磷酸铁锂电池，光伏模拟器选择变步长增量MPPT算法并与新型智能型升压电路串联，将磷酸铁锂电池与新型智能型升压电路并联，形成两端直流微网系统后串接负载。在磷酸铁锂电池处串联反相二极管，以防止因电池内阻与外部负载相比过低而被光伏板作为主电源充电。智能型升压电路选择0.1 mH电感，使用DSP28335实现控制算法，并设置50 kHz开关频率，负载为100 Ω。在二极管处串联0.1 Ω康铜丝并用LM324对其信号放大。以TMS320F28335作为控制器。实验结果如图14～图17所示。

图14所示为并联时直流母线电压，此时直流母线电压为58.8 V。由图15可见，康铜丝放大后所得电压为0.12 V，经放大系数换算得电感处输出电流为0.1 A，则光伏与磷酸铁锂电池输出比为1∶5。图16所示为并联时直流母线电压，可见仍然为58.8 V。由图17可见，此时康铜丝放大后电压为0.25 V，此时电感输出电流约为0.2 A，则此时光伏与磷酸铁锂电池输出比约为2∶4。由图14～图17可知，

基于图9所提出的控制算法，当改变光伏模拟器输出时，其直流母线电压不变(图14、图16)，与仿真的结果(图10、图12)相一致；由图15、图17可知，光伏模拟器可改变输出功率，与仿真图11、图13结果相一致。

图14 直流母线电压1Fig.14 DC bus voltage 1

图15 电感处传感器电压1Fig.15 Inductance sensor voltage 1

图16 直流母线电压2Fig.16 DC bus voltage 2

图17 电感处传感器电压2Fig.17 Inductance sensor voltage 2

由实验可知，在光伏电池板与磷酸铁锂电池并联时，将DC/DC变换器做成新型智能型BOOST电路，并采用图9的控制方法可有效地任意调节两分布电源的输出比。 4 结 语

文中基于两端分布电源直流微网系统，针对传统直流微网中多分布式电源多采用功率均等分配而不能自由调节的情况，提出了一种将变步长增量电导法的MPPT算法与负载电流前馈相结合的新算法，并应用于新型智能型BOOST电路，使得在由磷酸铁锂电池与光伏电池板组成的直流微网系统中光伏电池板的输出功率可任意调节，实现了磷酸铁锂电池与光伏电池板二者输出功率的任意分配。基于仿真模型与实际电路的结果也验证了该方法的正确性。 参考文献：

[1] 李芬，陈正洪，何明琼.太阳能光伏发电的现状及前景[J]. 水电能源科学，2011，29(12): 188-192，206.

[2] 符赞宣,瞿文龙,张旭.平均电流模式DC/DC变换器均流控制方法[J]. 清华大学学报(自然科学版),2003,43(3):337-340.

[3] 张军明,谢小高,吴新科，等.DC/DC模块有源均流技术研究[J]. 中国电机工程学报,2005,25(19):30-36.

[4] 戴海峰,魏学哲,孙泽昌.基于等效电路的内阻自适应锂离子电池模型[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2010,38(1):98-102.

[5] 焦阳，宋强，刘文华.光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真[J]. 电网技术，2010，34(11):198-202.

[6] 王竟超，汪友华.光伏电池的建模和仿真[J]. 电源技术，2012，36(9):1303-1305.

[7] 王亚楠，杨旭红，王军成，等.一种新型变步长光伏最大功率点跟踪控制策略[J]. 电气传动,2015,45(1)-57.

[8] 崔岩，蔡炳煌，李大勇，等.太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究[J]. 太阳能学报,2006,27(6)535-539.

[9] 耿书悦.光伏系统中的分布式技术研究[D]. 北京；北京交通大学，2012. [10] HAI Tao，ZHU Hao，SHI Lei，et al.Design for a type of vehicle -mounted solar charging system with MPPT[J]. Renewable Energy Resources，2015，33(1)：21-26.

[11] 彭志辉，和军平，马光，等.光伏发电系统MPPT输出功率采样周期的优化设计[J]. 中国电机工程学报,2012,32(34)24-29.

[12] PENG Zhi-hui, HE Jun-ping, MA Guang,et al.Sampling period optimization design of output power of photovoltaic power generation MPPT systems[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2012,32(34)24-29.

[13] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2001. [14] QIAN Zhao-ming，ZHANG Jun-ming，SHENG Kuang.Status and development of power semiconductor devices and its applications[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2014，34(29)：5149-5161.