光伏发电系统MPPT改进方法研究-solarbe文库

资源描述：

第２９卷第４期２０１３年４月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.29 No.4Apr. 2013文章编号１６７４－３８１４（２０１３）０４－００９１－０５中图分类号ＴＭ６１５文献标志码 A光伏发电系统ＭＰＰＴ改进方法研究党克 1，杨维湘 1，严干贵 1，马聪 2（ 1. 东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012； 2. 宝安供电局，广东深圳 518101）An Improved MPPT Method in PV Power SystemDANG Ke 1， YANG Wei-xiang 1， YAN Gan-gui 1， MA Cong2（ 1. Schoolof Electrical Engineering， NortheastDianli University， Jilin 132012， Jilin， China； 2. BaoanElectric PowerSupplyBureau， Shenzhen518101， Guangdong， China）ABSTRACT Aiming at the vibrating and misjudging problemof the classic PO method and taking the irregular slop rate aswell as uni-modality in the workspace of the PV array intoconsideration， this paper presents a new variable-step andimproved PO method appropriate for MPPT. With the impr-ovement made to the MPPT， it can deal with the nonlinear andtime-varying of the PV array effectively to boost the capacity ofthe system. According to the result of the simulation， thismethod improves the speed and stability of the system， andobtains a favorable curve via the simulation of the single-phasePV grid system by PSCAD， and boosts the efficiency for solarenergy utilization.KEY WORDS PV； three-phase grid connected； MPPT； PO；variable-step摘要研究了适合最大功率跟踪算法的新型变步长和改进型扰动观察法，以及将目标点扩展为一个区域的概念。改进最大功率跟踪方法，可有效应对光伏阵列的非线性和时变性，提高系统的有效产能，针对经典扰动观察法存在的振荡、误判问题，考虑到光伏阵列输出曲线最大功率点两侧斜率变化不一致和 P-V 曲线在工作区间内单峰性的特点。仿真结果表明，该方法提高了系统的稳定性和跟踪速度，在 PSCAD环境下建立的三相并网系统中也得到了良好的仿真曲线，提高了光伏并网系统对光能的利用率，对并网电能质量方面的问题产生了积极作用。关键词光伏；三相并网；最大功率点跟踪；扰动观察法；变步长近年，全球光伏产业迅猛发展，太阳能能源将逐渐由补充能源向替代能源过渡 [1]，并网发电是必然趋势。在光伏发电系统中，如何提高太阳能电池工作效率，以及在复杂环境下，提高整个系统工作的稳定性 [2]，减小部分遮挡带来的影响，减小功率波动，是目前存在的一些问题。为降低整个系统的造价并提高能源利用率，可以对最大功率点跟踪对最大功率点的跟踪过程，是一个寻找最优解的过程。扰动观察法（ PO）是目前应用较多的方法之一。但经典算法流程中的判定环节存在振荡与误判的问题，以上 2个问题会导致控制信号有效瞬时值相对其目标位置产生短期的积累性变化，对系统平稳运行不利，也使扰动法在面对复杂天气环境时，效果不理想。目前，存在变步长与扰动观察法结合的方法，即根据跟踪点与目标点的距离变换步长若跟踪点与目标点距离较大，则使用大步长提高运算速度，距离较小时，改换小步长以提高跟踪精度。这种方法可以减少迭代次数，提高运算速度，但针对振荡与误判的问题，效果并不明显，由于目标两侧的斜率变化率极不对称，传统变步长甚至会加剧系统的功率波动，所以变步长与 PO的结合度不是很高，仍有提升的空间。