%a8光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用-solarbe文库

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第 26 卷第 20 期中国电机工程学报 Vol.26 No.20 Oct. 2006 2006 年 10 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2006 20-0098-05 中图分类号 TM51 文献标识码 A 学科分类号 48060 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用张超何湘宁浙江大学电力电子研究所浙江省杭州市 310027Short-current Combined With Perturbation and Observation Maximum-power-point Tracking Method for Photovoltaic Power Systems ZHANG Chao, HE Xiang-ning Power Electronics Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, ChinaABSTRACT The output power of PV module varies with module temperature, solar insolation and loads, so it is necessary to track MPP of the PV array all the time. In past years, many MPP control algorithms were presented to draw maximum power from the solar array. A novel online short circuit current method is presented. This method can track MPP changes rapidly without disturbing PV system. On the basis of this method, P maximum power point tracking; short circuit control; perturbation and observation control 摘要光伏电池输出功率随外部环境和负载的变化而变化为充分发挥光伏器件的效能需采用最大功率点跟踪电路对于最大功率点跟踪电路的控制已经提出了许多方法其中短路电流法和扰动观察法因其具有简单有效的优点而得到广泛应用针对短路电流法的缺点该文提出一种新的在线短路电流控制方法该方法在不干扰系统正常工作的情况下能迅速感知外部环境变化但该方法效率不高为充分发挥光伏电池的效能在线短路电流控制方法的基础上再引入扰动观察法该文扰动观察法的扰动步长针对最大功率点处稳态特性进行优化优化后扰动观察法可有效消除光伏器件输出功率在最大功率点的振荡现象从而提高系统效率仿真和实验研究证明该方法可以快速跟踪外部环境变化并消除系统在最大功率点的振荡现象基金项目国家教育部博士点基金项目 20050335059关键词光伏最大功率点跟踪短路电流法扰动观察法0 引言光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的热点 [1-2] 光伏电池输出功率与外界环境和负载情况有关为充分发挥光伏电池的功效需在光伏器件和负载之间串联最大功率点跟踪 maximum power point trackingMPPT 电路 [3-4] MPPT 电路常用的控制方法有固定参数法如固定电压法固定电流法扰动观察法及增加电导法等 [5]固定参数法利用在最大功率点工作时光伏器件工作电压电流与器件开路电压短路电流的近似比例关系进行控制此方法只需一个检测参数控制简单易行但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作对系统运行存在干扰此外所采用的控制关系是近似关系不能实现最优控制因此该方法控制精度低仅适用于小功率场合扰动观察法根据光伏器件在最大功率点处 P/ U0 的特性进行最大功率点跟踪控制以左侧为例说明该方法具体工作过程在系统稳定工作情况下假设增大最大功率点跟踪电路功率器件的占空比控制器对占空比调节前后的光伏器件输出功率输出电压进行采样计算如果输出功率与输出电压为 P/U 0则表明系统工作在最大功率点左侧应继续增加占空比直到 P/U 0 具体工作中由于扰动观测法需要比较占空比变化前后的功率电压因此光伏输出功率会在最大功率点两次反复变化严重时第 20 期张超等短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用 99 还会出现功率振荡现象降低系统效率增加电导法是对扰动观察法的改进根据 P/ U0 可以得到dI /dU- I/U 当系统满足该关系式时表明系统工作在最大功率点由于它不需要比较占空比变化前后的功率电压变化情况因此可以消除扰动观测法在最大功率点附近的功率振荡现象但该方法需高精度的检测器件虽然理论上可以消除稳态时的功率振荡但由于计算误差和检测元件精度限制实际工作中还是存在一定的功率波动且算法较复杂需较多的计算时间因而对外部环境变化的响应速度变慢 [6-7] 此外模糊控制滑模控制等方法也可用于扰动观察法以减弱最大功率点的振荡现象但是同样对硬件的要求太高控制较为复杂 [8-9]本文在分析光伏电池特性的基础上提出了一种新的 MPPT 控制方法该方法根据光伏电池工作状态分别采用短路电路法和扰动观察法以实现光伏电池最大功率点的跟踪短路电流通过在线计算获取避免了传统短路电流检测方法对系统运行的干扰提高了系统效率在此基础上为进一步提高对光伏器件的利用当系统工作在最大功率点附近时采用小步长扰动观察法可有效消除系统在最大功率点的振荡该方法不仅可以快速跟踪外部环境的变化还可有效减轻系统输出功率在 MPP 的振荡现象从而提高对光伏器件的利用率实验结果证明该方法可以快速有效的跟踪日照变化提高对光伏电池的利用率1 光伏电池特性光伏电池输出功率的函数为0 {exp[ ] 1}SqP I U I U UAKT - - 1 式中 I IS I0 分别为光伏电池输出电流光伏电池短路电流和光伏电池反向饱和电流 IS 由日照强度决定 q 为电荷常数 A 为光伏电池中半导体器件的 p- n 结系数 K 为 Blotzman 常数 T 为绝对温度 U 为光伏电池输出电压电池输出功率对输出电压的导数关系为S 0 0d / d exp[ ] [1 ]q qP U I I U U IAKT AKT - - 2 图 1 为该导数与光伏电池输出电压的关系曲线图 1 表明该导数随光伏电池输出电压的增加连续单调递减在该曲线 A 点光伏电池处于短路状态电池输出电压为零 dP/dU 大小等于电池短路电流输出功率为零随电池输出电压的增加该值缓慢下降在 A-B 区间该值近似等于电池短路电流输出功率随输出电压的上升逐步增加从点 B 到最大输出功率点 D MPP 这一段该值下降速度加快从近似等于电池短路电流快速下降到零电池仍工作在最大功率点左侧输出功率进一步增加当dP/dU0 表明系统输出最大功率随着输出电压进一步增加 dP/dU 变为负值该值随输出电压的增加快速下降输出功率随输出电压的进一步上升而快速减小 [10]- 20- 100dP/dUABDMPP C5 0 5 10 15 Uout/V 图 1 光伏电池 dP/dU- U特性曲线Fig. 1 d P/dU- U characteristic curves of PV module图 2 为外部环境稳定情况下光伏电池输出功率输出电流与输出电压特性曲线从电流电压曲线可知在 A-B 区间光伏电池输出电流基本相等可近似认为在最大功率点左侧光伏电池输出特性为电流源由上述分析可知光伏电池在最大功率左侧特性类似于电流源电池输出电流基本不变0 4 8 12 16 20 Uout/V0 2040P/W I P B0 24 Iout /A 60 6图 2 光伏模块输出功率电流特性曲线Fig. 2 PV module characteristics for fixed ambient conditions2 MPPT 工作原理光伏器件输出最大功率时它的输出电流 I o 与电池短路电流 I S 有一个近似比例关系 I o0.92I S因此如果知道电池的短路电流就可以控制系统使其近似工作在最大功率点但此比例关系仅是一个近似值它会随着外部环境电池型号及电池使用时间的变化不同因此该方法控制精度低通常用于小功率场合扰动观察法是 MPPT 控制中的一种常用方法该方法控制思路如下假设增加 MPP 电路开关的100 中国电机工程学报第 26 卷占空比若光伏电池输出功率增加则占空比继续增加直到输出功率下降反之占空比减少占空比的改变值称为扰动步长 d 在扰动观察法中扰动步长 d 为定值步长的选取要兼顾光伏发电系统动态响应速度及稳定状态下的控制精度 d 较大时对外界环境变化响应速度快但在最大功率点附近有较大的功率振荡 d 较小时最大功率点附近的功率振荡会减弱但系统对外界环境变化的响应能力变差图 3 是扰动观察法的控制仿真波形从该波形可以看出系统响应速度能满足日照变化条件下的动态响应但在日照稳定的情况下输出功率有较大的波动 [11]0 0.5 1.0 1.5 t/s0153045P/W 60图 3 扰动观察法 MPPT 仿真波形Fig. 3 The simulation waveform of P吴捷 ;侯聪玲自适应算法在光伏发电系统最大功率追踪中的应用 [期刊论文] -电力电子技术 2005022. 郑诗程 ;丁明 ;苏建徽户用光伏发电并网系统的研究与设计 [期刊论文] -电力电子技术 2005013. 王飞 ;余世杰 ;苏建徽太阳能光伏并网发电系统的研究 [期刊论文] -电工技术学报 2005054. 夏长亮 ;郭培健 ;史婷娜基于模糊遗传算法的无刷直流电机自适应控制 [期刊论文] -中国电机工程学报 2005115. 顾丹珍 ;艾芊 ;陈陈适用于快速暂态稳定计算的新型负荷模型和参数辨识方法 [期刊论文] -中国电机工程学报 2004126. 林维明 ;黄是鹏具有快速负载动态响应的 DC/DC开关变换器开环控制新策略 [期刊论文] -中国电机工程学报 2001097. 王江 ;王静 ;费向阳永磁同步电动机的非线性 PI速度控制 [期刊论文] -中国电机工程学报 2005078. 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