使用极值搜索控制在太阳能光伏系统中实现最大功率点跟踪

使用升压转换器在太阳能光伏系统中实现 MPPT

此示例使用升压 DC-DC 转换器来控制太阳能光伏功率。升压转换器在 MPPT 模式下运行，以便在给定的入射辐照度和电池板温度条件下，实现太阳能光伏电站的最大发电功率。Solar Plant 子系统对包含并联太阳能电池板组串的太阳能电站进行建模。Simscape™ Electrical™ 库中的 Solar Cell 模块用于对太阳能电池板进行建模。在此示例中，假设所有太阳能电池板上的辐照度和温度保持一致。

加载实时脚本 ESCSolarPVMPPTBoostData 中定义的太阳能光伏电站和升压转换器参数。

run("ESCSolarPVMPPTBoostData");

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****                PV Plant Parameters for the Specified Solar Panel                 ****
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*** Power rating input from the user  =  2.00 kW 
*** Minimum number of panel required per string  =  8 
*** Maximum number of panel connected per string without reaching maximum voltage  =  10 
*** Minimum power rating of the solar PV plant  =  1.80 kW 
*** Maximum power possible per string without reaching maximum DC voltage  =  2.25 kW 
*** Actual number of panel per string  =  9 
*** Number of strings connected in parallel  =  1 
*** Actual solar PV plant power  =  2.03 kW
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基于极值搜索控制的 MPPT

为了实现令人满意的控制性能，极值搜索控制器实时调整控制参数，以最大化目标函数。此示例使用太阳能光伏的瞬时功率作为目标函数，该功率取决于电流 $I_{\text{pv}}$ 和电压 $V_{\text{pv}}$。

由于选择了瞬时功率作为目标函数，ESC 模块直接最大化太阳能光伏的功率输出。指定电压设定点 $V_{\text{mpp}}$ 的初始猜测值。

Vmpp_ini = solarPlant.startMPPTValue;

指定极值搜索控制参数

Simulink® Control Design™ 软件通过 Extremum Seeking Control 模块实现 ESC 算法。配置该模块的参数。

指定待调节参数数量，即电压设定点 $V_{\text{mpp}}$。

N = 1;

指定学习率 lr，方法是将该值从默认值 1 开始逐渐增大，直至达到稳定和收敛。在此示例中，使用与其他 MPPT 示例相同的值来指定初始条件 IC。

lr = 10;
IC = Vmpp_ini;

通过指定频率 (omega)、相位（phi_1 和 phi_2）和振幅（a 和 b），配置解调与调制信号。

omega = 100;  % Forcing frequency
a = 0.25;     % Demodulation amplitude
b = 0.025;    % Modulation amplitude
phi_1 = 0;    % Demodulation phase
phi_2 = 0;    % Modulation phase

使用低通滤波器去除解调信号中的高频噪声。将滤波器的截止频率指定为 1 弧度/秒。

omega_lpf = 1;

对使用 MPPT 的太阳能光伏系统进行仿真

要研究基于 ESC 的 MPPT 控制器，请打开 ESCSolarPVMPPT 模型。

mdl = "ESCSolarPVMPPT";
open_system(mdl)

通过在 PV Control 模块中直接构造目标函数来实现 ESC 算法。与其他 MPPT 算法相比，基于 ESC 的算法要简单得多。

open_system(mdl + "/PV Control/Maximum Power Point/MPPT/ExtremumSeeking")

对模型进行仿真，以展示恒定辐照度下的 MPPT 控制性能。

sim(mdl,"StopTime","0.5");

下图显示了太阳辐照度为 1000 时的仿真响应。太阳能输出功率在约 50 毫秒内迅速达到其最大值。这种快速响应使太阳能发电系统的响应速度比使用传统 MPPT 算法快得多。

或者，您也切换为可变辐照度，检验 MPPT 控制器在不同工况下的性能。例如，您可以将 Signal Editor 模块的活动场景设置为 RampVaryingSolar1000_6000，其中辐照度以 50 为步长，由 1000 下降至 600，如下图所示。然后，您可以在可变太阳辐照度下运行完整仿真，并观测控制器性能。

结论

此示例说明了如何在太阳能光伏 (PV) 系统中基于 ESC 实现最大功率点跟踪 (MPPT) 算法。在恒定及变化的辐照度条件下观测性能时，使用极值搜索控制在各种工况下均能快速收敛至最大功率输出。