基于rt-lab的光伏最大功率点跟踪控制模拟方法

基于rt-lab的光伏最大功率点跟踪控制模拟方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及分布式光伏领域，特别是涉及一种基于RT-LAB的光伏最大功率点跟踪 控制模拟及实验验证方法。
【背景技术】
[0002] 煤炭、石油等不可再生能源的大量消耗带来了资源枯竭、环境污染、温室效应等重 大问题。开发和利用可再生能源具有十分重要的意义。太阳能是一种可再生清洁能源，光伏 并网发电是太阳能利用的一种重要方式。
[0003] 光伏电池的输出随外界环境不断变化，为了充分利用太阳光资源，在并网前必须 进行最大功率点跟踪(MPPT)及逆变控制，由系统的两级变换器完成。前级DC/DC变换器用 Boost变换器实现光伏电池的MPPT控制，后级DC/AC变换器采用全桥逆变器逆变后并入电 网，逆变器采用电压电流双闭环控制算法。
[0004] 如何快速有效的实现最大功率点跟踪(MPPT)是光伏发电系统中的关键问题，目前 针对MPPT控制器的研究大都采用MATLAB/Simulink搭建模型进行纯数字仿真，也有采用硬 件搭建模拟光伏发电系统模型进行纯物理模拟，验证控制器算法的优劣。纯数字模拟虽然 具备操作简单，参数可变等优点，但是其准确性不及纯物理模拟，且很多实际物理现象无法 模拟;纯物理模拟虽然直观、真实、可信，但是其可操作性不强，灵活性不足，无法对实际系 统进行充分地模拟研究。
[0005] 亦有文献结合RT-LAB半实物仿真技术和光伏MPPT的特点进行过数模混合仿真探 索，然而未有文献对比不同MPPT算法，研究其适用性和优劣性。

【发明内容】

[0006] 有鉴于此，本申请涉及提供一种基于RT-LAB的光伏最大功率点跟踪控制模拟方 法，包括:基于RT-LAB的半实物实时仿真平台搭建及光伏MPPT算法在该平台上的控制模拟 和试验验证。
[0007] 为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
[0008] 步骤S1，分析分布式光伏输出特性，分布式光伏输出特性首先选取特定光伏电池 进行参数模拟，并进一步考虑电池温度变化时，光照强度变化时分布式光伏输出电压电流 变化情况；
[0009] 步骤S2,对典型最大功率点跟踪(MPPT)算法进行对比分析，包括扰动观察法和电 导增量法，研究算法实现流程，分析控制算法优劣；
[0010] 步骤S3,研究一种改进的MPPT算法，基于| (dP/dV)/P |的扰动观察法，该算法需根 据光伏输出特性设定不同步长ADmax、ADmid、ADmin，对步长改变的边界条件进行计算，分别 计算Xm ax&Xmin与| (dP/dV)/p|值进行对比，从而判断不同情况下的步长值；
[0011] 步骤S4，对改进MPPT算法及传统的MPPT算法进行MATLAB仿真，对比分析三种算法 的离线仿真特性，包括系统跟踪至最大功率点所需的跟踪时间，达到最大功率点时的稳定 性，光照强度及电池温度变化时系统跟踪速度，达到新的最大功率点时的稳定性；
[0012]步骤S5,分析RT-LAB半实物仿真平台的系统构建，建模规范及仿真实现过程；
[0013] 步骤S6,选择相应控制器对三种MPPT算法进行实物控制器设计，采用以freescale 公司的MC56F8257芯片为核心器件的控制电路，利用实时调试工具FreeMASTERl. 4和示波器 完成软件调试，程序设计上采用以主程序循环加中断服务子程序模块完成；
