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基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术

高佳俊 李维波 李齐 邹振杰 卢月

高佳俊, 李维波, 李齐, 等. 基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
引用本文: 高佳俊, 李维波, 李齐, 等. 基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
GAO J J, LI W B, LI Q, et al. MPPT technology of mobile photovoltaic on-line charging based on variable step size disturbance approximation method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
Citation: GAO J J, LI W B, LI Q, et al. MPPT technology of mobile photovoltaic on-line charging based on variable step size disturbance approximation method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948

基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51977164);国家重点研发计划资助项目(2020YFB1506802)
详细信息
    作者简介:

    高佳俊,男,1997年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电气工程。E-mail:632643486@qq.com

    李维波,男,1973年生,博士,教授。研究方向:电力电子技术与舰船能量管理。E-mail:liweibo@whut.edu.cn

    李齐,男,1995年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电气工程。E-mail:470717486@qq.com

    邹振杰,男,1997年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:控制科学与工程。E-mail:2277283556@qq.com

    卢月,女,1995年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电力电子与电气传动。E-mail:454211132@qq.com

    通讯作者:

    李维波

  • 中图分类号: U665.13

MPPT technology of mobile photovoltaic on-line charging based on variable step size disturbance approximation method

图(12) / 表 (1)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-23
  • 修回日期:  2019-12-26

基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51977164);国家重点研发计划资助项目(2020YFB1506802)
    作者简介:

    高佳俊,男,1997年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电气工程。E-mail:632643486@qq.com

    李维波,男,1973年生,博士,教授。研究方向:电力电子技术与舰船能量管理。E-mail:liweibo@whut.edu.cn

    李齐,男,1995年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电气工程。E-mail:470717486@qq.com

    邹振杰,男,1997年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:控制科学与工程。E-mail:2277283556@qq.com

    卢月,女,1995年生,硕士研究生,职务/职称。研究方向:电力电子与电气传动。E-mail:454211132@qq.com

    通讯作者: 李维波
  • 中图分类号: U665.13

摘要:   目的  为了提高移动式在线光伏充电装置的充电效率、安全性和速度,提出基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电最大功率点跟踪(MPPT)技术。  方法  通过将高频逆变器与隔离变压器共同作为MPPT载体,去除传统光伏充电拓扑装置中的前级DC/DC结构,并将充电控制与高频逆变的脉冲调制相结合,最终将高频隔离、MPPT跟踪和充电控制三大功能集成一体。同时,根据蓄电池的不同剩余电量状态,提出三段式充电控制策略。  结果  仿真分析与现场测试结果表明,当改变光伏板的光照强度时,该装置可以稳定地跟踪光伏板的最大功率点,并按照设定的充电方案,在3个阶段下实现了对蓄电池的高效充电;实测的整体充电效率可以保持在92%以上。  结论  该装置和控制策略可以提高光伏板对蓄电池的充电效率,同时满足快速、安全充电的要求。

English Abstract

高佳俊, 李维波, 李齐, 等. 基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
引用本文: 高佳俊, 李维波, 李齐, 等. 基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT技术[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
GAO J J, LI W B, LI Q, et al. MPPT technology of mobile photovoltaic on-line charging based on variable step size disturbance approximation method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
Citation: GAO J J, LI W B, LI Q, et al. MPPT technology of mobile photovoltaic on-line charging based on variable step size disturbance approximation method[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01948
    • 随着科技的不断进步和对环保要求的不断提高,人们的焦点似乎慢慢从普通的燃料能源开始转向蓄电池电能运用。对于移动平台而言,其最大的难题表现为:无法在短时间内将蓄电池充满;由于移动平台的空间尺寸约束,无法采用容量太大的蓄电池,这将导致单次充电的储能过少,所以有效使用时间较短[1-3]。然而,如果把思路聚焦到太阳能上,对于机身周围在较强光照环境下的移动平台而言,采用光伏作为蓄电池的充电能量来源,即可实现蓄电池“边用边充”的在线充电效果,还兼顾了节能环保。

