基于rt-lab的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及分布式光伏領(lǐng)域，特別是涉及一種基于RT-LAB的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤 控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭、石油等不可再生能源的大量消耗帶來(lái)了資源枯竭、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等重 大問(wèn)題。開(kāi)發(fā)和利用可再生能源具有十分重要的意義。太陽(yáng)能是一種可再生清潔能源，光伏 并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一種重要方式。
[0003] 光伏電池的輸出隨外界環(huán)境不斷變化，為了充分利用太陽(yáng)光資源，在并網(wǎng)前必須 進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)及逆變控制，由系統(tǒng)的兩級(jí)變換器完成。前級(jí)DC/DC變換器用 Boost變換器實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT控制，后級(jí)DC/AC變換器采用全橋逆變器逆變后并入電 網(wǎng)，逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制算法。
[0004] 如何快速有效的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題，目前 針對(duì)MPPT控制器的研究大都采用MATLAB/Simulink搭建模型進(jìn)行純數(shù)字仿真，也有采用硬 件搭建模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)行純物理模擬，驗(yàn)證控制器算法的優(yōu)劣。純數(shù)字模擬雖然 具備操作簡(jiǎn)單，參數(shù)可變等優(yōu)點(diǎn)，但是其準(zhǔn)確性不及純物理模擬，且很多實(shí)際物理現(xiàn)象無(wú)法 模擬;純物理模擬雖然直觀、真實(shí)、可信，但是其可操作性不強(qiáng)，靈活性不足，無(wú)法對(duì)實(shí)際系 統(tǒng)進(jìn)行充分地模擬研究。
[0005] 亦有文獻(xiàn)結(jié)合RT-LAB半實(shí)物仿真技術(shù)和光伏MPPT的特點(diǎn)進(jìn)行過(guò)數(shù)模混合仿真探 索，然而未有文獻(xiàn)對(duì)比不同MPPT算法，研究其適用性和優(yōu)劣性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本申請(qǐng)涉及提供一種基于RT-LAB的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制模擬方 法，包括:基于RT-LAB的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建及光伏MPPT算法在該平臺(tái)上的控制模擬 和試驗(yàn)驗(yàn)證。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案如下：
[0008] 步驟S1，分析分布式光伏輸出特性，分布式光伏輸出特性首先選取特定光伏電池 進(jìn)行參數(shù)模擬，并進(jìn)一步考慮電池溫度變化時(shí)，光照強(qiáng)度變化時(shí)分布式光伏輸出電壓電流 變化情況；
[0009] 步驟S2,對(duì)典型最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法進(jìn)行對(duì)比分析，包括擾動(dòng)觀察法和電 導(dǎo)增量法，研究算法實(shí)現(xiàn)流程，分析控制算法優(yōu)劣；
[0010] 步驟S3,研究一種改進(jìn)的MPPT算法，基于| (dP/dV)/P |的擾動(dòng)觀察法，該算法需根 據(jù)光伏輸出特性設(shè)定不同步長(zhǎng)ADmax、ADmid、ADmin，對(duì)步長(zhǎng)改變的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，分別 計(jì)算Xm ax&Xmin與| (dP/dV)/p|值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷不同情況下的步長(zhǎng)值；
[0011] 步驟S4，對(duì)改進(jìn)MPPT算法及傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行MATLAB仿真，對(duì)比分析三種算法 的離線(xiàn)仿真特性，包括系統(tǒng)跟蹤至最大功率點(diǎn)所需的跟蹤時(shí)間，達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)的穩(wěn)定 性，光照強(qiáng)度及電池溫度變化時(shí)系統(tǒng)跟蹤速度，達(dá)到新的最大功率點(diǎn)時(shí)的穩(wěn)定性；
[0012]步驟S5,分析RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建，建模規(guī)范及仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程；
[0013] 步驟S6,選擇相應(yīng)控制器對(duì)三種MPPT算法進(jìn)行實(shí)物控制器設(shè)計(jì)，采用以freescale 公司的MC56F8257芯片為核心器件的控制電路，利用實(shí)時(shí)調(diào)試工具FreeMASTERl. 4和示波器 完成軟件調(diào)試，程序設(shè)計(jì)上采用以主程序循環(huán)加中斷服務(wù)子程序模塊完成；
