01光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述

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光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述周林 , 武剑 , 栗秋华 , 郭珂重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 ,重庆 400044摘要光伏发电系统的运行需要快速准确地进行最大功率点跟踪 M PPT , 但目前很多最大功率点跟踪方法跟踪不够准确 ,从而导致了光伏系统的功率损失 , 为此综述了光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法 , 包括日益成熟、改进和优化策略较多的扰动观察法和电导增量法 ,并总结了两种方法应用的局限性和需要注意的问题。从最大功率点跟踪的控制原理和发展历程出发 ,归纳了基于优化数学模型、扰动自寻优、智能处理方法及输出端控制等 4 类方法 ,分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处 ,并指出具体选择方法时需要统筹考虑跟踪方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度与精度的协调以及应用领域等各种因素。最后探讨了最大功率点跟踪控制方法的发展思路 ,对该领域今后的研究方向做了展望 ,指出单级式光伏逆变系统中的最大功率点跟踪己成为国内外光伏领域的一个研究热点。关键词最大功率点跟踪 ; 最大功率点 ; 光伏阵列 ; 光伏发电 ; 扰动观察法 ; 电导增量法中图分类号 TM 615 文献标志码 A 文章编号 1003- 6520 2008 06- 1145- 10基金资助项目重庆市自然科学基金 CST C2007BB6170 。Project S upported by Natural Science Fou ndation of Chongqing CSTC2007BB6170 .Survey of Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic ArrayZHO U Lin , W U Jian , LI Qiu-hua ,GUO Ke State Key Laboratory of Transmission maximum power point M PP ; photovoltaic PV array;photovoltaic pow er generatio n; perturb- and- observation ; incremental conductance0 引言随着经济的发展和社会的进步 , 能源需求日益增长 ,常规能源越来越供不应求。同时 ,常规能源的大量使用造成了世界范围内的环境污染和生态恶化 ,因此新能源的开发和应用成为当今世界发展的必然趋势。太阳能是一种十分具有潜力的新能源 ,光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一。虽然光伏发电与常规发电相比有技术条件的限制 ,如投资成本高、系统运行的随机性等 ,但由于它利用的是可再生的太阳能 ,而且作为清洁能源无大气和放射性污染 ,因此其具有良好的发展前景 [ 1 ,2 ] 。由于光伏电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化具有强烈的非线性 ,因此在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点 M PP 。在实际的应用系统中 ,自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中 ,为了在同样的日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能 ,就存在着一个最大功率输出点跟踪 M PPT 的问题。本文按照控制理论的出发点以及 M PPT 控制方法的发展过程 , 对常用的 M PPT 控制方法进行了分类总结并分析比较了各种方法的优缺点。1 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法光伏电池是一种非线性的直流源 ,图 1 和图 2分别给出了某光伏阵列不同光照强度和不同电池结温下光伏阵列输出的特性曲线。由图 1 和图 2 可知 ,当外界自然条件改变时 ,光伏阵列的输出特性将·1145· 第 34 卷第 6 期2008 年 6 月高电压技术High Voltage EngineeringVol .34 No .6June 2008随之改变 ,其输出功率及最大功率点亦相应改变。并且 ,光照强度变化主要影响阵列输出电流 ,而电池结温的变化主要影响输出电压。当光伏阵列的工作电压位于最大功率点电压 U M PP 时 ,光伏阵列就输出最大功率 P MPP 。早期对光伏阵列 M PPT 技术的研究主要是定电压跟踪法 CV T [ 3] 、光伏阵列组合法 [ 4] 以及实际测量法 [ 5] 。