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基于ZA-INC算法的不同运行条件下光伏系统最大功率点跟踪
摘要：
今天，由于化石能源的过度使用，环境污染加剧。在可再生能源中，太阳能是一种新兴的、清洁的和可获得的选择之一。每个太阳能电池都有一个独特的工作点，称为最大功率点。考虑到光伏(PV)资源的I-V和P-V曲线的非线性特征，其输出功率取决于光伏的工作点。也就是说，对于温度或辐照的变化，应该采取一些方法来获得最大工作点，即最大功率点跟踪（MPPT）。本文试图利用分布式最大功率点跟踪（DMPPT）与反激变换器相结合，优化功率，减少最大功率点周围的振荡。采用Pamp;O、INC和零驱动、自适应步长、递增（ZA-INC）制导算法，分别采用DMPPT和集中式MPPT两种方法，对MPPT进行了仿真分析，包括恒温可变辐照和恒温可变辐照，采用DMPPT和集中式MPPT。在采用ZA-INC算法的DMPPT方案中，优化了功率，减少了损耗，减少了最大功率点周围的驱动，提高了增益和跟踪速度。
关键字：光伏·MPPT·ZA-INC算法·天气条件·反激变换器
1、引言
今天，由于太阳能等可再生能源的改善，环境污染已经减少。由于使用电力电子转换器，光伏系统有所改进；这就是光伏系统如此受欢迎的原因。光伏系统在不同操作条件下的强弱性能是由于：太阳能电池板上的物体阴影、日落和日出时的遮阳、发电过程中的故障、太阳能电池板的老化和失效、面板上的灰尘层、太阳能电池板位置的选择不当、天气条件、辐照和温度。太阳能电池板的位置优化取决于机械因素，而且会带来沉重的成本。考虑到光伏源的I-V和p-V曲线的非线性，它们的传递功率取决于光伏系统的工作点。也就是说，对于温度或辐照的变化，应采取一些行动来获得最大工作点，称为MPPT。总之，MPPT系统必须确定工作点，通过调整太阳能阵列的电压和电流，以达到最大功率点。使光伏系统获得最大功率的低成本和有效的方法之一是对最大功率点进行电跟踪，试图在不同的天气条件下从电池中获得最大可能的功率。下面，对MPPT方法的研究进行简要阐述。
第一类方法包括遵循基本算法的方法，其中算法有扰动和观测（Pamp;O）、爬坡（HC）和增量电导（INC）。Pamp;O的基础是对电压产生扰动并观测输出功率。如果功率增加，扰动沿着同一路径继续，如果功率减少，扰动就会反转。该类在不需要太阳能电池参数的情况下跟踪最大功率点，其主要缺点是围绕最大功率点和低跟踪速度进行切换。
第二类方法包括基于模拟太阳能电池的方法。这些方法是通过模拟太阳能电池并建立控制模型的关系来设计和实现的。这一类的主要缺点是，如果一个太阳能电池被另一个电池取代，模拟是不可行的。因此，每种实现都是基于一种已被设计的特定种类的太阳能电池。此外，另外一个问题是必须在设计之前确定太阳能电池的模型和参数。
第三类方法包括基于操作点与太阳能电池参数之间关系的方法，其中两种方法有特定命名。第一种是采用短路电流与工作点线性关系的方法，另一种是采用工作点电压与单元开路电压之间的线性关系的被称为开路电压的方法。这一类方法的缺点是不能考虑温度和辐照变化的影响。
第四类方法包括智能控制方法，其中提到模糊逻辑控制和人工神经网络。智能控制方法需要对太阳能电池进行建模，这限制了在设计的太阳能电池中使用控制系统。换句话说，不能确保它在缓和梯度下的良好表现，其效率取决于设计者的知识和技能。
一般情况下，选择MPPT系统有不同的措施，包括制造成本、增益因子、跟踪速度、功率点的精度和实现上的简单。每一种能从太阳能电池中提供最大功率的方法都是更好、更有效的。因此，与以往算法相比，选择最佳的变换器和MPPT算法使系统具有较低的驱动、较高的跟踪速度和较高的增益因子。
本文的贡献是ZA-INC法在两种情况下（CMPPT）和（DMPPT）的表现。值得注意的是，从仿真结果来看，DMPPT的优点包括可隔离、损耗减小、功率增加、增益提高、实现简单、使用反激变换器增加电压以及对所有模块使用相同的算法。采用Pamp;O、INC和ZA-INC算法对MPPT进行了两种条件下的模拟：（1）恒温可变辐照；（2）恒辐射可变温度。
图1 基于单二极管模型的电池等效电路