[0014]步驟S7,實(shí)現(xiàn)MATLAB仿真模型到RT-LAB仿真模型的實(shí)時(shí)化轉(zhuǎn)換，將復(fù)雜模型拆分 成多個(gè)可以并行執(zhí)行的子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)分配到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真計(jì)算 機(jī)的可伸縮式并行處理，為了滿(mǎn)足分布式要求，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行劃分，即劃分為模型系統(tǒng)、 實(shí)物系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，為了標(biāo)明各子系統(tǒng)功能，模型系統(tǒng)的前綴為SM;實(shí)物系統(tǒng)的前綴為 SS;監(jiān)控系統(tǒng)的前綴為SC，接著在各子系統(tǒng)中插入OpComm模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交互；
[0015] 步驟S8,結(jié)合RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)及MPPT實(shí)物控制器進(jìn)行MPPT控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證；
[0016]步驟S9,對(duì)實(shí)時(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證MPPT算法的有效性及優(yōu)劣性。
[0017]本申請(qǐng)通過(guò)建立基于RT-LAB的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)比一種改進(jìn)的MPPT算法與 傳統(tǒng)MPPT算法，在RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)中進(jìn)行數(shù)模混合仿真，對(duì)比分析改進(jìn)MPPT算法與傳 統(tǒng)MPPT算法的控制效果，驗(yàn)證改進(jìn)控制算法的有效性及優(yōu)越性。為分布式光伏的投資決策 提供理論依據(jù)。本發(fā)明對(duì)RT-LAB在光伏系統(tǒng)上的應(yīng)用為RT-LAB在微網(wǎng)、智能電網(wǎng)等實(shí)時(shí)性 要求較高的系統(tǒng)上的應(yīng)用提供參考。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或評(píng)估方案，下面對(duì)實(shí)施例或評(píng)估方案描述中所 需要的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。
[0019] 圖1為本申請(qǐng)?zhí)峁┑姆N基于RT-LAB的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方 法的流程圖；
[0020] 圖2為本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕贗 (dP/dV)/p I的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的具體算法流程圖； [0021 ]圖3為本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕贛PPT的半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕赗T-LAB的實(shí)時(shí)仿真模型主模型示意圖；
[0023]圖5-7為本申請(qǐng)?zhí)峁┑墓庹諒?qiáng)度變化時(shí)三種MPPT算法實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，圖中 包括電池電壓和電流變化曲線(xiàn)；
[0024]圖8-10為本申請(qǐng)?zhí)峁┑碾姵販囟茸兓瘯r(shí)三種MPPT算法實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，圖中 包括電池電壓和電流變化曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種基于RT-LAB的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 方法，其方法流程如圖1所示，包括：
[0026]步驟S1，分析分布式光伏輸出特性；
[0027]步驟S2,對(duì)典型最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法進(jìn)行對(duì)比分析，包括擾動(dòng)觀察法和電 導(dǎo)增量法，研究算法實(shí)現(xiàn)流程，分析控制算法優(yōu)劣；
[0028] 步驟S3，研究一種改進(jìn)的MPPT算法，基于| (dP/dV)/P |的擾動(dòng)觀察法；
[0029] 步驟S4，對(duì)改進(jìn)MPPT算法及傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行MATLAB仿真，對(duì)比分析三種算法 的離線(xiàn)仿真特性；
[0030] 步驟S5，分析RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建，建模規(guī)范及仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程；
[0031] 步驟S6，選擇相應(yīng)控制器對(duì)三種MPPT算法進(jìn)行實(shí)物控制器設(shè)計(jì)；
[0032]步驟S7，實(shí)現(xiàn)MATLAB仿真模型到RT-LAB仿真模型的實(shí)時(shí)化轉(zhuǎn)換；
[0033] 步驟S8,結(jié)合RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)及MPPT實(shí)物控制器進(jìn)行MPPT控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證；
[0034]步驟S9，對(duì)實(shí)時(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證MPPT算法的有效性及優(yōu)劣性。
[0035]本申請(qǐng)實(shí)施例克服了純數(shù)字模擬準(zhǔn)確性不足，且很多實(shí)際物理現(xiàn)象無(wú)法模擬的弊 端;克服了純物理模擬可操作性不強(qiáng)，靈活性不足，無(wú)法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行充分模擬的弊端； 提出了一種基于多種MPPT算法的數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真驗(yàn)證方法，對(duì)比分析改進(jìn)MPPT算法與傳 統(tǒng)MPPT算法的控制效果，驗(yàn)證改進(jìn)控制算法的有效性及優(yōu)越性。
