光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究-solarbe文库

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第３３卷第１期２０１２年２月青岛科技大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０１２文章编号１６７２－６９８７（２０１２）０１－００７８－０４光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究刘军，张成林（青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东青岛２６６０４２）摘要在光伏发电系统中，光伏电池输出特性受光照强度及环境温度影响很大，具有明显的非线性特征。为了提高光伏电池的利用效率，需要对光伏电池的最大功率点进行快速准确地跟踪控制。本研究对短路电流法与扰动观察法进行了详细的分析，最后结合两种方法的优点，提出了双模式最大功率点跟踪方法，该方法具有跟踪外部环境变化快，最大功率点无振荡现象，对光伏电池利用率高的优点。此外，日照变化剧烈情况下该方法不会失去ＭＰＰＴ控制的能力。关键词光伏发电系统；ＭＰＰＴ；短路电流法；扰动观察法；双模式中图分类号ＴＫ５１３文献标志码ＡＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍＬＩＵＪｕｎ，ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇ－ｌｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｇｒｅａｔｌｙｂｙｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉｔｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ，ｉｔｒｅ－ｑｕｉｒｅｓｆａｓｔａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔｃｕｒｒｅｎｔｌａｗａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｂｓｅｒｖａ－ｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｂｏｔｈｍｅｔｈｏｄｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｄｕａｌ－ｍｏｄｅｍａｘｉ－ｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｆａｓｔｔｒａｃｋｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｉｔｈｏｕｔｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ，ｈｉｇｈｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｗｉｌｌｎｏｔｌｏｓｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｏｎｔｒｏｌＭＰＰＴｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｒａｐｉｄｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｕｎｓｈｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＰＰＴ；ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｂ－ｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｄｕａｌ－ｍｏｄｅ收稿日期２０１１－０９－２２作者简介刘军（１９６０），男，教授．光伏电池的输出电压和输出电流随着太阳辐照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（ＭＰＰ）。为了尽可能多的利用太阳能，所有光伏系统都希望太阳能光伏阵列工作在最大功率点上，这就在理论上和实践上提出了太阳能光伏阵的最大功率点跟踪ＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）问题［１－９］。传统的ＭＰＰＴ控制算法有扰动观察法、恒电压控制法、电导增量法、滞环比较法、间歇扫描法、最优梯度法、神经网络预测法、功率回授法等，其中，前３种算法应用较广泛。为了能充分利用各第１期刘军等光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究种方法的优点，本研究提出了一种改进的ＭＰＰＴ方法，并进行了较详细的实验研究。１光伏电池等效模型并网光伏系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，变换器将光伏电池所发之电能逆变成正弦交流电并入电网中；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡［１－２］。光伏电池利用半导体材料的光伏效应制成，所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子一空穴对经过分离而产生电动势的现象。光伏电池组件的Ｉ－Ｖ特性随太阳辐照度Ｅ（Ｗ · ｍ－２）和电池温度（Ｋ）而变化，即Ｉ＝Ｆ（Ｕ，Ｅ，Ｔ）。根据电子学理论，光伏电池的实际等效电路如图１所示，对应的Ｉ－Ｖ函数为［３－４］Ｉ＝ＩＰＨ－Ｉｏ｛ｅｘｐ［ｑＡＫＴ（Ｖ＋ＩＲｓ）］－１｝－（Ｖ＋ＩＲｓ）Ｒｓｈ，（１）其中Ｉｏ＝ＩｏｒＴＴ［］ｒ３ｅｘｐｑＥＧＯＢｋ（１Ｔｒ－１Ｔ［］），ＩＰＨ＝［ＩＧＣＫ＋ＫＩ（Ｔ－２５）］ λ ／１００。图１光伏电池的等效电路Ｆｉｇ．１ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆａＰＶｍｏｄｕｌｅ２双模式ＭＰＰＴ控制算法２．