%a8光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用

第 26 卷 第 20 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.20 Oct. 2006 2006 年 10 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2006 20-0098-05 中图分类号 TM51 文献标识码 A 学科分类号 48060 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用张 超 何湘宁 浙江大学电力电子研究所 浙江省 杭州市 310027Short-current Combined With Perturbation and Observation Maximum-power-point Tracking Method for Photovoltaic Power Systems ZHANG Chao, HE Xiang-ning Power Electronics Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, ChinaABSTRACT The output power of PV module varies with module temperature, solar insolation and loads, so it is necessary to track MPP of the PV array all the time. In past years, many MPP control algorithms were presented to draw maximum power from the solar array. A novel online short circuit current method is presented. This method can track MPP changes rapidly without disturbing PV system. On the basis of this method, P maximum power point tracking; short circuit control; perturbation and observation control 摘要 光伏电池输出功率随外部环境和负载的变化而变化为充分发挥光伏器件的效能 需采用最大功率点跟踪电路对于最大功率点跟踪电路的控制已经提出了许多方法 其中短路电流法和扰动观察法因其具有简单有效的优点而得到广泛应用 针对短路电流法的缺点 该文提出一种新的在线短路电流控制方法 该方法在不干扰系统正常工作的情况下 能迅速感知外部环境变化 但该方法效率不高 为充分发挥光伏电池的效能 在线短路电流控制方法的基础上再引入扰动观察法 该文扰动观察法的扰动步长针对最大功率点处稳态特性进行优化 优化后 扰动观察法可有效消除光伏器件输出功率在最大功率点的振荡现象 从而提高系统效率 仿真和实验研究证明 该方法可以快速跟踪外部环境变化 并消除系统在最大功率点的振荡现象基金项目 国家教育部博士点基金项目 20050335059关键词 光伏 最大功率点跟踪 短路电流法 扰动观察法0 引言光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国 内外学术界和工业界研究的热点 [1-2] 光伏电池输出功率与外界环境和负载情况有关 为充分发挥光伏电池的功效 需在光伏器件和负载之间串联最大功率点跟踪 maximum power point trackingMPPT 电路 [3-4] MPPT 电路常用的控制方法有固定参数法 如固定电压法 固定电流法 扰动观察法及增加电导法等 [5]固定参数法利用在最大功率点工作时光伏器件工作电压 电流与器件开路电压 短路电流的近似比例关系进行控制 此方法只需一个检测参数 控制简单易行 但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作 对系统运行存在干扰 此外所采用的控制关系是近似关系 不能实现最优控制 因此该方法控制精度低 仅适用于小功率场合 扰动观察法根据光伏器件在最大功率点处 P/ U0 的特性进行最大功率点跟踪控制 以左侧为例说明该方法具体工作过程 在系统稳定工作情况下 假设增大最大功率点跟踪电路功率器件的占空比 控制器对占空比调节前后的光伏器件输出功率 输出电压进行采样计算 如 果 输出功率与输出电压为 P/U 0则表 明系统工作在最大功率点左侧 应 继续 增加占空比 直 到 P/U 0 具体工作中 由 于扰动观测法需要比 较 占空比变化前后的功率 电压 因此光伏输出功率 会 在最大功率点 两次反复 变化 严重 时第 20 期 张 超 等 短路电流 结 合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用 99 还会 出现功率振荡现象 降 低系统效率 增加电导法是对扰动观察法的 改 进 根据 P/ U0 可以得到dI /dU- I/U 当 系统 满足 该关系 式 时 表 明系统工作在最大功率点 由 于 它 不需要比 较 占空比变化前后的功率 电压变化情况 因此可以消除扰动观测法在最大功率点 附 近的功率振荡现象 但该方法需高精度的检测器件 虽然理论 上可以消除稳态时的功率振荡 但 由 于计算 误差 和检测 元 件精度 限 制实 际 工作中 还 是存在一定的功率 波 动 且 算法 较复杂 需 较 多的计算时间 因而对外部环境变化的 响应速度变 慢 [6-7] 此外 模糊 控制 滑模 控制等方法 也可用于扰动观察法以 