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基于DSP的光伏并网系统MPPT算法研究

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基于DSP的光伏并网系统MPPT算法研究

电子技术应用 2007 年第 4 期欢迎网上投稿 www.aetnet.cn www.aetnet.com.cn太 阳 能电 池 阵 列输 入滤 波DC/DC 升 压(Boost) 电 路 DClinkDC/AC逆 变 桥输 出滤 波电 网电 网电 压交 流负 载并 网电 流驱 动 电 路DSP 实时时钟串行E 2 PROM时 钟 与 复 位电 路数 据 通 讯及 显 示故 障 检 测DC/DC 控制与保护电路直 流电 压电 流MPPT电 路图 1 单 相 光 伏 并 网 发 电 系 统 框 图R LIV i V g图 2 光 伏 并 网 系 统 工 作 时 的 电 路 原 理 图基于 DSP 的光伏并网系统 MPPT 算法研究原 慧 军 , 王 效 华 , 徐 进( 南 京 农 业 大 学 工 学 院 , 江 苏 南 京 210031 )摘 要 介 绍 了 以 DSP 为 主 控 芯 片 的 光 伏 并 网 系 统 , 它 能 跟 踪 光 伏 阵 列 最 大 输 出 功 率 点 , 实 现 光伏 阵 列 和 负 载 优 化 匹 配 , 使 负 载 获 得 最 大 功 率 。在 光 伏 阵 列 输 出 功 率 最 大 为 跟 踪 目 标 的 定 步 长 MPPT一 阶 差 分 算 法 的 基 础 上 , 采 用 以 使 负 载 获 得 最 大 功 率 为 跟 踪 目 标 的 变 步 长 寻 优 MPPT 算 法 , 能 够 更 好地 实 现 最 大 功 率 点 的 跟 踪 。实 验 结 果 表 明 该 系 统 能 够 快 速 准 确 地 跟 踪 太 阳 能 电 池 最 大 功 率 点 , 并 自动 同 步 跟 踪 电 网 频 率 和 相 位 , 实 现 并 网 电 流 的 正 弦 波 形 以 便 与 电 网 电 压 同 频 同 相 馈 入 电 网 , 提 高 了系 统 逆 变 效 率 和 可 靠 性 。关 键 词 光 伏 并 网 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 变 步 长 寻 优 数 字 信 号 处 理 器电源技术与应用 Power Supply Technology and Its Aplication太 阳 能 光 伏 发 电 是 当前 利 用 新 能 源 的 主 要 方式 之 一 , 光 伏 并 网 发 电 是光 伏 发 电 的 发 展 趋 势 。光伏 并 网 发 电 的 主 要 问 题是 提 高 系 统 中 太 阳 能 电池 阵 列 的 工 作 效 率 和 整个 系 统 的 工 作 稳 定 性 , 实现 并 网 发 电 系 统 输 出 的 交 流 正 弦 电 流 与 电 网 电 压 同频 同 相 [1 - 2] 。 最 大 功 率 点 跟 踪 MPPT (maximum powerpoint tracking) 是 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 中 的 重 要 技 术 ,它能充 分 提 高光 伏 阵列 的 整 体 效率 。 在 确 定 的 外 部 条件 下 , 随 着 负 载 的 变 化 , 太 阳 能 电 池 的 输 出 功 率 也 会 变化 , 但 始 终 存 在一 个最 大 功率 点 。当 工 作 环 境 变 化时 , 特别 是 日 光 照 度 和 结 温 变 化 时 , 太 阳 能 电 池 的 输 出 特 性 也随 之 变 化 , 且 太 阳 能 电 池 输 出 特 性 的 变 化 非 常 复 杂 。 目前 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 转 换 效 率 较 低 且 价 格 昂 贵 , 因此 , 使 用 最 大 功 率 点 跟 踪 技 术 提 高 太 阳 能 电 池 的 利 用 效率 , 充 分 利 用 太 阳 能 电 池 的 转 换 能 量 , 应 是 光 伏 系 统 研究 的 一 个 重 要 方 向 。1 单 相 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 组 成单 相 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 功 能 是 将 太 阳 能 电 池 阵列 输 出 的 直 流 电 变 换 为 交 流 电 , 经 过 交 流 滤 波 后 把 正 弦波 交 流 电 送 入 电 网 。 