[0036]本申請(qǐng)實(shí)施例中MPPT采用實(shí)物控制器代替，實(shí)現(xiàn)數(shù)模混合仿真，采用以freescale 公司的MC56F8257芯片為核心器件的控制電路，在軟件上，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇Code Warrior for Microcontrollers 10.5,采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，利用實(shí)時(shí)調(diào)試工具FreeMASTERl.4和示 波器完成軟件調(diào)試。
[0037] 程序設(shè)計(jì)上采用以主程序循環(huán)加中斷服務(wù)子程序模塊完成；
[0038] 主程序的任務(wù):DSC復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、ePWM模 塊初始化、ADC模塊初始化、分配地址空間等等，然后開(kāi)中斷，最后進(jìn)入死循環(huán)；
[0039] 設(shè)置兩個(gè)中斷服務(wù)子程序，一個(gè)為PWM中斷服務(wù)子程序PWM_ISR，另一個(gè)為故障保 護(hù)中斷服務(wù)子程序FaultJSLPWM中斷服務(wù)子程序PWM_ISR需要完成所有控制算法，若PWM 開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)在16KHz，則PWM中斷服務(wù)子程序每62.5ys執(zhí)行一次，每次進(jìn)入PWM中斷服務(wù)子 程序PWM_I SR，將完成包括A/D采樣、MPPT算法、PI算法、dq變換、PWM控制等全部算法。故障保 護(hù)中斷服務(wù)子程序Fault_ISR，主要完成快速、及時(shí)對(duì)主電路發(fā)生的故障采取故障保護(hù)措施 功能，比如BOOST變換器單元和逆變器單元過(guò)流時(shí)，封鎖PWM脈沖。
[0040] 本申請(qǐng)實(shí)施例中RT-LAB軟件劃分子系統(tǒng)時(shí)，為了方便后期實(shí)驗(yàn)，將光伏模擬器主 電路放入SM子系統(tǒng)，用戶(hù)監(jiān)控部分放入SC子系統(tǒng)，將包括模擬量輸出和數(shù)字量輸入的10模 塊劃分為SS子系統(tǒng)；
[0041] 本申請(qǐng)實(shí)例對(duì)于不同的通信方式或者不同的采樣速率應(yīng)放置不同的OpComm模塊， 在計(jì)算量較大的SM和SS模塊中添加 RT-LAB專(zhuān)有的監(jiān)控模塊，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)是否 有溢出進(jìn)行仿真步長(zhǎng)的調(diào)節(jié)；
[0042]實(shí)現(xiàn)模型分割后，首先在對(duì)RT-LAB模型進(jìn)行離線(xiàn)狀態(tài)下的調(diào)試，模型調(diào)試正確后 在主機(jī)上運(yùn)行Main Control，打開(kāi)RT-LAB的主控制界面，完成模型的編輯、C代碼編譯、代碼 生成，再轉(zhuǎn)換為可在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，最后進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行 和顯不。
[0043]下面根據(jù)實(shí)例說(shuō)明一種基于RT-LAB的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 方法：
[0044]由廠家提供標(biāo)準(zhǔn)條件(光照強(qiáng)度S=1000W/m2,電池溫度T = 25°C)下光伏電池的測(cè) 試參數(shù):短路電流Is。、開(kāi)路電壓U。。、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率帶你電壓Um等四個(gè)參數(shù)。根
[0045] (1) 據(jù)以下公式計(jì)算當(dāng)前環(huán)境下新的參數(shù)：
[0046] I
[0047] (3)
[0048]
[0049] 上式中：ΔΤ為參考電池溫度與實(shí)際電池溫度的差值，AS為日照強(qiáng)度變化量與參 考日照強(qiáng)度的比值，Is_ f為外界條件變化時(shí)光伏電池的短路電流，Uoc^f為外界條件變化時(shí) 光伏電池的開(kāi)路電壓，Imrrf為外界條件變化時(shí)光伏電池的最大功率點(diǎn)電流，Umcirrf為外界條 件變化時(shí)光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓，α、β、γ為常數(shù)，采用典型值分別等于0.0025、0.5、 0.00288。根據(jù)以下公式得到光伏電池的電流方程：
[0050] (5)
[0051 ] (_6:)_
[0052] (7)
[0053]本文采用BP Solar公司的光伏電池進(jìn)行參數(shù)模擬，在標(biāo)準(zhǔn)外部環(huán)境下（光照強(qiáng)度 為1000W/m2，電池溫度為25°C)電池參數(shù)如下：
[0054] 表1光伏電池參數(shù)
[0055]
[0056]本實(shí)施例中的兩種傳統(tǒng)MPPT算法擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法不予詳細(xì)描述，與之進(jìn) 行對(duì)比的改進(jìn)MPPT算法基于I (dP/dV)/P I的擾動(dòng)觀察法介紹如下：
[0057]本文采用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，DC-DC升壓模塊采用Boost升壓電路，實(shí)際控制量 為Boost電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通比，通過(guò)IGBT信號(hào)控制Boost電路，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟 蹤。實(shí)際控制電路流程圖如圖2所示，當(dāng)|(dP/dV)/p|> Xmax，PV工作點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)， 采用較大步長(zhǎng)Δ Dmax，適用于開(kāi)機(jī)或者光照、溫度突變