减弱 最大功率点的振荡现象但是 同 样对 硬 件的要 求太 高 控制 较 为 复杂 [8-9]本 文在分 析 光伏电池特性的基础上 提出了一种新的 MPPT 控制方法 该方法根据光伏电池工作状 态 分 别 采用短路电路法和扰动观察法以实现光伏电池最大功率点的跟踪 短路电流 通 过在线计算获取 避免 了 传 统短路电流检测方法对系统运行的干扰 提高了系统效率 在此基础上 为进一步提高对光伏器件的利用 当 系统工作在最大功率点 附近时采用小步长扰动观察法 可有效消除系统在最大功率点的振荡 该方法不仅可以快速跟踪外部环境的变化 还 可有效 减轻 系统输出功率在 MPP 的振荡现象 从而提高对光伏器件的利用率 实验 结果 证明该方法可以快速有效的跟踪 日照 变化 提高对光伏电池的利用率1 光伏电池特性光伏电池输出功率的 函 数为0 {exp[ ] 1}SqP I U I U UAKT - - 1 式 中 I IS I0 分 别 为光伏电池输出电流 光伏电池短路电流和光伏电池 反向饱 和电流 IS 由日照强度 决 定 q 为电 荷 常数 A 为光伏电池中 半 导体器件的 p- n 结 系数 K 为 Blotzman 常数 T 为 绝 对 温度 U 为光伏电池输出电压电池输出功率对输出电压的导数关系为S 0 0d / d exp[ ] [1 ]q qP U I I U U IAKT AKT - - 2 图 1 为该导数与光伏电池输出电压的关系 曲线 图 1 表 明该导数随光伏电池输出电压的增加 连续 单调 递减 在该 曲 线 A 点光伏电池处于短路 状 态电池输出电压为 零 dP/dU 大小等于电池短路电流输出功率为 零 随电池输出电压的增加 该 值缓慢下 降 在 A-B 区 间该 值 近似等于电池短路电流 输出功率随输出电压的上 升逐 步增加 从点 B 到最大输出功率点 D MPP 这 一 段 该 值 下 降 速度加快 从近似等于电池短路电流快速下 降 到 零 电池 仍 工作在最大功率点左侧 输出功率进一步增加 当dP/dU0 表 明系统输出最大功率 随 着 输出电压进一步增加 dP/dU 变为负 值 该 值 随输出电压的增加快速下 降 输出功率随输出电压的进一步上 升 而快速 减 小 [10]- 20- 100dP/dUABDMPP C5 0 5 10 15 Uout/V 图 1 光伏电池 dP/dU- U特性曲线Fig. 1 d P/dU- U characteristic curves of PV module图 2 为外部环境稳定情况下光伏电池输出功率 输出电流与输出电压特性 曲 线 从电流 电压曲 线可知在 A-B 区 间光伏电池输出电流基 本相 等可近似 认 为在最大功率点左侧光伏电池输出特性为电流源 由 上 述 分 析 可知光伏电池在最大功率左侧特性 类 似于电流源 电池输出电流基 本 不变0 4 8 12 16 20 Uout/V0 2040P/W I P B0 24 Iout /A 60 6图 2 光伏模块输出功率 电流特性曲线Fig. 2 PV module characteristics for fixed ambient conditions2 MPPT 工作原理光伏器件输出最大功率时 它 的输出电流 I o 与电池短路电流 I S 有一个近似比例关系 I o0.92I S因此如 果 知 道 电池的短路电流 就 可以控制系统 使其近似工作在最大功率点 但此比例关系仅是一个近似 值 它会 随 着 外部环境 电池 型号 及电池 使 用时间的变化不 同 因此该方法控制精度低 通 常用于小功率场合扰动观察法是 MPPT 控制中的一种常用方法该方法控制 思 路如下 假设增加 MPP 电路开关的100 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷占空比 若 光伏电池输出功率增加 则 占空比 继续增加 直 到输出功率下 降 反 之占空比 减少 占空比的 改 变 值称 为扰动步长 d 在扰动观察法中扰动步长 d 为定 值 步长的 选 取要 兼顾 光伏发电系统动态 响 应速度及稳定 状 态下的控制精度 d 较 大时对外界环境变化 响 应速度快 但在最大功率点 附 近有 较 大的功率振荡 d 较 小时 最大功率点 附 近的功率振荡 会减弱 但系统对外界环境变化的 响 应能力 变 差 图 3 是扰动观察法的控制仿真 波形 从该波形 可以 看 出系统 响 应速度能 满足日照 变化 条 件下的动态 响 应 但在 日照 稳定的情况下输出功率有 较大的 波 动 [11]0 0.5 1.0 1.5 t/s0153045P/W 60图 3 扰动观察法 MPPT 仿真波形Fig. 3 The simulation waveform of P吴捷 ;侯聪玲 自适应算法在光伏发电系统最大功率追踪中的应用 [期刊论文] -电力电子技术 2005022. 郑诗程 ;丁明 ;苏建徽 户用光伏发电并网系统的研究与设计 [期刊论文] -电力电子技术 2005013. 王飞 ;余世杰 ;苏建徽 太阳能光伏并网发电系统的研究 [期刊论文] -电工技术学报 2005054. 夏长亮 ;郭培健 ;史婷娜 基于模糊遗传算法的无刷直流电机自适应控制 [期刊论文] -中国电机工程学报 2005115. 顾丹珍 ;艾芊 ;陈陈 适用于快速暂态稳定计算的新型负荷模型和参数辨识方法 [期刊论文] -中国电机工程学报 2004126. 林维明 ;黄是鹏 具有快速负载动态响应的 DC/DC开关变换器开环控制新策略 [期刊论文] -中国电机工程学报 2001097. 王江 ;王静 ;费向阳 永磁同步电动机的非线性 PI速度控制 [期刊论文] -中国电机工程学报 2005078. 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