      目前,移动平台的光伏充电器有2种主流形式,一种是非隔离型,另一种是隔离型[4-6]。非隔离型的光伏充电器一般采用2级DC/DC变换器的主拓扑结构,其中前级DC/DC变换器用于最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)算法、后级DC/DC变换器则用于充电控制。这种方案的优点是2级结构设计简单、独立运行且协调控制,但是由于该方案中光伏板和蓄电池之间没有隔离,所以共模干扰的问题比较严重,且在外部环境比较恶劣时的干扰更为突出,这将明显影响充电效能。市面上主流的隔离型光伏充电器分为2种,一种是采用工频变压器来实现隔离功能,另一种是采用高频变压器。由于移动平台对设备尺寸的约束要求很严格,所以工频隔离方式并不适用。目前,移动平台大多采用了高频隔离型充电拓扑,即“光伏板BOOST电路高频逆变高频变压器高频整流DC/DC 蓄电池”的经典拓扑。其中“BOOST电路”用于执行MPPT算法跟踪任务,“高频逆变高频变压器”旨在解决隔离问题,而“DC/DC变换器”则用于实现充电控制。该拓扑结构的优点是在兼顾MPPT控制和充电控制的同时,又减少了外界环境的干扰,尤其是光照条件变化的不良影响。不过,如果该拓扑的级数太多,则将限制其变换效率[7-9]

      为了解决光伏板和蓄电池之间的电气隔离问题,以及系统的变换效率限制问题,本文拟提出一种采用高频逆变器与隔离变压器共同作为MPPT载体的移动光伏充电拓扑。通过借助变步长扰动逼近法进行MPPT算法跟踪,同时将高频整流和后级DC/DC变换器合并,将充电控制与高频逆变的脉冲调制相结合,最终将高频隔离、MPPT跟踪和充电控制三大功能集成一体。该方案既继承了高频隔离拓扑的优势,又减少了变换级数,可以最大限度地提高在线充电装置的转换效率。

    • 图1所示为在线光伏充电装置的主拓扑,主要由光伏板、直流与缓启动、高频逆变器、高频变压器、高频整流器、输出滤波、蓄电池和主控板组成,其中主控板由数字输入(digital input,DI)电路、数字输出(digital output,DO)电路、输入模拟信号采集电路1、输出模拟信号采集电路2、环境信号采集电路、驱动模块和通信模块等组成。

      图  1  在线光伏充电装置的主拓扑

      Figure 1.  Main topology of photovoltaic online charging device

      图1中:Uin为高频逆变器的输入电压,即光伏板的输出电压;UN为高频逆变器的输出电压;n为高频变压器的匝数比;Ub为高频变压器的输出电压;Uout为高频整流器的输出电压,即加载在蓄电池两端的充电电压。此外,DI电路的作用是输入启、停信号;DO电路的作用是输出缓启动信号;输入模拟信号采集电路1的作用是采集高频逆变器的输入电压和电流,即光伏板的输出电压和电流;输出模拟信号采集电路2的作用是采集蓄电池的充电电压和电流;环境信号采集电路的作用是采集功率模块的温度、工作环境的湿度;驱动模块的作用是连接功率模块,以控制高频逆变器中IGBT晶体管的闭合和断开;通信模块的作用是经由CAN通信来连接上位机界面。

    • 本文将某块650 W的光伏板为研究对象,开展仿真及工程验证。图2所示为光伏板在不同温度和光照条件下的I-U输出曲线和P-U输出曲线,其中IUP分别为光伏板的输出电流、输出电压、输出功率。图2(a)为光照强度Ir=1 kW/m2时,不同温度条件下的输出曲线;图2(b)为温度T=25 ℃时,不同光照强度条件下的输出曲线。由图2可知,I-U输出曲线存在一个拐点;而P-U输出曲线是存在一个单峰值的非线性曲线,其输出功率在峰值处存在一个最大值,即光伏板的最大功率点。当光照强度Ir=1 kW/m2时,随着温度的增加,光伏板的输出电压和输出功率均有所下降;当温度T=25 ℃时,随着光照强度的增加,光伏板的输出电流和输出功率均相应升高。