CV T 法是一种简化的最大功率点跟踪方法 , 这种方法实际上是一种稳压控制 ,但是这种跟踪方法忽略了温度对阵列输出电压的影响 ,其实质并不是真正的最大功率点跟踪 , 对于四季温差或日温差比较大的地区 ,CV T 法并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。光伏阵列组合法是较早提出的一种方法 ,这种方法是针对不同的负载来调节光伏阵列串并联的个数 ,从而使光伏阵列满足不同的负载要求并工作在最大功率点上。但是这种方法存在致命的缺点 , 它的实时性很差 ,不能在外界环境变化时及时地改变光伏阵列的工作点。实际测量法是利用一片额外的光伏阵列模组以建立光伏阵列在一定日照量及温度时的参考模型 ,这种方法优点是可以避免因光伏电池的老化而失去准确度 ,但是这种方法对于小功率系统而言成本太高 ,对于大功率系统则需要考虑多重最大值的问题。在更为广泛的意义上 ,研究光伏材料以及光伏阵列最大功率的机械式跟踪方法 [ 6 ,7] 也是获得光伏阵列更高转换效率的方法 , 研究人员在这两方面一直都在努力。1.1 基于优化数学模型的 MPPT 控制方法这类方法是以建立优化的数学模型为出发点 ,构造求解方法及光伏阵列特性曲线 ,从而得出光伏阵列的最大功率输出 , 所以光伏电池的等效电路模型及各种参数的正确性是需要着重考虑的。1.1. 1 开路电压比例系数法从光伏阵列的外特性可知 ,当光伏阵列的开路电压 U OC 在不同的光强和温度下发生改变时 ,光伏阵列的最大功率点电压 U MPP 也近似地随之成比例变化。由此可以得出光伏阵列的最大功率点电压U M PP和光伏阵列的开路电压 U OC 之间存在着近似的线性关系 ,即U M PP ≈ k1U OC 。 1式中 ,k1为比例常数且 0 , 在最大功率点左侧 ;dPdU PMA X ,由于直流侧的功率输入和输出不再平衡则直流侧电压 U link 会衰减。因此 , PWM 变流器需要进行反馈控制 ,通过调节交流侧的电流幅值来避免直流侧电压的下降 , 这样就可以把工作点稳定在最大功率点。这种 MPPT 控制方法不需要计算光伏阵列的输出功率并且只需要逻辑运算放大器和逻辑控制电路即可很容易实现。这种方法的动态和稳态性能在很大程度上依赖主电路以及控制系统的参数选择 ,但是参数的设计选择相比于其他的方法要复杂的多。1 .4 .3 极值周期控制法极值周期控制法不需要获得太阳能阵列的信息 ,利用系统在最大功率点附近时 ,功率平衡与不平衡的边界处所固有的极值周期来实现最大功率点跟踪 [ 4 3] 。升压变换器和逆变器间的直流侧电压 U lin k通过升压斩波电路的 PI 控制保持恒值 ,与此同时 ,U link 的误差信号通过逆变器侧的比较器观察 , 负载水平通过改变交流电流的幅值信号 I peak 来调整 ,假设积初始时刻 I peak 逐渐增大 ,在阵列功率 P arr ay到达P MAX 之前 ,在 PI 控制下直流侧的电压保持恒值。当 Parray 到达 P MAX 时 ,由于功率平衡被打破则 U link 减小不再保持恒值 , 此时 I peak 开始减小而 Ulin k 开始增加。这样一个过程是通过改变积分器的终端输入来实现的 ,这样就产生了在功率平衡与不平衡边界处的一个非线性的震荡 , 称之为极值周期。·1150· June 2008 Hig h Voltage Engineering Vol .34 No .6 表 2 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法的类比Tab. 2 Comparison of maximum power point tracking techniques for photovoltaic arrayM PPT 控制方法控制方法的优点控制方法的缺点定点压跟踪法最简单 ,简化为稳压控制忽略了温度的影响 , 非真正的最大功率点跟踪 , 将逐渐被取代光伏阵列组合法较简单 ,可根据不同负载来调节实时性很差实际测量法可以避免因光伏电池的老化而失去准确度对小功率系统成本太高 ,对大功率系统需要考虑多重最大值开路电压比例系数法电路结构简单且经济非真正的最大功率点跟踪 ,存在瞬时功率损失短路电流比例系数法可用廉价的模拟电路实现非真正的最大功率点跟踪 ,测量短路电流较复杂电流扫描法扫描电流很容易实现跟踪速度较慢扰动观察法结构简单 , 被测参数少 , 容易实现 , 研究广泛 ,改进和优化的方法较多系统在最大功率点附近会产生振荡 ,步长的选择会影响跟踪的速度 , 环境变化较快时功率损失大且可能发生误判电导增量法通过修改逻辑判断式减小了振荡步长和阀值的选择上存在一定的困难波动相关控制法利用的是光伏系统自然存在的扰动 , 可使用简单且廉价的电路实现需要变流器工作在连续导电模式模糊逻辑控制法控制和跟踪迅速 ,具有较好的动态和稳态性能设计环节需要设计人员更多的直觉和经验神经网络法训练结束后的效果比简单的查表功能要好的多不同的光伏阵列系统需要进行有针对性且长时间的训练单周控制法可同时控制最大功率点跟踪和直流 / 交流转换非真正的最大功率点跟踪 ,单周控制参数的选择重要却较复杂滑模控制法明显的改善光伏系统的跟踪速度 Δ u 变化步长的选择会影响系统跟踪的动态和稳态特性负载电流 / 电压最大法实现简单非真正的最大功率点跟踪直流侧电压下降控制法实现简单 , 无需计算光伏阵列的输出功率参数的设计选择十分重要但是较复杂极值周期控制法不需要获得太阳能阵列的信息参数的设计选择十分重要但是较复杂这种方法不需要获得太阳能阵列的电压和电流信息就可以实现输出功率的最大化 ,并且它的实现电路较简单。