宋 宇，劉 華

(1.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，吉林吉林132021；2.黑龍江省電力有限公司計(jì)量中心，黑龍江哈爾濱150040)

光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤方法及控制研究

宋 宇1，劉 華2

(1.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，吉林吉林132021；2.黑龍江省電力有限公司計(jì)量中心，黑龍江哈爾濱150040)

針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池板并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)化效率較低的問(wèn)題，提出了一種最大功率跟蹤方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的最大功率跟蹤控制器。該方法能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓的幅值和頻率變化，計(jì)算得到最大功率點(diǎn)修正量，并與擾動(dòng)觀察法得到的最大功率點(diǎn)疊加，完成最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明：改進(jìn)的方法能夠有效避免誤判，跟蹤時(shí)間較短，在最大功率點(diǎn)附近的震蕩減小。與一般擾動(dòng)觀察最大功率跟蹤方法相比，該方法能夠減弱電網(wǎng)不穩(wěn)定因素對(duì)最大功率點(diǎn)的影響，獲得更加準(zhǔn)確的最大功率跟蹤軌跡，滿(mǎn)足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的最佳功率點(diǎn)。

光伏并網(wǎng)發(fā)電；最大功率點(diǎn)；跟蹤算法；控制器

太陽(yáng)能作為一種再生能源，具有清潔性、可再生性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。太陽(yáng)能利用主要分為光伏、光熱和光化利用，其原理是一種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。其中光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行傳輸和使用，是一種新的發(fā)電模式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔安全和維護(hù)方便的特點(diǎn)。

目前，光伏發(fā)電在全球的發(fā)展處于起步階段，以德國(guó)和日本發(fā)展最快，截至2010年歐洲光伏發(fā)電量達(dá)到3.0 GW，日本達(dá)到4.8 GW，預(yù)計(jì)到2020年，歐洲和日本的光伏發(fā)電總量將達(dá)到41和30 GW[1]。我國(guó)在相關(guān)政策的支持之下，光伏發(fā)電也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。根據(jù)電力院預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)光伏發(fā)電量也將達(dá)到30 GW，但其所占我國(guó)發(fā)電總量的比例較低。其關(guān)鍵原因是光伏發(fā)電成本較高，這與光伏發(fā)電的效率較低有很大關(guān)系[2]。

太陽(yáng)電池的光伏特性是制約光伏發(fā)電效率的主要原因，由于受到光照、溫度和負(fù)載的影響，太陽(yáng)電池的輸出特性表現(xiàn)為非線性模式，光伏電池可以在不同的輸出電壓下工作，但對(duì)應(yīng)的輸出功率有所不同，這里對(duì)應(yīng)存在最大功率點(diǎn)(maximum power point,MPP)[3]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)技術(shù)的研究文獻(xiàn)較多，具有代表性的方法主要有：短路電流法、恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法、增量電導(dǎo)法等[4]。通過(guò)測(cè)量短路電流，并假設(shè)短路電流和最大功率點(diǎn)電流成比例關(guān)系，得到最大功率點(diǎn)電壓的方法為短路電流法，其不足在于測(cè)量短路電流過(guò)程中會(huì)造成能量的損耗[5]；恒定電壓跟蹤法根據(jù)理論計(jì)算得到最大功率點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是存在環(huán)境變化后不能做到實(shí)時(shí)變化的缺點(diǎn)[6]；擾動(dòng)觀察法作為常用的最大功率輸出點(diǎn)跟蹤控制方法，其原理是通過(guò)改變占空比，調(diào)整輸出功率實(shí)現(xiàn)最大功率的逼近，具有較好的實(shí)時(shí)性，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但是在步長(zhǎng)調(diào)整過(guò)程中，存在步長(zhǎng)確定困難的問(wèn)題[7]；增量電導(dǎo)法的原理與擾動(dòng)觀察法相似，不同點(diǎn)在于增量電導(dǎo)法是通過(guò)判斷電壓變化率即電壓變化曲線斜率來(lái)調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，該方法需要引入微分，造成控制算法的復(fù)雜性，對(duì)硬件要求較高[8]。

以上方法都存在各自的特點(diǎn)和不足，特別是在并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，電網(wǎng)用電設(shè)備變化帶來(lái)的電網(wǎng)不穩(wěn)定因素對(duì)光伏組件最大輸出功率點(diǎn)的影響的研究較少。本文以光伏并網(wǎng)發(fā)電為研究對(duì)象，考慮并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，光伏組件易受電網(wǎng)不穩(wěn)定、云層、晝夜等變化影響，造成光伏發(fā)電功率輸出不穩(wěn)定、波動(dòng)性較大的問(wèn)題，提出通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)電壓的幅值和頻率變化，轉(zhuǎn)換成最大功率點(diǎn)的修正量，對(duì)擾動(dòng)觀察法得到的最大功率點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，減小由于電網(wǎng)不穩(wěn)定造成的最大功率點(diǎn)跟蹤誤差的算法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的最大功率跟蹤方法表現(xiàn)出較高的跟蹤精度，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，避免擾動(dòng)觀察法的誤判現(xiàn)象，且波動(dòng)性較小，減小了最大功率點(diǎn)跟蹤誤差，控制效果較好。