      图  2  光伏板的输出特性曲线

      Figure 2.  Output characteristic curves of photovoltaic panel

    • 本文采用的高频逆变器为方波逆变,其与隔离变压器共同作为MPPT载体,其输入/输出电压满足以下条件:

      $$ \begin{split} & {U_{{\rm{in}}}} \times D = {U_{\rm{n}}} \\& U_{\rm{n}} \times n = {U_{\rm{b}}} \\& {U_{\rm{b}}} \times k = U_{\rm{out}} \end{split} $$ (1)

      式中:D为高频逆变器的占空比;k为方波不控整流的变换系数。

      将式(1)进行简化,则光伏板输出电压与蓄电池两端充电电压的关系为

      $${U_{{\rm{out}}}} = {U_{{\rm{in}}}} \times D \times n \times k$$ (2)

      由式(2)可知,当高频变压器的匝数比n为固定值时,蓄电池的充电电压Uout取决于光伏板输出电压Uin和高频逆变器占空比D。当太阳光强的变化较小时,如需提高充电电压Uout,则应增加高频逆变器的占空比D;反之,如需降低充电电压Uout,则应减小占空比D。由此可见,为了增加光伏板的利用率以及蓄电池的充电速度,只需通过控制高频逆变器的占空比D,即可确保充电系统尽可能工作在最大功率点,从而实现MPPT算法跟踪。

      目前,常用的MPPT算法包括恒定电压跟踪法、短路电流比例系数法、电导增量法和扰动观察法[10]。前2种方法为开环控制,即根据光伏板在标准测试环境下的曲线,控制充电电压达到一个恒定值,该类算法运行简单、成本较低,但在外部环境会实时改变的移动平台上,无法实现光伏板最大功率点的有效跟踪。后2种方法为闭环控制,其中电导增量法需时刻计算功率值的导数,所以算法偏复杂,计算速度较慢;而扰动逼近法可以有效地跟踪光伏板的最大功率点,而运行又相对简单、成本也比较低[11-13]

      因此,本文将采用基于变步长的扰动逼近式MPPT算法,其基本原理是:通过观察光伏板的输出功率以及电压变化,来调节高频逆变器的占空比,进而改变充电电压Uout,最终实现最大功率点的跟踪功能。图3所示为基于变步长扰动逼近式MPPT算法流程,其中:DtDt−1分别为当前时刻和前一时刻的占空比,PtPt−1分别为当前时刻和前一时刻的输入功率;UtUt−1分别为当前时刻和前一时刻的输入电压。

      图  3  基于变步长扰动逼近法的MPPT算法流程

      Figure 3.  MPPT algorithm flow chart based on variable step size disturbance observation method

      图3所示,基于变步长扰动逼近式MPPT算法的主要流程为:

      1)首先,输入初始占空比D0和干扰步长ΔD

      2)然后,令Dt−1=D0Pt−1=0,并采集当前时刻的输入电压Ut和输入电流It,进而计算输入功率Pt、功率变化ΔP以及电压变化ΔU

      3)最后,根据ΔP和ΔU的变化趋势,调整在线变步长扰动的逼近趋势,即调整光伏充电装置中高频逆变器占空比D的变化趋势。判定原则为:(1)当ΔP>0且ΔU>0时,应减小占空比D,令Dt=Dt−1−ΔD;(2)当ΔP>0且ΔU<0时,应增加占空比D,令Dt=Dt−1D;(3)当ΔP<0且ΔU>0时,应增加占空比D,令Dt=Dt−1D;(4)当ΔP<0且ΔU<0时,应减小占空比D,令Dt=Dt−1−ΔD。同时,令Pt−1=PtDt−1=Dt,将本次循环中当前时刻的功率和占空比,赋值到下一个循环中,并作为下一个循环在前一时刻的功率和占空比。

    • 由于蓄电池电压将随着其剩余电量(state of charge,SOC)的增加而增加,为了同时保证蓄电池充电的速度和安全性,可以通过采集蓄电池两端的电压、电流来判断蓄电池的SOC情况[14],即

      $$SO{C_{{\rm{bat}}}}(t) = SO{C_0} + \frac{{\displaystyle\int {{i_{{\rm{bat}}}}{\rm{d}}t} }}{{{C_{{\rm{bat}}}}}}$$ (3)