并 网 DC/AC 逆 变 器 是 光 伏 并 网 发电 系 统 的 核 心 部 件 之 一 , 主 要 采 用 电 压 源 型 电 流 控 制 。为 满 足 电 压 源 型 电 流 控 制 并 网 逆 变 器 的 固 有 交 直 流 变化 比 关 系 , 即 直 流 侧 电 压 要 高 于 交 流 侧 电 压 , 在 光 伏 电池 阵 列 输 出 电 压 较 低 的 系 统 中 , 在 DC/AC 逆 变 电 路 前增 加 一 个 Boost ( 升 压 ) 电 路 进 行 电 压 匹 配 。 光 伏 并 网 发电 系 统 采 用 双 闭 环 控 制 实 现 并 网 电 流 与 电 网 电 压 同 频 同相 的 跟 踪 , 并 稳 定 全 桥 逆 变 电 路 的 直 流 母 线 电 压 。图 1 是单 相 光 伏 并 网 发 电 系 统 框 图 。2 光 伏 并 网 系 统 工 作 电 路 原 理光 伏 并 网 系 统 工 作 时 的 电 路 原 理 图 如 图 2 所 示 [3- 4] 。图 中 , V g 是 电 网 电 压 , V i 是 并 网 逆 变 器 输 出 的 高 频 SP-WM 电 压 , R 为 线 路 等 效 电 阻 , L 为 串 联 电 感 , I 为 送 入电 网 的 电 流 。为 保 证 送 入 电 网 功 率 因 数 为 1 , 送 入 电 网 的 电 流 相 位必 须 与 电 网 电 压 相 位 一 致 。 以 电 网 电 压 V g 为 参 考 , 则 I 与V g 同 相 位 , 线 路 等 效 电 阻 R 两 端 的 电 压 V R 与 电 网 电 压136 电子技术应用 2007 年第 4 期 本 刊 邮 箱 eta@ncse . com . cn开 始检 测 太 阳 能 电 池 输 出直 流 电 压 V 和 电 流 IdV=V(k)- V(k- 1)dI=I(k)- I(k- 1) V(k)= IV(k) V(k)= I(k) NNV ref (k+1)=V ref (k)+C V ref (k+1)=V ref (k)- CV ref (k+1)=V ref (k)YY图 4 定 步 长 的 MPPT 一 阶 差 分 算 法 框 图0 PI 调 节 器 1 I g同 步 负 载 与 电 网PI 调 节 器 2sin( “ t)PWM V dV=f(I) II fV fdPdV P=V f I f图 5 变 步 长 MPPT 寻 优 控 制 框 图I/AP/WV/V图 6 MPPT 算 法 的 光 伏 阵 列 输 出 曲 线V LV R I sV gV i0V 2图 3 光 伏 并 网 系 统 工 作 矢 量 图V g 相 位 一 致 , 串 联 电 抗 器 L 两 端 的 电 压 V L 相 位 则 落 后 于V R 90 , 由此可得 V i 相位和幅值。图 3 为系统工作矢量图。3 光 伏 并 网 系 统 MPPT 跟 踪 算 法太 阳 能 光 伏 电 池 输 出 特 性 为 非 线 性 , 输 出 功 率 受 光照 强 度 和 环 境 温 度 的 影 响 非 常 明 显 。 在 任 何 时 刻 , 光 伏电 池 都 存 在 一 个 最 大 输 出 功 率 的 工 作 点 , 而 且 随 着 光 照强 度 和 温 度 的 变 化 , 最 大 功 率 点 的 位 置 也 在 不 断 变 化 。为 能 充 分 利 用 太 阳 能 光 伏 电 池 的 光 电 转 换 能 力 , 就 需 要实 时 控 制 光 伏 电 池 的 工 作 点 , 以 获 得 最 大 功 率 输 出 。3 .1 定 步 长 算 法图 4 是 具 有 定 步 长 的 MPPT 一阶 差 分 算 法 框 图 。实 现 太 阳 能 光 伏阵 列 的 最 大 功 率 点 跟 踪 实 质 上 是一 个 自 寻 优 过 程 [5] , 通 过 对 光 伏 阵列 当 前 时 刻 输 出 电 压 与 电 流 的 检测 , 得 到 当 前 时 刻 光 伏 阵 列 输 出 功率 , 再 与 已 被 存 储 的 前 一 时 刻 光 伏阵 列 功 率 值 比 较 , 舍 小 存 大 , 再 检 测 , 再 相 比 较 , 如 此 不停 地 周 而 复 始 , 便 可 使 光 伏 阵 列 动 态 地 工 作 在 最 大 功 率点 上 。 功 率 达 到 最 大 值 时 满 足 dPdV =d(VI)dV =VdIdV +IdVdV =03 .2 变 步 长 控 制 算 法由 光 伏 阵 列 的 I- V 特 性 曲 线 可 知 , 只 有 当 光 伏 阵 列工 作 在 最 大 功 率 点 时 , 光 伏 阵 列 才 能 输 出 最 大 功 率 [6- 7] 。定 步 长 的 MPPT 一 阶 差 分 算 法 是 以 光 伏 阵 列 输 出 功 率最 大 为 跟 踪 目 标 的 。 