1 光伏電池理論模型

根據(jù)光伏電池特性，將光伏電池模型等效成太陽(yáng)能與電能的轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體裝置。光伏列陣相當(dāng)于具有極薄PN截面的二極管，截面與受光面平行，可看成一個(gè)電流源串聯(lián)一個(gè)電阻，并聯(lián)一個(gè)二極管組成。根據(jù)光伏物理定義，光伏輸出特性方程可表示為：

根據(jù)光伏列陣模型，在Simulink中搭建光伏電池的仿真模塊，對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)為：開(kāi)路電壓22.5 V，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓和電流分別為17.8 V、3.85 A，短路電流為4.5 A。在特定的溫度(25℃)和光強(qiáng)(1 kW/m2)下，光伏列陣最大功率輸出存在唯一點(diǎn)，如圖1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在光強(qiáng)增大過(guò)程中，太陽(yáng)電池的輸出功率提高，隨著光強(qiáng)減弱，I-V特性曲線中，開(kāi)路電壓基本不變，短路電流變小；開(kāi)路電壓變化受溫度變化的影響，在溫度上升時(shí)，開(kāi)路電壓降低，而短路電流變化不大。在固定光照下，光伏列陣開(kāi)路電壓和輸出最大功率與溫度成反比，即隨著溫度上升，開(kāi)路電壓和輸出最大功率降低；在固定溫度下，光伏列陣的開(kāi)路電壓在光照變化下變動(dòng)較小，最大功率隨著光照的減弱而減小。故在外界條件改變下，光伏列陣輸出呈非線性，為發(fā)揮光伏電池的最大作用，有必要對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，以使太陽(yáng)能得到最大的利用率。

圖1 太陽(yáng)電池板伏安特性曲線和功率特性曲線

2 光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法實(shí)現(xiàn)

2.1 控制算法

MPPT算法主要有非自尋優(yōu)與自尋優(yōu)算法。自尋優(yōu)算法避免測(cè)到復(fù)雜多變的外界環(huán)境(如溫度、濕度、光照)變化，而對(duì)最大功率點(diǎn)的電信號(hào)直接測(cè)量，避免了系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及電池光伏特性變化對(duì)跟蹤點(diǎn)準(zhǔn)確性的影響。擾動(dòng)觀察法作為本文MPPT算法的基礎(chǔ)，通過(guò)改變占空比即電壓(擾動(dòng))，使光伏列陣的輸出功率出現(xiàn)較小的變化，通過(guò)判斷功率變化與電壓變化方向的一致性，來(lái)判斷最大功率點(diǎn)所在一個(gè)較小的范圍，即得出的最大功率點(diǎn)在實(shí)際最大功率點(diǎn)附近徘徊，其算法流程如圖2所示。

圖2 擾動(dòng)觀察法

圖3 改進(jìn)的最大功率跟蹤算法

根據(jù)圖3，改進(jìn)的算法首先對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行鎖相計(jì)算，得到頻率和電壓幅值；第二步根據(jù)頻率和電壓幅值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功率修正量，在計(jì)算過(guò)程中，考慮光伏組件的輸出電流，比較電網(wǎng)電流幅值大小，根據(jù)以下判別公式判別。在大于并網(wǎng)電流時(shí)，采用公式(4)計(jì)算得到Δ，其中表示有效值(電網(wǎng)額定電壓)，表示電壓修正系數(shù)；反之，當(dāng)小于并網(wǎng)電流，主要通過(guò)電網(wǎng)額定頻率和頻率的修正系數(shù)來(lái)計(jì)算，計(jì)算參照公式(5)。

2.2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后MPPT算法的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將擾動(dòng)觀察法得到的最大功率與電網(wǎng)不穩(wěn)定功率的補(bǔ)償值相結(jié)合，構(gòu)建的一種基于擾動(dòng)觀察法的光伏發(fā)電并網(wǎng)的最大功率跟蹤方法，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不穩(wěn)定下的最大功率點(diǎn)的跟蹤發(fā)電入網(wǎng)，其控制結(jié)構(gòu)框圖可描述成如圖4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)仿真研究

