单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究

第 26 卷 第 6 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.6 Mar. 2006 2006 年 3 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2006 06-0073-05 中图分类号 TM615 文献标识码 A 学科分类号 47040 单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究吴理博，赵争鸣，刘建政，王 健，刘 树（清华大学电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，北京市 海淀区 100084）Research on the Stability of MPPT Strategy Applied in Single-stage Grid-connected Photovoltaic System WU Li-bo, ZHAO Zheng-ming, LIU Jian-zheng, WAMG Jian, LIU Shu State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China ABSTRACT Single-state grid-connected photovoltaic PV system has advantages such as simple topology, low cost, etc. However, this kind of system has only one stage of power conversion and all the control objectives need to be considered simultaneously, such as maximum power point tracking MPPT, synchronization with the utility voltage and harmonics reduction for output current. Then the complexity of control strategy is increased. This paper proposes a modified MPPT strategy, which remarkably improves the stability of the single-state grid-connected PV system during rapidly changing process of light intensity, with realizing all the control objectives. In steady state, the modified strategy tracks the recent maximum power point of the PV panel by adjusting the output power of the inverter, in which step length changes according to the tracking direction; in dynamic state, by detecting step change of insolation with feed-forward method, the modified strategy is able to rapidly reset the reference value of inverter output power to avoid DC-link voltage collapse phenomenon. Comparing the novel strategy with constant-step MPPT strategy, this paper illustrates the improvement of the new strategy based on PSIM simulation platform. Experimental results also show the high stability and high efficiency of this modified strategy applied in single-stage grid-connected PV system. KEY WORDS solar energy; photovoltaic; grid-connected; MPPT 摘要 单级式光伏并网逆变系统具有拓扑简单， 成本较低的优点。 但是这种系统中只存在一个能量变换环节， 太阳能最大功率点跟踪 Maximum power point tracking, MPPT 、电网电压同步和输出电流正弦度等控制目标要求同时得到考虑，实现较为复杂。 该文提出了一种改进的 MPPT 算 法 ， 在实现上述 功能的同时， 显著 提 高 了单级式光伏并网逆变系统在光照强 度 快速 变 化 时的 稳定性 。 该算 法 的改进 主 要在 于稳态情况下 ， 调整 光伏 阵列 工 作 点时 根据增减方向分别选取合适 的步 长值； 动态情况下 ， 采用前馈方法检测 光 照强 度 突 变 过 程，从而迅速 改变并网系统 运行状态以避免母线 电压 崩溃 现 象 。基于 PSIM 仿真平台 ， 对比 了 定 步 长 MPPT 算 法 和 新 算 法 ，在 阐述 算 法 改进的 基础上给 出了 仿真结果 。 实 验室还建立 了300Wp 的单级式光伏并网逆变系统， 应用全数字化 DSP 控制 技术 和改进 MPPT 算 法 ，实现了系统的并网和 可靠运行 。仿真 和实 验结果表明 ， 应用 改进 MPPT 算 法 的单级式光伏并网逆变系统能 够准确 跟踪太阳能电 池 最大功率点， 并具有较好 的 稳定性 。关键词 太阳能 ； 光伏 ； 并网 ； 最大功率点跟踪0 引言随着传 统能 源 的 日益枯竭 ，太阳能 已经 成为一种 十 分 具有 潜力 的 新 能 源 ， 而 光伏 发 电是 当 前 利 用太阳能的 主 要 方 式 之 一 [1-7] 。 光伏 发 电系统 可分 为 独立 供 电系统和并网系统 两 种。 前 者不与 电网 相连 ，一 般使 用 蓄 电 池作 为 储 能 设备 ， 白天将 太阳能电 池输出的电能 储 存 起来 ， 夜间直接 向 负载 提 供 电 力 ；后者 可 看 作 集 中式 或者 分 布 式的太阳能电 站 。本文讨论 的单级式光伏并网逆变系统 属 于 后者 。在光伏 发 电系统中， 主 要的 问题 是 如何 提 高 太阳能电 池 工 作 效 率， 以 及 提 高整 个系统工 作 的 稳定性 [8-10]。 由 于 单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节，控制时 既 要考虑跟踪太阳能电 池 最大功率点， 也 要同时 保证 对 电网输出电流的 辐 值 和PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创 建 www.fineprint.com.cn74 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷正弦度，控制较为复杂。