2、光伏电池的数学模型
图1展示了光伏电池的等效电路
等式（1）展示了二极管的电流方程
（1）
将相减得等式（2），等式（2）用来刻画光伏电池的I-V曲线
（2）
是光相关产生电流，是二极管电流，Q是电子电荷，是漏电流或二极管饱和电流，k是Boltzmann常数（），T是PN结的开尔文温度，是理想常数。
等式（2）可以用来得到等式（3）
其中是阵列的等效串联电阻，是阵列的等效并联电阻。
光伏电池中光产生的电流线性取决于太阳照射。太阳能电池产生的电流也受到温度的影响，用等式（4）描述。
分别是以k为单位的实际和标称温度。是表面辐照，是标称辐照。
是二极管的饱和电流，它对温度的依赖关系用方程（6）描述。
是热电压，结合式1至式6，将和的关系用式（7）等效表示
和是MPP的电压和电流。等式（7）表明，对于每个，存在一个为其获得最大功率点。
3、MPPT控制算法
3.1 Pamp;0控制算法
Pamp;0控制算法的主要思路是在最大功率点上，电压对功率的导数应该是零。通过保持下一个扰动点不变或反转，阵列的扰动电压通过保持下一个扰动不变或反转来增加或减小输出功率使其接近最大功率点。在该方法中，周期性地改变工作周期的工作点，然后将模块的新输出功率与其先前的值进行比较，以选择合适的最大功率占空比。图2显示了该算法的流程图。
3.2 增量电导控制算法
该算法适用于像航空航天工业这样要求高精度的系统。在该方法中，如果dP/dV为正，则遵循相同的方向来达到阵列的扰动电压，通过保持下一个扰动不变或逆转dP/dV为零，增加或降低输出功率并接近最大功率点。如果dP/dV为负值，则应遵循反向以达到意图点。方程组（8）给出了该算法的三个工作点。
换句话说，如果电流和电压的变化为零，则不需要增加或降低参考电压。如果电流变化为负值时电压变化为零，则应降低参考电压。图3显示了该算法的流程图。
图2 Pamp;O算法
图3 INC算法
3.3 ZA-INC控制算法（零浮动，自适应步长，增量电导）
在该方法中，运动步长法是利用辐照变化来确定的。在ZA-INC算法中，最大功率点附近的波动减小，跟踪速度和增益因子比INC增加。调整ZA-INC使MPPT接近最大功率点。它可以用于环境变化，允许该算法跟踪阵列的环境或天气变化，检测MPP，并通过创建人为扰动来向负载提供最大功率。根据天气变化，根据辐照梯度调整MPPT的精确步长。在确定自适应步长时，如果降低辐照梯度，MPPT算法应选择较小的步长来跟踪最大功率点。如果辐照梯度增加，MPPT算法应该为MPPT选择更大的步长。该算法的流程图如图4所示。
图4 ZA-INC算法
4、反激变换器
反激变换器是最广泛的功率电子变换器之一，广泛应用于低功率和高功率。反激变换器的普及是由于其结构简单，使得单开关反馈变换器仅由一个开关、一个二极管、一个变压器和一个电容组成。在低功率下，因为在输出端不使用滤波电感，反激变换器的转换密度就高于其它变换器。
反激变换器是非隔离变换器家族中元件数量最少的最简单成员，应用范围广泛。反激变换器类似于升压变换器，只是在电感中增加了一个额外的绕组，除了隔离之外，它还为电路增加了许多功能，包括:
bull;多个输出。
bull;输出可能为正也可能为负。
bull;输入和输出之间的电气隔离度非常高。
反激变换器的性能类似于buck-boost变换器；在开关接通的占空比中，当电流通过变压器一次侧时，反激变换器通电，当开关断开时，通过在负载中放电能量来降低能量。图5显示了反激变换器及其电流和电压。
图5 反激变换器及其电流电压
如果能量保持在核心，直到下半个周期，运行模式是连续的；如果它不保持，运行模式是不连续的。当开关闭合时，具有斜率的三角线性电流通过主电流，并持续到开关断开为止。当开关闭合时，等于开关的饱和电压，当开关断开时，该电压达到（加上二极管压降和瞬态状态）。当开关断开时，二次侧的电流随斜率的减小而减小。如果将反激变换器置于模块的输出端，则使用获得反激变换器的输出电压。
k是反激变压器的转换比，是控制反激变换器的开关占空比；随着的增加，也增加。
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