[0014]步骤S7,实现MATLAB仿真模型到RT-LAB仿真模型的实时化转换，将复杂模型拆分 成多个可以并行执行的子系统，再将子系统分配到多个节点上，从而实现了实时仿真计算 机的可伸缩式并行处理，为了满足分布式要求，对数学模型进行划分，即划分为模型系统、 实物系统和监控系统，为了标明各子系统功能，模型系统的前缀为SM;实物系统的前缀为 SS;监控系统的前缀为SC，接着在各子系统中插入OpComm模块，实现系统信息交互；
[0015] 步骤S8,结合RT-LAB实时仿真平台及MPPT实物控制器进行MPPT控制模拟及实验验 证；
[0016]步骤S9,对实时仿真结果进行分析，验证MPPT算法的有效性及优劣性。
[0017]本申请通过建立基于RT-LAB的半实物实时仿真平台，对比一种改进的MPPT算法与 传统MPPT算法，在RT-LAB实时仿真平台中进行数模混合仿真，对比分析改进MPPT算法与传 统MPPT算法的控制效果，验证改进控制算法的有效性及优越性。为分布式光伏的投资决策 提供理论依据。本发明对RT-LAB在光伏系统上的应用为RT-LAB在微网、智能电网等实时性 要求较高的系统上的应用提供参考。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本申请实施例或评估方案，下面对实施例或评估方案描述中所 需要的附图作简单地介绍。
[0019] 图1为本申请提供的种基于RT-LAB的光伏最大功率点跟踪控制模拟及实验验证方 法的流程图；
[0020] 图2为本申请提供的基于I (dP/dV)/p I的变步长扰动观察法的具体算法流程图； [0021 ]图3为本申请提供的基于MPPT的半实物仿真结构示意图；
[0022]图4为本申请提供的基于RT-LAB的实时仿真模型主模型示意图；
[0023]图5-7为本申请提供的光照强度变化时三种MPPT算法实时仿真实验结果图，图中 包括电池电压和电流变化曲线；
[0024]图8-10为本申请提供的电池温度变化时三种MPPT算法实时仿真实验结果图，图中 包括电池电压和电流变化曲线。
【具体实施方式】
[0025]本申请实施例提供一种基于RT-LAB的光伏最大功率点跟踪控制模拟及实验验证 方法，其方法流程如图1所示，包括：
[0026]步骤S1，分析分布式光伏输出特性；
[0027]步骤S2,对典型最大功率点跟踪(MPPT)算法进行对比分析，包括扰动观察法和电 导增量法，研究算法实现流程，分析控制算法优劣；
[0028] 步骤S3，研究一种改进的MPPT算法，基于| (dP/dV)/P |的扰动观察法；
[0029] 步骤S4，对改进MPPT算法及传统的MPPT算法进行MATLAB仿真，对比分析三种算法 的离线仿真特性；
[0030] 步骤S5，分析RT-LAB半实物仿真平台的系统构建，建模规范及仿真实现过程；
[0031] 步骤S6，选择相应控制器对三种MPPT算法进行实物控制器设计；
[0032]步骤S7，实现MATLAB仿真模型到RT-LAB仿真模型的实时化转换；
[0033] 步骤S8,结合RT-LAB实时仿真平台及MPPT实物控制器进行MPPT控制模拟及实验验 证；
[0034]步骤S9，对实时仿真结果进行分析，验证MPPT算法的有效性及优劣性。
[0035]本申请实施例克服了纯数字模拟准确性不足，且很多实际物理现象无法模拟的弊 端;克服了纯物理模拟可操作性不强，灵活性不足，无法对实际系统进行充分模拟的弊端； 提出了一种基于多种MPPT算法的数模混合实时仿真验证方法，对比分析改进MPPT算法与传 统MPPT算法的控制效果，验证改进控制算法的有效性及优越性。
[0036]本申请实施例中MPPT采用实物控制器代替，实现数模混合仿真，采用以freescale 公司的MC56F8257芯片为核心器件的控制电路，在软件上，软件开发环境选择Code Warrior for Microcontrollers 10.5,采用C语言编写程序，利用实时调试工具FreeMASTERl.4和示 波器完成软件调试。