根據(jù)圖3中改進(jìn)最大跟蹤算法流程，在Matlab/Simulink中利用PSB(power system block set)模塊分別對(duì)擾動(dòng)觀察法和本文提出的改進(jìn)的擾動(dòng)觀察算法進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比兩種跟蹤方法對(duì)并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤效果。

根據(jù)步長(zhǎng)選取的特點(diǎn)，即步長(zhǎng)太大造成跟蹤精度不高、步長(zhǎng)太小造成跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)，這里將擾動(dòng)觀察法中步長(zhǎng)(0.001～0.1)選值為0.01，此時(shí)仿真效果較為理想。具體參數(shù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)電池控制參數(shù)

根據(jù)擾動(dòng)控制算法搭建仿真模型，首先不考慮電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定因素的影響，即一般的擾動(dòng)觀察法最大功率跟蹤，其跟蹤曲線如圖5所示。從圖5可以看出，擾動(dòng)觀察發(fā)對(duì)最大功率的跟蹤具有較好的效果，其跟蹤效果是在最大功率處的一個(gè)來(lái)回波動(dòng)過(guò)程，這是由于擾動(dòng)觀察法是對(duì)比每一步長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的功率大小，決定下一步電壓變化所造成，這個(gè)過(guò)程雖然造成一定的能量損失，但是總的效果較好，跟蹤效率能夠達(dá)到97.2%。在此基礎(chǔ)上，加入電網(wǎng)不穩(wěn)定因素干擾，一般擾動(dòng)觀察法最大功率跟蹤曲線如圖6所示。

圖5 擾動(dòng)觀察法跟蹤曲線

圖6 電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)擾動(dòng)觀察法的仿真結(jié)果

假設(shè)在1.003 s時(shí)電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，根據(jù)圖6可以看出，對(duì)于電網(wǎng)不穩(wěn)定，擾動(dòng)觀察法能夠及時(shí)對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，但是在追蹤過(guò)程中出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，且在干擾穩(wěn)定后狀態(tài)出現(xiàn)了較大的震動(dòng)。根據(jù)本文提出的改進(jìn)擾動(dòng)觀察法，在考慮電網(wǎng)不穩(wěn)定因素的影響下，得到如圖7所示的跟蹤曲線。

圖7 電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的仿真結(jié)果

與圖6相比，在圖7中系統(tǒng)能夠調(diào)整輸出功率，排除電網(wǎng)不穩(wěn)定干擾因素，穩(wěn)定狀態(tài)的波動(dòng)較小。在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定情況發(fā)生時(shí)，具有避免誤判或者減小誤判幾率的作用。同時(shí)在圖7中還能看出，在電網(wǎng)電壓突然不穩(wěn)定時(shí)能夠快速反應(yīng)，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，說(shuō)明其動(dòng)態(tài)靈敏性較好。綜合來(lái)說(shuō)，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法能夠克服光伏發(fā)電設(shè)備在與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，電網(wǎng)不穩(wěn)定因素帶來(lái)的影響，與一般擾動(dòng)觀察法相比，具有跟蹤速度快、誤判幾率小、最大功率點(diǎn)處波動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)越的MPPT效果。

4 結(jié)論

針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電中電網(wǎng)不穩(wěn)定性對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤效果的影響，本文提出了功率補(bǔ)償模式下改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，該方法通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定變化提出了補(bǔ)償功率，與一般擾動(dòng)觀察法得到的最大功率跟蹤方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)發(fā)電最大功率點(diǎn)的有效跟蹤。仿真結(jié)果表明，相比一般的擾動(dòng)觀察法，并網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的功率補(bǔ)償機(jī)制與擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的方法，對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤過(guò)程避免了誤判現(xiàn)象，提高了跟蹤精度，縮短了跟蹤時(shí)間，同時(shí)在最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)幅值也相對(duì)較小，具有較好的MPPT效果。此外，本文控制方案的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)際工程的實(shí)現(xiàn)。

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Study of maximum power point tracking method and controller of PV system

According to the low conversion efficiency of photovoltaic panel,a new maximum power point tracking method was presented and the tracking controller of maximum power point was designed.The method could calculate maximum power point correction which was superposed to the power of maximum power point, and complete the maximum power point tracking control.Simulation results show that the improved method can avoid the misjudgment and have short tracking time and low oscillation.Compared with traditional perturbation and observation method,the new maximum power point tracking method can weak the influence of unstable factors on maximum power point.Meanwhile,it can achieve more accurate tracking of maximum power point and satisfy the best power point of power grid.

grid-connected PV;maximum power point;tracing algorithm;controller

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1247-04

2015-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(50977081)

宋宇(1966—)，女(滿(mǎn)族)，吉林省人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化。