      式中:SOCbat(t),SOC0分别为蓄电池的当前电量和初始电量,其中SOC0由蓄电池的自身属性和所采集的初始电压决定;ibat为蓄电池的充电电流;t为充电时间;Cbat为蓄电池的容量。

      根据式(3),SOC的估算流程如图4所示,其中SOCtSOCt−1分别为当前t时刻和前一时刻蓄电池的剩余电量。首先,输入蓄电池容量Cbat,采集蓄电池的初始电压U0;然后,计算蓄电池的初始电量SOC0,并令SOCt−1=SOC0;最后,采集充电电流ibat,根据式(2)计算当前t时刻的蓄电池剩余电量SOCt

      图  4  SOC估算流程图

      Figure 4.  Flow chart of SOC estimation

      根据蓄电池的SOC情况,本文将采用三段式充电方法,即:MPPT最大功率充电阶段、恒压限流充电阶段和浮充电阶段,如图5所示。

      图  5  三段式充电示意图

      Figure 5.  Diagram of three stages charging

      1)MPPT最大功率充电阶段。

      在充电初期,蓄电池的剩余电量较少,将采用MPPT最大功率的方式对蓄电池进行充电,从而使光伏板工作在最大功率点,以确保蓄电池的充电速度。为了在蓄电池容量接近充满时防止过冲,应设置最低阈值SOCL,当SOCt>SOCL时,装置即可转入恒压限流充电阶段。

      2)恒压限流充电阶段。

      此时蓄电池已经基本充满,为了达到安全充电的目的,应通过降低高频逆变器的占空比来降低光伏板的功率,从而对蓄电池进行低电流充电,以有效避免蓄电池过冲。为了防止蓄电池自身放电而导致电量下降,应设置最高阈值SOCH,当SOCt>SOCH时,装置随即转入浮充电阶段。

      3)浮充电阶段。

      此时蓄电池已经充满,应进一步降低高频逆变器的占空比,以再次降低光伏板的功率,仅以微弱的电流对蓄电池进行充电,从而使蓄电池电量始终保持在充满的状态。因此,该阶段也意味着整个充电过程的结束。

      充电控制策略流程如图6所示。

      图  6  三段式充电控制策略的流程图

      Figure 6.  Flow chart of three-stage charge control strategy

    • 为了验证本文提出的基于变步长扰动逼近法的MPPT控制策略和蓄电池充电控制策略的可行性及有效性,根据在线光伏充电装置主拓扑(图1),采用Matlab/simulink仿真软件搭建移动光伏充电装置,其仿真模型如图7所示,关键性仿真参数如表1所示。

      图  7  在线光伏充电装置的仿真模型

      Figure 7.  Simulation model of photovoltaic on-line charging device

      表 1  在线光伏充电装置的关键性仿真参数

      Table 1.  Key simulation parameters of photovoltaic on-line charging device

      组成元件物理量数值
      光伏板开路电压/V107.8
      短路电流/A8.08
      最大功率点电压/V88.7
      最大功率点电流/A7.35
      蓄电池标称电压/V500
      额定容量/Ah40

      图7中:“光伏板输出曲线”模块为本文的输入测量,包括光伏板光照强度Ir、光伏板输出电流I_PV、光伏板输出电压V_PV、光伏板输出功率P_PV;“蓄电池状态”和“充电曲线”模块为本文的输出测量,包括蓄电池充电电流I_Battery、蓄电池充电电压V_Battery、蓄电池充电功率P_Battery、蓄电池剩余电量SOC

    • 通过调节光伏板输入的光照强度,模拟现实环境中的正常光照以及遮光环境,从而改变光伏板的最大功率点,随即观察光伏板的输出电压、电流和功率以及蓄电池的充电电压、电流、功率和SOC状态,即可验证基于变步长扰动逼近法的MPPT算法跟踪的准确性,其仿真结果如图8所示。

      图8(a)可知,在0~10 s内,光伏板工作在标准光照条件下;第10 s时刻,突然降低光伏板的输入光照强度以模拟现实环境中的遮光情况;第20 s时刻,恢复到标准光照强度。仿真结果表明:充电装置可以快速跟踪光伏板的最大功率点,从而让光伏板一直运行在最大功率状态对蓄电池进行充电;当光照强度降低时,光伏板的输出功率随之降低,蓄电池的充电速度也相应变慢。

