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光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究

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光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究

第 3 3 卷 第 1 期2 0 1 2 年 2 月 青 岛 科 技 大 学 学 报( 自然科学版 )J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n )V o l . 3 3N o . 1F e b . 2 0 1 2 文章编号 1 6 7 2 - 6 9 8 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 7 8 - 0 4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 2 6 6 0 4 2 )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 M P P T 控制的能力 。关键词 光伏发电系统 ; M P P T ; 短路电流法 ; 扰动观察法 ; 双模式中图分类号 T K 5 1 3 文献标志码 AM a x i m u m P o w e r P o i n t T r a c k i n g A l g o r i t h m f o r P h o t o v o l t a i c S y s t e mL I U J u n , Z H A N G C h e n g - l i n( C o l l e g e o f A u t o m a t i o n a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g , Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Q i n g d a o 2 6 6 0 4 2 , C h i n a )A b s t r a c t I n p h o t o v o l t a i c s y s t e m s , p h o t o v o l t a i c c e l l o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s a r e a f f e c t e dg r e a t l y b y l i g h t i n t e n s i t y a n d e n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e , w i t h s i g n i f i c a n t n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s . I n o r d e r t o i m p r o v e t h e u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y o f p h o t o v o l t a i c c e l l s , i t r e -q u i r e s f a s t a n d a c c u r a t e t r a c k i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e m a x i m u m p o w e r p o i n t . T h i s p a p e rc a r r i e d o u t a d e t a i l e d a n a l y s i s o n s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t l a w a n d t h e d i s t u r b a n c e o b s e r v a -t i o n , a n d f i n a l l y c o m b i n e t h e a d v a n t a g e s o f b o t h m e t h o d s p r o p o s e d t h e d u a l - m o d e m a x i -m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g m e t h o d , w h i c h h a s a f a s t t r a c k i n g t h e c h a n g e s o f t h e e x t e r n a le n v i r o n m e n t , w i t h o u t o s c i l l a t i o n a t t h e m a x i m u m p o w e r p o i n t , h i g h u t i l i z a t i o n o f t h ea d v a n t a g e s o f p h o t o v o l t a i c c e l l s . I n a d d i t i o n , i t w i l l n o t l o s e t h e a b i l i t y t o c o n t r o l M P P Ti n t h e c a s e o f r a p i d c h a n g e o f t h e s u n s h i n e .K e y w o r d s p h o t o v o l t a i c s y s t e m s ; M P P T ; s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t m e t h o d ; d i s t u r b a n c e o b -s e r v a t i o n ; d u a l - m o d e收稿日期 2 0 1 1 - 0 9 - 2 2作者简介 刘 军 ( 1 9 6 0 ) , 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 ( M P P ) 。 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 M P P T ( M a x i m u m P o w e rP o i n t T r a c k i n g ) 问题 [ 1 - 9 ] 。传统的 M P P T 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 M P P T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 = I P H - I o { e x p [ qA K T ( V + I R s ) ] -1 } -( V + I R s )R s h , ( 1 )其中I o = I o r TT[ ]r3e x p q E G OBk( 1Tr- 1T[ ]) ,I P H = [ I G C K + K I ( T - 2 5 ) ] λ / 1 0 0 。图 1 光伏电池的等效电路F i g . 1 E q u i v a l e n t c i r c u i t o f a P V m o d u l e2 双模式 M P P T 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 I m p p 与 短 路 电 流 I s 存 在 近 似 的 线 性 关系 , 即I m p p ≈ k I s , ( 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 M P P T 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 I m p p 和 I s 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 M P P T 控制能力 。2 . 2 扰动观察法特性扰动观测法 是 目 前 实 现 M P P T 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 M P P T 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 M P P T 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 M P P T 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 M P P T 电路控制的新方法 , 即双模式 M P P T 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 I s 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 3 3 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 I s 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 I s [ 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 I s 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 M P P T 控制方法的实现从上面分析 可 知 双 模 式 M P P T 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 M P P T 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 P k / Δ V k 。