针对上述问题，本文提出一种改进方案。通过分析跟踪点振荡与误判时产生抖动的外界条件、内部原因，论述了改进方案及其合理性。1 仿真电路与建模1.1 光伏阵列的模型计及照度与温度等因素的数学模型基金项目国家自然科学基金项目（ 51277024）。Natural Science Foundation Project（ 51277024） .清洁能源Clean EnergyII sc（ 1- C1（ exp（ V-d VC2Voc） -1）） dI （ 1）dIα R/RrefdT（ R/Rref-1） Isc （ 2）dV- β dT- RsdI （ 3）dTTc- Tref （ 4）Rs NsNpRs· ref （ 5）C1（ 1- I m/Isc） exp- V mC2Voc （ 6）C2（ Vm /V oc-1） /ln（ 1- Im /I sc）（ 7）式中， Rref为照度的参考值， W/m 2； Tref为电池温度的参考值， ℃ ； R是实际照度， W/m2； Tc是环境温度， ℃ ； α 、 β是电流和电压变化的温度系数（ A/℃ 和 V/℃ ）； V oc是阵列的开路电压， V； I sc是短路电流， A； Rs是模块的串联电阻， Ω ，它受到串并联数影响，但是一般只有几欧； N、 Np为阵列模块串联数、并联数； Rs· ref是单个模块参考电阻， Ω 。在 PSCAD中建立光伏阵列模型并进行仿真，仿真曲线如图 1所示，在相同温度、不同照度（ 600 W/m2，800 W/m2， 1 000 W/m2）的情况下，阵列的 P-V 、 I-V曲线都分别表现出其输出具有很强的非线性 [3]。1.2 三相光伏发电系统的结构三相光伏发电系统的结构图如图 2所示。主要组成部分为 DC-DC 变换器、 DC-AC 逆变器和滤波电路。 DC-DC 变换器为 CUK 电路，用于提高复杂天气下系统的灵活性，辅助 MPPT模块工作，保证较高的转化效率； DC-AC 为全桥逆变电路 [4-5]。2 经典方法2.1 变步长法变步长这种经典的方法适用范围很广，可以对很多算法的收敛速度进行优化。但是如前言中所述，经典变步长法与 PO结合度不高，原因如下。图 3为图 1（ a）中 1 000 W/m2时 P-V 曲线的斜率，O点为斜率为零的点， K表示斜率，横轴为时间轴。纵坐标的数量级较大，横坐标相对较小，但 O点左侧并非水平线，并且其斜率为正（可参照图 1（ a））。如图 3，在 O点左侧斜率变化相对缓慢，而在其右侧变化速率极快。引入变步长时，若只根据目标点与跟踪点间的距离改变步长，那么势必会引起目标点附近出现不规律跟踪。由于在 K0点附近，相对左侧较小的步长也可能引起右侧较大的距离变化，所以按照距离变换步长并不符合阵列的输出特性。2.2 扰动观察法扰动观察法通过周期性扰动阵列的工作电压，再比较其扰动前后的功率变化，调整跟踪电压，使输出功率趋于最大 [6-8]。流程图见图 4。其中， V（ k）、 I（ k）和 P（ k）分别是 k时刻的阵列电压、电流采样数据和计算出的功率， V（ k -1）、 I（ k-1）和 P（ k -1）则是前一个时刻对应的数据， Δ V 是调整步长。从图 4可以看出，在第一个判定环节 P（ k） - P（ k-1） 0，仅当两采样点功率恰好相等或在硬件精度盲区内，才会判定为真。又因为对最大功率的跟踪具有往复性的特点跟踪不会一次完成，很可能要在目标点两侧反复逼近，这个环节可能使追踪点振荡，导致控制信号的抖动，进而影响输出电压的稳定性，影响系统整体的平稳运行。图 3 P-V 曲线的斜率Fig. 3 The slope of the P-V curve图 2 三相光伏发电系统结构图Fig. 2 The frame of the PV power system图 1 不同照度下的阵列 I-V 和 P-V 曲线Fig. 1 The I-V and P-V curves in different illuminations党克，等光伏发电系统ＭＰＰＴ改进方法研究 Vol.29 No.4清洁能源Clean Energy92第２９卷第４期电网与清洁能源3 改进方案3.1 新型变步长法为了兼顾跟踪与控制精度，在对图 3分析的基础上，引入以下改进方案。引入斜率 KKdP/dV （ 8）Δ V0.01K， K＞ 00.1K- Kmin， K≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤0 （ 9）式中， K、 Kmin为斜率和斜率的开区间的下界。若跟踪点接近最大功率点，则斜率值的绝对值变小（见图 3），迭代步长 Δ V 随之变小，从而减少功率振荡。从图 3可以看出，最大功率点两侧，斜率的变化情况有所不同，据此公式（ 9）给出了两种情况，跟踪点位于目标点左侧时， K变化相对平滑缓慢，右侧时， K为负且呈现一个类抛物线的变化，如果根据 K的变化，调节 Δ V，可使步长的变化更加适合跟踪需要。