目 前 实 际 应用 的光伏并网系统 采用 这种拓扑 结 构 的 仍不多见 。但 随着 现 代 电力 电 子 技术以 及 数字 信号处理 技术 的 飞 速 发展 ，系统拓扑 结 构引起 的控制 困难 正在 逐渐被克服 ，单级式光伏逆变系统 已 成为国 内外 光伏 领域 的一个 研究热 点 [11-12]。1 单级式光伏逆变系统的组成单级式光伏并网逆变系统 由 太阳能电 池阵列 、直 流 母线 电 容 C、 逆变 桥 以 及 滤波 电 感 L组 成， 示意图 如 图 1所示 。 在有的系统中， 由 于 光伏电 池 电压较低，逆变 桥 后 还 会 增 加 一个 升 压变压 器 。 CLT1T2T 3T 4iPVuPV-ioGRID光伏电 池L ＋图 1 单级式光伏并网系统电路示意图Fig. 1 Schematic diagram of a single-state grid-connected photovoltaic system在 图 1所示 的单级式并网系统中， 一 般 用 双闭 环控制。电网 交 流电压和电流 采 样 环节，电压同步环节， PWM 调 制环节和 驱 动 单 元 4部 分作 为 内 环控制，控制 直 流到 交 流的逆变， 保证 系统较 好 的逆变 品质 ；输 入 功率 采 样 环节和功率点控制环节 作 为 外 环控制， 保证 光伏并网系统工 作 在最大功率点，实现最大的功率输出。 内 环控制 可采用 普通 的 PWM 滞 环 比较 方 式， 也 可以采用对 控制实时 性 要求 更 高 的单 周期控制 [11,13-14]。 外 环为功率环， 是系统控制的 核心 。2 定步长 MPPT 算法及其稳定性问题2.1 太阳能电池输出特性太阳能电 池 输出 特 性 为 非 线性 ， 而 且受 光 照强度和环 境温 度 影响 。 如 图 2所示 ， 太阳能电 池 在 任 何0 0.4 0.8 U/pu 0 0.4 0.8 U /pu 0 0 0.4 0.8 I/pu 0.2 0.4 P/pu 光 照强 度 由 强 变 弱 光 照强 度 由 强 变 弱a 太 阳 能 电 池 电 压 电 流 特 性 曲 线 b 太 阳 能 电 池 电 压 功 率 特 性 曲 线图 2 太阳能电池输出特性曲线 不同光照强度下 Fig. 2 Simulated characteristics of ideal PV panel 时 刻都 存在一个最大功率输出的工 作 点， 而 且 随着光 照强 度和 温 度的变 化而 变 化 。为能 让 太阳能电 池在 供 电系统中 充 分 发 挥它 的光电 转 换能 力 ， 就需 实时控制太阳能电 池 的工 作 点 以 获 得最大功率输出。2.2 定步长 MPPT 算法太阳能电 池 最大功率点的跟踪实现， 一 般 采用 功率 差 分值作 为 判 据 。 通 过对 太阳能电 池 的输出电压和电流进 行 连 续 的 采 样 ，并 将 每次 采 样 的一 组电压电流 数据 相 乘折 合 成功率 值 ， 然 后 减 掉 上 一 次采 样 得到的功率 值 ， 即 为功率 差 分值 。 当 功率 达 到最大 值 时 满足PV PV PV PV PVPV PVPV PV PV PV 0P U I I UU IU U U U 即 可 近似认 为 达 到最大功率点。如 果 PV PVPV PVPV PV0I UU IU U 说 明 太阳能电 池阵列 输出功率 增 大的 方向 为电压 增加 方向；如 果 PV PVPV PVPV PV0I UU IU U Δ P PVPV0PU PREFP REF-K* P 1PREFPREFP1P0P PV、 U 0U PV是PREFPPV结 束图 5 变步长 MPPT 控制算法中 PREF 设定流程图Fig. 5 Flow process diagram for determination of PREF in the modified MPPT strategyPDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创 建 www.fineprint.com.cn76 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷4 仿真与实验结 果采用 与 第 3节中 相 同的 仿真 参 数 设 置 ， 应用新 算法对 光伏并网逆变系统进 行 了 仿真 。 图 6是光 强 发 生下 降 阶跃 情况下 的 仿真 波形 。 由 图 可 知 ， 采用新 的算 法 后 ， 由 于 控制系统实现了 对 光 照强 度 阶跃 变 化的 准确检测 ，并 快速 地 修 改 减 小 了逆变输出功率 参考 值 ， 从而避免 了 母线 电压 崩溃 现 象 。在光 照强 度下 降 阶跃 达 到 40的 情况下 ， 仿真表明 系统算 法 仍具有较 好 的 稳定性 。光照强度/W/m20.01s/ 格 t/s 0.01s/格 t/s0.01s/ 格 t/s 0.01s/ 格 t/s0 400 800 母线电容电压/V30 0 0 200 400 0 200 400 输出功率设定值/W光伏电池输出功率/W1200 60 0.01s/格 t /s 0.01s/ 格 t/s0 - 2 2 0 - 2 2 正弦电流波形/A畸变电流波形/A图 6 变步长 MPPT 算法 在 光强下 降阶跃情况 的仿真波形Fig. 6 Simulation of tracking process during step change of light intensity with the modified MPPT strategy图 7是在并网 试 验 系统 上应用上述 算 法 得到的实 验 波形 。 其 中 图 7a为实 验 记录 的光 照强 度 发 生下 降 阶跃 情况下 的 母线 电压 波形 ， 图 7b、 c是光照强 度变 化前 后 的并网输出电流。200ms/格 t/ms 5ms/格 t/ms 5ms/ 格 t/ms 1A/格1A/格20V/格a 光 照 强 度 下 降 阶跃 前 后 的 母线 电压 波形 b 光 照 较 强 时的并网输出电 流c 光 照 较 弱 时的并网输出 电流图 7 并网系统实验波形图Fig. 7 Experimental results of grid-connected system5 结 论本文在 研究 现有单级式光伏并网逆变系统的控制算 法基础上 ， 提出了一种 新 型 的改进 MPPT算 法 。通 过建立 系统 仿真 模型 ， 对 系统 运行情况 进 行仿真 ，比 较了 应用 不 同算 法 的控制 效 果 。 仿真 和实 验结果表明 ，在改进算 法 的控制 下 ，单级式并网系统 可以稳定 、 高 效 地追 踪光伏 阵列 追 踪最大功率点 ； 同时，在光 照强 度、环 境温 度等系统 参 数突 变的 情况下 ，能 快速 寻找 新 的工 作 点， 保 持 系统 稳定 ， 表 现出 很好 的 动态 特 性 。参考 文献[1] Schaefer J C． Review of photovoltaic power plant performance and economics[J]． IEEE Transaction on Energy Conversion， 1990， 52232-238．