      图  8  基于变步长扰动逼近法的MPPT仿真波形

      Figure 8.  MPPT simulation waveform based on variable step size disturbance observation method

      光伏板输出功率P_PV和蓄电池充电功率P_Battery的对比结果如图9所示,根据仿真结果,在线充电装置在中间环节损耗的电能较小,光伏板可以实现对蓄电池的高效充电。

      图  9  光伏板输出功率和蓄电池输入功率的对比曲线

      Figure 9.  Comparison curves between output power of photovoltaic panel and input power of battery

    • 由于本文将高频逆变器与高频隔离变压器共同作为MPPT载体,所以Simulink的采样频率赋值较高。为了在短时间内模拟蓄电池的三段式充电过程,首先将蓄电池的容量减小到0.01 Ah,同时在蓄电池充电策略仿真验证的第一阶段(即MPPT最大功率充电阶段)中,令光伏板的光照强度一直保持1 000 W/m2,其仿真结果如图10所示。

      图  10  三段式充电的仿真波形

      Figure 10.  Simulation waveform of three stage charging

      图10可知,在充电初期,在线充电装置采用MPPT最大功率充电,即光伏板工作在最大功率点,此时蓄电池迅速充电,其蓄电池电压随着SOC的增加而增加。当蓄电池SOC达到SOCL时,根据本文设计的蓄电池充电控制策略,装置进入第二充电阶段,即恒压限流充电阶段。虽然此时光伏板的光照强度依然为1 000 W/m2,但是由于高频逆变器占空比的降低,使得光伏板功率随之降低,进而降低了蓄电池的充电电流,同时维持蓄电池的两端电压恒定。由于蓄电池内阻将随着SOC的增加而增加,所以在恒压限流充电阶段的充电电流会缓慢下降。当蓄电池SOC接近SOCH时,第二阶段结束,装置进入第三充电阶段,即浮充电阶段。此时高频逆变器占空比将进一步减小,使得光伏板功率再次降低,从而维持较低的蓄电池电流,以避免因蓄电池自身放电而导致的电量下降,进入此阶段也意味着整个充电过程的结束。

    • 根据在线光伏充电装置主拓扑(图1),研发了如图11所示的实体样机。

      图  11  充电装置实物图

      Figure 11.  Physical drawings of charging device

      为了验证基于变步长扰动逼近法的MPPT算法跟踪的准确性以及其充电效率,本文对充电装置实物开展了现场测试工作,其在正常光照和遮光2种情况下的测试结果如图12所示,各包含15组测试结果。图12中:Iin为光伏板的输出电流;Vin为光伏板的输出电压;Pin为光伏板的输出功率;Iout为蓄电池的充电电流;Vout为蓄电池的充电电压;Pout为蓄电池的充电功率。

      图  12  充电装置的测试结果

      Figure 12.  Test result of charging device

      通过对比图12的实测结果与图8的仿真结果可知,虽然光伏板输出功率和蓄电池充电功率实测数据的波动相对较大,但仍然可以将误差保持在较小的范围内。现场测试结果表明,当光照条件发生变化时,该装置可以通过改变高频逆变器的占空比,从而实现MPPT算法跟踪的功能,其整体充电效率可以保持在92%以上。

    • 针对传统光伏充电装置的典型拓扑及其优缺点,本文构建了移动式在线光伏充电装置拓扑,通过将高频逆变器与高频隔离变压器共同作为MPPT载体,不但弥补了传统非隔离型光伏充电装置的电气隔离问题,还解决了传统隔离性光伏充电装置中级数多、效率受限等问题。基于此,本文提出了基于变步长扰动逼近法的MPPT跟踪技术,仿真分析与现场测试结果表明,该在线光伏充电装置可以准确地实现MPPT算法跟踪,同时,由于采纳了三段式充电方案,还能确保蓄电池快速、安全地充电。然而,该方案目前尚处于车载平台运行阶段,下一步拟开展实船移动平台测试工作。

参考文献 (14)

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