3.2 改进扰动观察法如图 1（ a）所示，由于光伏阵列的输出功率在工作区间内具有单峰性，又因为功率电压曲线与 X轴围成一个闭合凸曲面，所以，存在很多对功率相等而电压不同的点（例如图 1（ a）中 O与 X标记）。如果由于环境因素变化使阵列输出发生变化，使阵列的输出从其中一个标记点附近跃变到另一个附近，那么图 4中第一个跟踪判定环节就会发生误判，认为已经跟踪到了最大功率点。如图 1（ b），标记的两点有相同的电压值，但是由于光照不同输出电流不相同。如出现阵列部分遮挡等干扰，使输出从 X标记点跃变到 O标记点，那么图 4中的二级和三级判定环节就会误判或者进入死循环，可能导致电压波动甚至崩溃。考虑到经典扰动法震荡的问题以及光伏阵列本身较强的非线性，给算法中加入一个限制参数，将目标点扩展为一个区域， D是其半径，当功率跟踪点达到目标域，就视为追踪完成（算法返回），这样既避免了追踪点的震荡情况，也减少了一部分运算。针对之前提到的误判问题，加入一条判据，依次对相邻 2个功率跟踪点、电压跟踪点进行比较，若比较环节的返回值为逻辑 1，则进行下一次循环，否则说明可能出现了误判，要进入电压比较环节进行确认，然后再继续进行迭代。图 5为结合了上一小节新型变步长方法的改进扰动观察法流程图。4 仿真实验根据图 2搭建系统仿真图 [9-15]，得到曲线如图 6所示，图 5（ a）为改进前后 2种跟踪方法下得到的 DC-DC变换器电压输出曲线；图 5（ b）、（ c）分别为并网电压、电流曲线。图 5 改进后的扰动观察法流程图Fig. 5 The improved P＆ O图 4 扰动观察法控制流程图Fig. 4 A control flow of P＆ O清洁能源Clean Energy93从图 5中可以看到，改进方案较经典方案的稳定性与跟踪速度有了一定提高（图 5（ a））超调量减小，振荡与误判问题基本解决，更快的进入稳定状态（经典方法在 0.075 s和 0.100 s之间、 0.125 s时仍然有小幅波动），可以得到比较理想的并网电压与电流（图 5（ b）、（ c））。5 结论合理有效的跟踪方法可以提高对能源的利用率，而且可以减少效率波动，保证系统稳定运行。本文在总结经典跟踪方法的基础上，分析了光伏阵列的特性，提出了适合最大功率跟踪算法的新型变步长和改进型扰动观察法，在对经典跟踪方法的改进中，将目标点扩展为一个区域，有利于系统稳定运行、减少功率振荡。通过仿真，该证明方法可行。参考文献[1] 张超，郭晓芸，陈进美 . 基于 PSCAD并网光伏发电系统MPPT控制 [J]. 水电能源科学， 2011， 29（ 9） 209-212.ZHANG Chao， GUO Xiao-yun ， CHEN Jin-mei. MPPTcontrol of grid-connected photovoltaic power generationsystem based on PSCAD[J]. Water Resources and Power，2011， 29（ 9） 209-212 （ in Chinese） .[2] 戴武昌，孔令国，崔柱 . 大规模光伏并网发电系统建模与运行分析 [J]. 中国电力， 2012， 49（ 2） 58-63.DAI Wu-chang ， KONG Ling-guo ， CUI Zhu. Modelling ofa large scale grid-connected PV system and its operationanalysis[J]. Electric Power， 2012， 49（ 2） 58-63 （ inChinese） .[3] 孙自勇，宇航，严干贵，等 . 基于 PSCAD的光伏阵列和MPPT控制器的仿真模型 [J]. 电力系统保护与控制，2009， 37（ 19） 61-64.SUN Zi-yong ， YU Hang， YAN Gan-gui， et al. PSCADsimulation models for photovoltaic array and MPPTcontroler[J]. Power System Protection and Control， 2009，37（ 19） 61-64 （ in Chinese） .[4] 吕新良 . 张旭，宋晓林 . 分布式光伏发电运行控制技术研究 [J]. 陕西电力， 2012（ 1） 66-69.L譈 Xin-liang ， ZHANG Xu， SONG Xiao-lin. Study ondistributed photovoltaic operation control tehcnology[J].Shaanxi Electric Power， 2012（ 1） 66-69（ in Chinese） .