[0037] 程序设计上采用以主程序循环加中断服务子程序模块完成；
[0038] 主程序的任务:DSC复位后，首先进行系统设备初始化，包括系统时钟配置、ePWM模 块初始化、ADC模块初始化、分配地址空间等等，然后开中断，最后进入死循环；
[0039] 设置两个中断服务子程序，一个为PWM中断服务子程序PWM_ISR，另一个为故障保 护中断服务子程序FaultJSLPWM中断服务子程序PWM_ISR需要完成所有控制算法，若PWM 开关频率设计在16KHz，则PWM中断服务子程序每62.5ys执行一次，每次进入PWM中断服务子 程序PWM_I SR，将完成包括A/D采样、MPPT算法、PI算法、dq变换、PWM控制等全部算法。故障保 护中断服务子程序Fault_ISR，主要完成快速、及时对主电路发生的故障采取故障保护措施 功能，比如BOOST变换器单元和逆变器单元过流时，封锁PWM脉冲。
[0040] 本申请实施例中RT-LAB软件划分子系统时，为了方便后期实验，将光伏模拟器主 电路放入SM子系统，用户监控部分放入SC子系统，将包括模拟量输出和数字量输入的10模 块划分为SS子系统；
[0041] 本申请实例对于不同的通信方式或者不同的采样速率应放置不同的OpComm模块， 在计算量较大的SM和SS模块中添加 RT-LAB专有的监控模块，对子系统进行监控，根据是否 有溢出进行仿真步长的调节；
[0042]实现模型分割后，首先在对RT-LAB模型进行离线状态下的调试，模型调试正确后 在主机上运行Main Control，打开RT-LAB的主控制界面，完成模型的编辑、C代码编译、代码 生成，再转换为可在实时仿真计算机上运行的实时代码，最后进行加载，实现系统的运行 和显不。
[0043]下面根据实例说明一种基于RT-LAB的光伏最大功率点跟踪控制模拟及实验验证 方法：
[0044]由厂家提供标准条件(光照强度S=1000W/m2,电池温度T = 25°C)下光伏电池的测 试参数:短路电流Is。、开路电压U。。、最大功率点电流Im、最大功率带你电压Um等四个参数。根
[0045] (1) 据以下公式计算当前环境下新的参数：
[0046] I
[0047] (3)
[0048]
[0049] 上式中：ΔΤ为参考电池温度与实际电池温度的差值，AS为日照强度变化量与参 考日照强度的比值，Is_ f为外界条件变化时光伏电池的短路电流，Uoc^f为外界条件变化时 光伏电池的开路电压，Imrrf为外界条件变化时光伏电池的最大功率点电流，Umcirrf为外界条 件变化时光伏电池的最大功率点电压，α、β、γ为常数，采用典型值分别等于0.0025、0.5、 0.00288。根据以下公式得到光伏电池的电流方程：
[0050] (5)
[0051 ] (_6:)_
[0052] (7)
[0053]本文采用BP Solar公司的光伏电池进行参数模拟，在标准外部环境下（光照强度 为1000W/m2，电池温度为25°C)电池参数如下：
[0054] 表1光伏电池参数
[0055]
[0056]本实施例中的两种传统MPPT算法扰动观察法和电导增量法不予详细描述，与之进 行对比的改进MPPT算法基于I (dP/dV)/P I的扰动观察法介绍如下：
[0057]本文采用两级式光伏并网系统，DC-DC升压模块采用Boost升压电路，实际控制量 为Boost电路开关管驱动信号的导通比，通过IGBT信号控制Boost电路，实现最大功率点跟 踪。实际控制电路流程图如图2所示，当|(dP/dV)/p|> Xmax，PV工作点距离最大功率点较远， 采用较大步长Δ Dmax，适用于开机或者光照、温度突变