( 2 ) 根据 Δ P k / Δ V k 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 P k / Δ V k < 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 M P P T 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 P k / Δ V k > 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 I k = Δ P k / Δ V k 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 I k 。如果 Δ I k 在误差范围内 , 那么 I k 近似等于短路电流 , 将该电流用于 M P P 的短路电流控制 。如果 Δ I k 超 出 误 差 范 围 , 同 时 Δ P k / Δ V k > 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 M P P T 控 制 方 法 中 存 在 的优缺 点 , 提 出 了 新 的 M P P T 控 制 方 法 双 模 式M P P T 控制方法 。 为验证该方法的有效性 , 基于M a t l a b 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 , M P P T 控制电路采用 B O O S T 升压电路 ; 仿真所用的光 伏 阵 列最大输出功率为 1 1 0 W , 开路电压 6 0 V 。图 3 是光伏电池输出功率的仿真波形 。 对比传统 M P P T 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 M P P T 系统仿真图F i g . 2 S i m u l a t i o n d i a g r a m o f d o u l - m o d e M P P T08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 M P P T 控制方法功率仿真波形F i g . 3 S i m u l a t e d w a v e f o r m s o f p o w e r f r o m o u t p u to f a P V m o d u l e c o n t r o l l e d b y d u a l - m o d e M P P T图 4 传统 M P P T 控制方法功率仿真波形F i g . 4 S i m u l a t e d w a v e f o r m s o f p o w e r f r o m o u t p u t o fa P V m o d u l e c o n t r o l l e d b y t r a d i t i o n a l M P P T5 结 语针对传统 M P P T 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 M P P T 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I o 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K I = 0 . 0 0 1 7A ℃ - 1 I S C R 下的短路电流温度系数λ 日照强度 , W m - 2I S C R 2 5 ℃ 及 1 0 0 0 W m - 2 情况下短路电流I P H 光生电流E G O 硅片间隙B = A = 1 . 9 2 理想因子T r = 3 0 1 . 1 8 K 参考温度I o r 饱和电流R s h 并联电阻 ( 分流电阻 )R s 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 , 2 0 0 7 1 0 .[ 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 , 2 0 1 1 5 .[ 3 ] M u m m a d i V , T o m o n o b u S , K a t s u m i U. F e e d f o r w a r d m a x i -m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g o f P V s y s t e m s u s i n g f u z z y c o n t r o l -l e r [ J ] . I E E E T r a n s a c t i o n s o n a e r o s p a c e a n d e l e c t r o n i c s y s -t e m s , 2 0 0 2 , 3 8 ( 3 ) ; 9 6 9 - 9 8 1 .[ 4 ] K h a e h i n t u n g , N , S i r i s u k P . I m p l e m e n t a t i o n o f m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g u s i n g f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r f o r s o l a r -p o w e r e d l i g h t - f l a s h e r a p p l i c a t i o n s [ C ] / / I E E E . T h e 4 7 t hI E E E I n t e r n a t i o n a l M i d w e s t S y m p o s i u m o n C i r c u i t s a n d S y s -t e m s , H i r o s h i m a 2 0 0 4 , 3 1 7 1 - 1 7 4 .[ 5 ] T r i s h a n E , P a t r i c k L . C o m p a r i s o n o f p h o t o v o l t a i c a r r a y m a x i -m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g t e c h n i q u e s [ J ] . I E E E T r a n s o n E n -e r g y C o n v e r s i o n , 2 0 0 7 , 2 2 ( 2 ) 4 3 9 - 4 4 9 .[ 6 ] K h a e h i n t u n g N , P r a m o t u n g K , T u v i r a t B , e t a l . R I S C m i c r o -c o n t r o l l e r b u i l t - i n f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r o f m a x i m u m p o w e rp o i n t t r a c k i n g f o r s o l a r - p o w e r e d l i g h t - f l a s h e r a p p l i c a t i o n s[ C ] / / I n d E l e c t r o n S o c i e t y , T h e 3 0 t h A n n u a l C o n f o f I E E E ,2 0 0 4 2 6 7 3 - 2 6 7 8 .[ 7 ] A g o r r e t a J L , R e i n a l d o s L , G o n z a l e z R , e t a l . F u z z y s w i t c h i n gt e c h n i q u e a p p l i e d t o P WM b o o s t c o n v e r t e r o p e r a t i n g i n m i x e dc o n d u c t i o n m o d e f o r P V s y s t e m s [ J ] . I E E E T r a n s a c t i o n s ,2 0 0 9 , 5 6 ( 1 1 ) 1 5 4 1 - 1 5 4 5 .[ 8 ] C h a n g Y H , C h a n g C Y. A m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g o fP V s y s t e m b y s c a l i n g f u z z y c o n t r o l [ J ] . P r o c e e d i n g s o f t h e I n -t e r n a t i o n a l M u l t i C o n f e r e n c e o f E n g i n e e r s a n d C o m p u t e r S c i -e n t i s t s , 2 0 1 0 , I I 9 6 0 - 9 6 3 .[ 9 ] S a l a s V , O l i a s E , B a r r a d o A , e t a l . R e v i e w o f t h e m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g a l g o r i t h m s f o r s t a n d - a l o n e p h o t o v o l t a i cs y s t e m s [ J ] . S o l a r E n e r g y M a t e r i a l s a n d S o l a r C e l l s , 2 0 0 5 , 8 9( 1 ) 1 - 2 4 .( 责任编辑 姜丰辉 )18

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