这种方法的跟踪效果在很大程度上依赖系统的参数选择 ,但是参数的设计选择相比于其他的方法要复杂。1.5 选择 M PPT 控制方法时应考虑的问题表 2 列出了前边介绍的各种光伏阵列最大功率点跟踪控制方法的优缺点以便对比。在 M PPT 控制方法的选择上 ,除了需要考虑各种方法本身的优缺点外 ,针对不用的应用领域还需要考虑多种不同的因素控制方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度和精度、应用领域等。采用模拟电路实现的 M PPT 控制方法在实现的难易程度上较其他采用采用数字信号处理器的控制方法要简单和经济 , 且不像采用数字信号处理器的控制方法那样需要软件编程来实现和优化算法。对于不同的控制方法需要采集不同的信号进行控制 ,例如电压、电流、光照强度和温度等信号。通常情况下测量电压要比测量电流更加容易 ,并且电压传感器要比电流传感器便宜。如果实现过程当中需要使用光照强度传感器则会进一步提高系统的成本。跟踪速度及精度是衡量一种控制方法的重要指标 ,在考虑跟踪速度和精度时应着重考虑光伏阵列应用的领域对其的要求 [ 44- 47] ,例如太阳能汽车对跟踪速度有较高的要求 , 而卫星、空间站等则对跟踪的速度和精度都有很高的要求。2 MPPT 控制方法研究发展方向通过上述分析可以看出 , 各种跟踪控制方法都有自己的优点同时又不可避免的存在缺点 ,由于光伏发电最大功率点跟踪控制方法的发展不很完善 ,其技术手段尚未完全成熟 , 因此光伏阵列最大功率点跟踪控制方法还具有广泛的研究前景和发展空间。2 . 1 数学模型逐步优化、智能处理方法广泛应用数学模型的逐步优化是希望在已知影响光伏阵列的光照强度和温度两大因素的情况下 ,尽可能精确地实时获得光伏阵列的最大功率点。人工智能是计算机科学和工程领域的一个重要分支 ,本文已经介绍了基于模糊逻辑和人工神经网络的 M PPT 控制方法 ,尽管人工智能还有很多缺陷 ,但是它在某些方面还是更胜于人类思维。随着光伏阵列最大功率点跟踪控制方法研究的逐渐深入 , 数学模型的逐步优化将会简化求解方法 ,智能处理方法的应用也会得到越来越多的应用。2 .2 多种控制方法的有机结合·1151· 2008 年 6 月高电压技术第 34 卷第 6 期由于各种 M PPT 方法均存在着一定的缺点或者局限性 ,并且对其进行改进又要付出实现难易度以及成本上的代价 ,因此对各种方法有机结合则可以扬长避短 ,充分发挥各种方法的优点。由于每天早晨光伏阵列启用和晚上停止使用时 ,光照强度非常低 20～ 50 W/ m 2 ,在这种情况下光伏阵列的 P-U 曲线是很平的 ,这样就使得扰动观察法和增量电导法的性能降低 ,甚至有可能使最大功率点的跟踪失败。在弱光的条件下 , 对电流的检测的精度要求很高 ,一般很难达到 ,当电流较小时 ,可以直接根据开路电压设定最大功率点 ,直到检测到的光伏阵列的电流高于一定值 ,再用特定的算法寻优。因此文献 [ 48] 采用了开路电压相关系数法和扰动观察法相结合的方式 , 并给出了仿真和实验的结果 ,较好的解决了这一问题。还有其他文献也提出了多种控制方法的结合 ,例如文献 [ 49] 提出了采用单周控制和扰动观察法相结合的方式 ,文献 [ 50] 提出了短路电流比例系数法和扰动观察法相结合的方式。2. 3 单级式并网系统中的应用在并网光伏发电系统中 ,主要的问题是如何提高太阳能电池工作效率 , 以及提高整个系统工作的稳定性。传统并网光伏系统一般采用两级功率转换 ,一级控制直流 / 直流变换器跟踪最大功率点 , 一级直流 / 交流变换器提供和电网电压同相的正弦电流。单级式光伏并网逆变系统则用一个能量变换环节实现两项功能。因此在单级式光伏并网逆变系统的控制中既要考虑跟踪光伏阵列的最大功率点 , 也要同时保证对电网输出电流的辐值和相位 ,控制较为复杂。日前实际应用的光伏并网系统采用这种拓扑结构的仍不多见 ,本文介绍的单周控制以及文献[ 51] 均提出了此类控制方法。随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展 , 系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服 ,单级式光伏逆变系统己成为国内外光伏领域的一个研究热点。3 结语由于光伏电池的非线性、环境条件的变化以及文中提及的各种影响因素 , 使得光伏阵列最大功率点跟踪控制成为一个复杂的综合性问题。现代应用数学和智能处理方法的蓬勃发展 ,为解决光伏阵列最大功率点跟踪这一复杂问题提供了丰富的理论依据和新的思路 ,目前在这一领域已取得大量的成果。如何将各种最大功率点跟踪控制方法进行有机结合、取长补短 ,使其能更好满足现场实际需求 ,是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究方向。随着太阳能等可再生能源利用的蓬勃发展 ,光伏阵列最大功率点跟踪技术的实现方法的简化以及跟踪速度和跟踪精度的提高是将来必然的发展趋势。参考文献[ 1] 梁有伟 , 胡志坚 , 陈允平 , 等 .分布式发电及其在电力系统中的应用综述 [ J] .电网技术 , 2003 , 27 12 71- 74 .LIANG You- w ei , H U Zhi- jian , CH EN Yun- ping . 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