但 在 实 际 系 统 中 , 最 重 要 的 是 负 载获 得 的 功 率 是 否 为 最 大 。 基 于 此 提 出 以 负 载 获 得 功 率 的变 化 代 替 以 光 伏 阵 列 输 出 功 率 的 变 化 来 进 行 最 大 功 率点 跟 踪 的 控 制 策 略 。 同 时 , 根 据 电 网 电 压 基 本 上 为 恒 定值 的 特 性 , 对 注 入 电 网 的 电 流 的 变 化 进 行 最 大 功 率 点 跟踪 。 在 具 体 控 制 算 法 上 采 用 改 进 的 变 步 长 电 压 扰 动 法 ,当 离 最 大 功 率 点 较 远 时 , 步 长 较 大 , 寻 优 速 度 加 快 ; 当 接近 最 大 功 率 点 时 , 步 长 较 小 , 逐 渐 地 逼 近 最 大 功 率 点 ; 当非 常 接 近 最 大 功 率 点 时 , 系 统 稳 定 在 该 点 工 作 , 最 终 实现 光 伏 阵 列 的 真 正 最 大 功 率 点 跟 踪 。 电 流 在 实 际 的 跟 踪过 程 中 , 搜 索 步 长 要 根 据 当 前 光 伏 阵 列 的 工 作 点 相 对 于最 大 功 率 点 的 距 离 而 作 出 相 应 改 变 ; 同 时 , 在 搜 索 过 程中 , 为 了 避 免 误 判 断 设 置 了 光 伏 阵 列 工 作 电 压 的 上 下 限幅 值 。 相 应 的 控 制 框 图 如 图 5 所 示 。4 实 验 结 果 分 析对 以 DSP 为 核 心 控 制 的 数 字 化 光 伏 并 网 系 统 进 行了 实 验 分 析 。 DC/DC 直 流 升 压 (Boost) 电 路 将 100V 直 流电 压 升 到 400V 直 流 电 压 , 主 电 路 采 用 电 压 型 逆 变 的 拓扑 结 构 , 开 关 器 件 采 用 IGBT , 驱 动 信 号 由 DSP 控 制 电 路经 光 耦 隔 离 后 给 出 。图 6 为 MPPT 算 法 的 光 伏 阵 列 输 出曲 线 , 图 7 为 并 网 电 流 与 电 网 电 压 波 形 。实 验 结 果 表 明 基 于 DSP 的 光 伏 并 网 系 统 能 较 好 地跟 踪 光 伏 阵 列 最 大 功 率 点 , 使 负 载 获 得 最 大 功 率 。 通 过对 电 网 电 压 相 位 的 捕 捉 和 电 感 电 流 的 采 样 , 实 现 了 系 统输 出 的 并 网 电 流 与 电 网 电 压 保 持 同 频 同 相 , 且 并 网 电 流波 形 与 电 网 电 压 波 形 时 刻 保 持 轮 廓 一 致 , 从 而 保 证 功 率电源技术与应用( 下 转 第 140 页 )Power Supply Technology and Its Aplication137 电子技术应用 2007 年第 4 期欢迎网上投稿 www.aetnet.cn www.aetnet.com.cn图 7 并 网 电 流 与 电 网 电 压 波 形i/5A格-1V/50V格-110/ms 格 - 1因 数 接 近 1 , 实 现 以 220V/50Hz 正 弦 交 流 电 顺 利 并 网 。以 DSP 为 主 要 控 制 芯 片 的 光 伏 并 网 系 统 , 具 有 较 好的 工 作 性 能 与 动 态 响 应 特 性 。在 定 步 长 MPPT 一 阶 差 分法 基 础 上 , 采 用 使 负 载 获 得 最 大 功 率 为 跟 踪 目 标 的 变 步长 MPPT 控 制 算 法 , 能 更 好 地 实 现 最 大 功 率 点 的 跟 踪 。该 算 法 可 以 降 低 光 伏 发 电 系 统 的 太 阳 能 电 池 阵 列 的 功率 配 置 , 且 能 适 应 光 照 强 度 和 环 境 温 度 的 较 大 变 化 , 从而 降 低 系 统 成 本 , 有 效 地 提 高 系 统 性 能 价 格 比 , 使 太 阳能 电 池 得 到 充 分 的 利 用 。 该 系 统 还 能 自 动 同 步 跟 踪 电 网频 率 和 相 位 , 使 输 出 功 率 因 数 接 近 1 , 提 高 了 系 统 的 稳定 性 , 增 加 了 应 用 范 围 。参 考 文 献[1] STRONG S J.World overview of building- integrated pho-tovoltaic[C].Conference Record of the Twenty Fifth IEEE.Washington , DC IEEE , 1996 1197- 1202.[2] SOLODOVNIK E V, LIU Sheng Yi. 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