１短路电流法特性根据光伏电池的伏安特性，在辐照强度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的最大功率点电流Ｉｍｐｐ与短路电流Ｉｓ存在近似的线性关系，即Ｉｍｐｐ ≈ ｋＩｓ，（２）其中，系数ｋ的值取决于光伏电池的特性，一般取值在０．８左右［２］。由于光伏电池的短路电流随日照变化而变化，因此为满足不同日照情况下的ＭＰＰＴ控制，必须不断对光伏电池的短路电流进行采样。传统短路电流采样采用瞬间将光伏电池短路的方法获得，因此对系统的运行存在干扰，降低了对光伏电池的利用效果。由于Ｉｍｐｐ和Ｉｓ的比例关系失踪成立，因此该方法可以用于日照突变的情况下。综上所述，电流短路法虽然控制精度较差，但是在日照变化情况下不会失去ＭＰＰＴ控制能力。２．２扰动观察法特性扰动观测法是目前实现ＭＰＰＴ最常用的方法之一［２］。其原则是让电压变化使太阳能输出功率始终朝大的方向改变。具体做法是先让光伏电池按照某一电压值输出，测得它的输出功率，然后再在这个电压的基础上给一个电压扰动，扰动可正可负，再测量输出功率，比较测得的２个功率值，如果功率值增加了，则继续给相同方向的扰动，如果功率值减少了，则给反方向的扰动。其优点是控制思路简单，实现方便。但其缺点是到最大功率点附近时，扰动仍没有停止，系统会在最大功率点附近振荡；当光照强度突变时，会产生 “ 误判 ” ，发生跟踪错误［２］。２．３双模式ＭＰＰＴ控制的原理２．３．１控制思想通过上述分析知道扰动观察法在日照稳定情况下ＭＰＰＴ控制效果较好，对光伏电池的利用效率较高，但存在最大功率点处振荡的现象。此外，对日照突变情况下会失去对ＭＰＰＴ的控制能力。短路电流法控制精度差，但是在外部环境突变情况下，仍能使光伏电池输出功率跟踪日照的变化。为了使光伏发电系统能快速响应日照变化，且能充分发挥光伏电池的作用，本研究提出了将短路电流法和扰动观察法结合运用到ＭＰＰＴ电路控制的新方法，即双模式ＭＰＰＴ控制方法。当外部环境变化时，光伏电池的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用式（２）进行光伏电池输出功率的控制，因此只要知道Ｉｓ就能使光伏电池的输出功率重新接近最大功率点。当系统实现短路电流法的控制目标后，通过小步长扰动观察法使光伏电池的工作点继续向最大功率点移动，最后稳定工作在最大功率点。在双模式最大功率点跟踪控制方法中，由于不必考虑日照变化情况下最大功率点的跟踪速９７青岛科技大学学报（自然科学版）第３３卷度，因此扰动观察法中扰动步长 Δ Ｄ的选取以能否使系统稳定工作在最大功率点、减小最大功率点的功率振荡为主要标准。２．３．２在线获取短路电流传统的光伏电池短路电流Ｉｓ采样过程对系统运行存在干扰，因此会降低系统的效率并使控制变得复杂，这也是短路电流法采用较少的原因。由光伏电池电流－功率曲线可知光伏电池在最大功率点左侧的大部分区间能工作电流基本等于Ｉｓ［２］，因此只需使系统工作在偏离最大功率点左侧一定的区间能就可以得到电池的短路电流，此时光伏电池的输出功率也不会跌落很多。该方法无需将电池短路，从而减少了Ｉｓ采样对系统正常运行的干扰。在得到电池短路电流后就可以根据式（２）的关系对系统进行初步的最大功率点跟踪控制。３双模式ＭＰＰＴ控制方法的实现从上面分析可知双模式ＭＰＰＴ控制方法工作主要分为３步。（１）短路电流的在线计算。（２）根据短路电流进行初步控制，使光伏电池工作在最大功率点附近。（３）对ＭＰＰＴ控制电路继续施加小步长扰动，使光伏电池的输出功率进一步上升，最后稳定运行在最大功率点处。其具体过程如下。（１）对光伏电池的输出电压Ｖ、输出电流Ｉ进行采样，并计算 Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ。（２）根据 Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ的符号判断光伏电池工作在最大功率点左侧还是右侧，然后根据光伏电池的工作状态采取不同的控制方法。１）当 Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ＜０时，表明光伏电池工作在最大功率点右侧，此时系统通过改变ＭＰＰＴ电路开关的占空比，使光伏电池工作在最大功率点左侧。２）当 Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ＞０时，表明光伏电池工作在最大功率点左侧。采样得到光伏电池的输出电压、输出电流，并计算得到ｋ时刻光伏电池的短路电流Ｉｋ＝ Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ及ｋ＋１时刻光伏电池的短路电流，并比较两次电流的误差 Δ Ｉｋ。如果 Δ Ｉｋ在误差范围内，那么Ｉｋ近似等于短路电流，将该电流用于ＭＰＰ的短路电流控制。如果 Δ Ｉｋ超出误差范围，同时 Δ Ｐｋ／ Δ Ｖｋ＞０表明系统工作在最大功率点左侧且靠近最大功率点处，此时采用步长扰动观察法进行控制。上述过程不断重复直到光伏电池输出功率两采样的误差近似等于零，由于扰动步长比较小，因此日照稳定情况下，功率振荡现象基本上可以消除。４仿真研究本研究针对传统ＭＰＰＴ控制方法中存在的优缺点，提出了新的ＭＰＰＴ控制方法双模式ＭＰＰＴ控制方法。为验证该方法的有效性，基于Ｍａｔｌａｂ软件对其进行日照稳定和日照变化两种条件下的仿真，系统仿真图见图２，ＭＰＰＴ控制电路采用ＢＯＯＳＴ升压电路；仿真所用的光伏阵列最大输出功率为１１０Ｗ，开路电压６０Ｖ。图３是光伏电池输出功率的仿真波形。对比传统ＭＰＰＴ控制方法功率仿真波形图４可以看出该方法能够快速的响应外部环境的变化，且在日照稳定环境下有效减小了功率振荡现象。图２双模式ＭＰＰＴ系统仿真图Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｄｏｕｌ－ｍｏｄｅＭＰＰＴ０８第１期刘军等光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究图３双模式ＭＰＰＴ控制方法功率仿真波形Ｆｉｇ．３ＳｉｍｕｌａｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｐｏｗｅｒｆｒｏｍｏｕｔｐｕｔｏｆａＰＶｍｏｄｕｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｄｕａｌ－ｍｏｄｅＭＰＰＴ图４传统ＭＰＰＴ控制方法功率仿真波形Ｆｉｇ．４ＳｉｍｕｌａｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｐｏｗｅｒｆｒｏｍｏｕｔｐｕｔｏｆａＰＶｍｏｄｕｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＭＰＰＴ５结语针对传统ＭＰＰＴ控制方法设计复杂的缺点，本研究结合短路电流与小步长扰动观察法提出了对光伏电池ＭＰＰＴ控制的新方法，仿真结果表明，该方法能快速跟踪日照变化且减小了光伏电池在最大功率点的振荡现象。符号说明Ｉ、Ｖ光伏电池输出电流及电压Ｉｏ二极管反向饱和电流Ｔ光伏电池温度ｋ波尔兹曼常数ｑ电子电荷量ＫＩ＝０．００１７Ａ · ℃ －１ＩＳＣＲ下的短路电流温度系数λ 日照强度，Ｗ · ｍ－２ＩＳＣＲ２５ ℃ 及１０００Ｗ · ｍ－２情况下短路电流ＩＰＨ光生电流ＥＧＯ硅片间隙Ｂ＝Ａ＝１．９２理想因子Ｔｒ＝３０１．１８Ｋ参考温度Ｉｏｒ饱和电流Ｒｓｈ并联电阻（分流电阻）Ｒｓ串联电阻参考文献［１］冯垛生．太阳能发电原理与应用［Ｍ］．北京人民邮电出版社，２００７１０．［２］张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制［Ｍ］．北京机械工业出版社，２０１１５．［３］ＭｕｍｍａｄｉＶ，ＴｏｍｏｎｏｂｕＳ，ＫａｔｓｕｍｉＵ．Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｍａｘｉ－ｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｏｆＰＶｓｙｓｔｅｍｓｕｓｉｎｇｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ－ｌｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎａｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｙｓ－ｔｅｍｓ，２００２，３８（３）；９６９－９８１．［４］Ｋｈａｅｈｉｎｔｕｎｇ，Ｎ，ＳｉｒｉｓｕｋＰ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｕｓｉｎｇｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｓｏｌａｒ－ｐｏｗｅｒｅｄｌｉｇｈｔ－ｆｌａｓｈｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ．Ｔｈｅ４７ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｄｗｅｓｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄＳｙｓ－ｔｅｍｓ，Ｈｉｒｏｓｈｉｍａ２００４，３１７１－１７４．［５］ＴｒｉｓｈａｎＥ，ＰａｔｒｉｃｋＬ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｍａｘｉ－ｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＥｎ－ｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００７，２２（２）４３９－４４９．［６］ＫｈａｅｈｉｎｔｕｎｇＮ，ＰｒａｍｏｔｕｎｇＫ，ＴｕｖｉｒａｔＢ，ｅｔａｌ．ＲＩＳＣｍｉｃｒｏ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂｕｉｌｔ－ｉｎｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｆｏｒｓｏｌａｒ－ｐｏｗｅｒｅｄｌｉｇｈｔ－ｆｌａｓｈｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＩｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎＳｏｃｉｅｔｙ，Ｔｈｅ３０ｔｈＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｏｆＩＥＥＥ，２００４２６７３－２６７８．［７］ＡｇｏｒｒｅｔａＪＬ，ＲｅｉｎａｌｄｏｓＬ，ＧｏｎｚａｌｅｚＲ，ｅｔａｌ．ＦｕｚｚｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｐｐｌｉｅｄｔｏＰＷＭｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｍｉｘｅｄｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｅｆｏｒＰＶｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００９，５６（１１）１５４１－１５４５．［８］ＣｈａｎｇＹＨ，ＣｈａｎｇＣＹ．ＡｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｏｆＰＶｓｙｓｔｅｍｂｙｓｃａｌｉｎｇｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎ－ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｕｌｔｉＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｓａｎｄＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉ－ｅｎｔｉｓｔｓ，２０１０，ＩＩ９６０－９６３．［９］ＳａｌａｓＶ，ＯｌｉａｓＥ，ＢａｒｒａｄｏＡ，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ，２００５，８９（１）１－２４．（责任编辑姜丰辉）１８