[2] Cai X S ． Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy [J]． Renewable Energies， Present Future， 2005， 241 69-75．[3] Chung， H S H， Tse K K， Hui S Y R， et al． A novel maximum power point tracking technique for solar panels using a SEPIC or Cuk converter[J]． IEEE Transactions on Power Electronics， 2003， 183717-724．[4] Eugene V Solodovnik， Shengyi Liu， Roger A Dougal． power controller design for maximum power tracking in solar installations[J]． IEEE Transaction on Power Electronics， 2004， 195 1295-1304．[5] Walker G R， Sernia P C． Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules[J]． IEEE Transaction on Power Electronics，2004， 194 1130-1139．[6] Strong S J． World overview of building-integrated photovoltaics [C] ． Conference Record of the Twenty Fifth IEEE． Washington， DC，IEEE， 1996． 1197-1202．[7] 王 长 贵． 世界 光伏 发 电 技术 现 状 和 发展 趋势 [J]． 新 能 源 ， 2000，221 44-48．Wang Changgui． The present status and the trend of development of the world photovoltaic technology[J] ． J New energy， 2000， 222 44-48in Chinese．[8] 戴欣 平 ， 马广 ， 杨晓红． 太阳能 发 电变 频 器驱 动 系统的最大功率 追踪控制 法 [J]． 中国电机工程学报， 2005， 258 95-99．Dai Xinping ， Ma guang， Yang Xiaohong． A control method for maximum power tracing of photovoltaic generation system [J]． Proceedings of the CSEE， 2005， 258 95-99in Chinese．[9] 吴 理 博 ， 赵争鸣 ， 刘 建 政 ，等 ． 用于 太阳能 照明 系统的 智 能控制 器[J]．清华 大学学报， 2003， 439 1195-1198．Wu Libo ， Zhao Zhengming， Liu Jianzheng， et al． Intelligent controller for photovoltaic lighting systems[J]． J Tsinghua Univ ，2003， 439 1195-1198in Chinese．[10] Wu Libo ， Zhao Zhengming， Liu Jianzheng， et al． Implementation of a stand-alone photovoltaic lighting system with maximum power point tracking and high pressure sodium lamp[C] ． The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems， Singapore，20032 1570-1573．[11] Chen Y ， Smedley K ． A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking[J] ． IEEE Transaction on Power PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创 建 www.fineprint.com.cn第 6 期 吴 理 博 等 单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算 法稳定性 研究 77 Electronics， 2004， 195 1289-1294．[12] Liang T J， Kou Y C， Chen J R． Single-stage photovoltaic energy conversion system[J]． Proc． Inst． Elect． Eng． ， 2001， 4148 339-344．[13] 李圣清 ， 周 有 庆 ， 朱英浩 ，等 ． 基于 加 权 一 阶局 域理论 的 综 合 电 力滤波器 谐 波 电流 预 测方法 [J]． 中国电机工程学报， 2004， 24619-23．Li Shengqing， Zhou Youqing， Zhu Yinghao， et al． Harmonic current prediction method of combined power filter system based on weighted first-order local area theory[J]． Proceedings of the CSEE， 2004， 24619-23in Chinese．[14] 郭卫农 ， 陈坚． 基于状态 观 测 器 的逆变 器 数字 双 环控制 技术 研究[J]． 中国电机工程学报， 2002， 229 64-68．Guo Weinong， Chen Jian． Study on digital dual-loop control for inverters based on state-observer[J]． Proceedings of the CSEE， 2002，229 64-68in Chinese．[15] Kawamura T， Harada K， Ishihara U， et al． Analysis of MPPT characteristics in photovoltaic Power System[J]． Solar Energy Materials and Solar Cells， 1997， 471-4 155-165．收稿日期 2005-11-08。作者简介 吴 理 博 1980 ， 男 ， 博 士 研究 生 ， 主 要 从 事 电 力 电 子与 光伏 发 电研究 ， chzhaomail.iee.ac.cn。（ 编 辑 王彦骏 ）PDF 文 件使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版 本 创 建 www.fineprint.com.cn