[5] 寇凤海，朱晓荣，张建成，等 . 光伏发电系挽发电童的一种表征方法 [J]. 陕西电力， 2010（ 12） 38-41.KOU Feng-hai ， ZHU Xiao-rong ， ZHANG Jian-cheng. Arepresentation method for generating capacity of photovol-taic power generation system[J]. Shaanxi Electric Power，2010（ 12） 38-41 （ in Chinese） .[6] 焦阳，宋强，刘文华 . 基于改进 MPPT算法的光伏并网系统控制策略 [J]. 电力自动化设备， 2010， 12（ 30） 92-96.JIAO Yang， SONG Qiang， LIU Wen-hua. Photovoltaicgrid system control strategy based on the improved MPPTalgorithm[J]. Electric Power Automation Equipment， 2010，12（ 30） 92-96 （ in Chinese） .[7] 黄先伟，张森，岑长岸 . 参数辫识在光伏发电枚制系挽中的应用 [J]. 陕西电力， 2008（ 4） 5-8.HUANG Xian-wei ， ZHANG Sen， CEN Chang-an. App-lication of parameter identificationin control system forphotovoltaic generation[J]. Shaanxi Electric Power， 2008（ 4） 5-8 （ in Chinese） .[8] 杨苹，曾晓生 . 单相光伏并网发电系统控制方法的研究 [J].电力电子技术， 2012， 46（ 2） 48-51.YANG Ping， ZENG Xiao-sheng. Research on controlarithmetic of the single phase grid connected photovoltaicsystem[J]. Power Electronics， 2012， 46（ 2） 48-51 （ inChinese） .[9] 杨秋霞，高金玲，荣雅君，等 . 单相光伏并网系统共模电流分 [J]. 电网技术， 2011， 35（ 1） 180-185.YANG Qiu-xia ， GAO Jin-ling ， RONG Ya-jun ， et al.Analysis on common mode current of single-phase grid-connected PV system[J].Power System Technology， 2011，35（ 1） 180-185 （ in Chinese） .图 6 仿真曲线Fig. 6 The simulation curve党克，等光伏发电系统ＭＰＰＴ改进方法研究 Vol.29 No.4清洁能源Clean Energy94第２９卷第４期电网与清洁能源（上接第 90页）Automation of Electric PowerSystems， 2012， 35（ 2） 20-25（ in Chinese） .[15] 倪以信 . 动态电力系统的理论与分析 [M]. 北京清华大学出版社， 2002. 收稿日期 2012-10-12 。作者简介曹娜（ 1971 ），女，副教授，博士，研究方向新能源发电技术；于群（ 1970 ），男，副教授，博士，研究方向电力系统及其自动化；戴慧珠（ 1937 ），女，教授，博士生导师，研究方向新能源发电技术。（编辑徐花荣）[10] 苏建徽，汪长亮 . 基于虚拟同步发电机的微电网逆变器 [J].电工电能新技术， 2010， 29（ 3） 26-29.SU Jian-hui ， WANG Chang-liang. Virtual synchronousgenerator based inverter in microgrid[J]. Advanced Tech-nologyof Electrical Engineering and Energy， 2010， 29（ 3） 26-29（ in Chinese） .[11] 海涛，刘得刚，骆武宁，等 . 一种太阳憾光伏并网逆变器的研究 [J]. 陕西电力， 2010（ 1） 49-52.HAI Tao， LIU De-gang， LUO Wu-ning ， et， al. Researchon solar photovoltaic grid-connected inverter[J]. ShaanxiElectric Power， 2010（ 1） 49-52（ in Chinese） .[12] 李明，易灵芝，彭寒梅，等 . 光伏并网逆变器的三环控制策略研究 [J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（ 19） 46-50.LI Ming， YI Ling-zhi ， PENG Han-mei， et al. Researchofthree-loop control method of photovoltaic grid-connectedinverter[J]. Power SystemProtection and Control， 2010， 38（ 19） 46-50 （ in Chinese） .[13] 张犁，孙凯，冯兰兰，等 . 一种模块化光伏发电并网系统 [J]. 中国电机工程学报， 2011， 31（ 1） 26-31.ZHANG Li， SUN Kai， FENG Lan-lan ， et al. A modulargrid-connected photovoltaic generationsystem[J].Proceed-ings of the CSEE， 2011， 31（ 1） 26-31 （ in Chinese） .[14] 周倩，薛建，于辰 . 基于 MATLAB 的光伏并网系统的仿真分析 [J]. 陕西电力， 2012（ 1） 19-22.ZHOU Qian， XUE Jian， YU Chen. Analysis and simulationfor grid-connect photovoltaic system based on Matlab[J].ShaanxiElectric Power， 2012（ 1） 19-22（ in Chinese） .[15] 寇凤海 . 分布式光伏电源对配电网网损的影响 [J]. 电网与清洁能源， 2011， 27（ 11） 62-68.KOU Feng-hai. Impact of distributed photovoltaic powersources on distribution network loss[J]. Power System andClean Energy， 2011， 27（ 11） 62-68 （ in Chinese） .[16] 石波 . 提高风力和光伏发电质量的探索 [J]. 西北水电，2010（ 6） 39-40.SHI Bo. Exploration of improving the quality of wind andphotovoltaic power generation[J]. Northwest Hydropower，2010（ 6） 38-39 （ in Chinese） .[17] 陈俊，惠晶 . 基于模糊策略的光伏发电 MPPT控制技术 [J].现代电子技术， 2009（ 6） 182-185.CHEN Jun， HUI Jing. Study on MPPT for photovoltaicgeneration basedon fuzzy control strategy[J]. Modern Elec-tronics Technique， 2009（ 6） 182-185 （ in Chinese） .[18] 朱正菲，周光明，沈煜，等 . 一种 10 kW光伏逆变器的研究与开发 [J]. 能源工程， 2007（ 4） 37-40.ZHU Zheng-fei ， ZHOU Guang-ming ， SHEN Yu， et al.Researchand developmentof a kind of 10 kW photovoltaicinverter[J]. Energy Engineering， 2007（ 4） 37-40 （ inChinese） .[19] 柴玉梅，王峰 . 某 15 MW太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析 [J]. 节能， 2010（ 9） 24-27.CHAI Yu-mei ， WANG Feng. A 15 MW solar roof PVengineering application analysis[J]. Energy Conservation，2010（ 9） 24-27 （ in Chinese） . 收稿日期 2012-12-18 。作者简介党克（ 1960 ），男，学士，研究员，硕士生导师，研究方向为新能源发电、电力系统电能质量及分布式发电；杨维湘（ 1986 ），男，硕士研究生，研究方向为光伏发电技术。（编辑徐花荣）清洁能源Clean Energy95