光伏发电系统新型变步长MPPT控制方法

- 178 - 光伏发电系统新型变步长 MPPT控制方法 范佳佳 宋平岗（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）【摘 要】 分析并网型光伏发电系统最大功率点跟踪原理，针对含有直流 -直流（ DC/DC）升压环节的两级系统，文章提出了一种新型简单实用变步长最大功率点跟踪（ MPPT）控制方法。系统只检测输出并网电流，并根据电流变化率 di/dt 变步长改变占空比，实现最大功率点的快速跟踪。仿真分析得，系统追踪最大功率点速度快，当外界条件发生变化时，系统能快速追踪到新的最大功率点并保持不变，稳定性好，输出功率平稳，波动小，证明了理论研究的正确性与可行性。 【关键词】 并网；光伏发电； MPPT；变步长 【中图分类号】 TM464 【文献标识码】 B 【文章编号】 1008-1151(2010)10-0178-03 （一）引言 太阳能具有清洁、无污染、取之不尽用之不竭、分布面广等优点，已成为世界各国普遍研究的热点。与此同时，光伏发电装机总量每年成倍增趋势，在世界发电总量中所占的比重也越来越大。但是，光伏发电系统的一个主要缺点是其价格昂贵而发电效率却较低，这已成为限制其发展的主要因素之一 [1] 。 所有的光伏系统都希望电池阵列在同样的日照、 温度条件下输出尽可能多的电能，提高发电效率，这也就是理论和实践上的太阳能电池阵列最大功率点跟踪 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 控制。 目前，国内外常用的最大功率点跟踪控制方法大多是直接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向。比较成熟的 MPPT方法有扰动观察法 （爬山法） 、 增量电导法 （ INC） 、 恒定电压法 （ CVT） 、滞环比较法、模糊逻辑控制法等。其中工程中应用较多的控制方法为：扰动观察法和恒定电压法。此类方法存在一个缺点，系统在追踪最大功率点时只能定步长跟踪，追踪速度较慢，会产生一定的能量流失。另外，此类最大功率点跟踪控制方法一般直接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向 [2] 。 针对上述缺点，本文采用一种直接电流控制法，系统只采样逆变器输出并网电流，根据并网电流的大小判断功率趋向并改变占空比。与传统的直接电流控制法不同的是，系统会根据采样得到的并网电流的变化率改变占空比的变化率，实现系统最大功率点的快速跟踪。由于只对输出并网电流进行采样，系统在不降低性能的情况下，节省了一个传感器，成本得以降低，软硬件设计也得以简化。 （二）太阳能光伏电池模型及输出特性 光伏电池是一种能吸收太阳能并将其转换为电能的半导体装置，由多个 p-n 结串联而成，它的输出具有非线性特征，受环境因素影响很大，如光照强度和环境温度。随着光照强度和温度的变化，光伏电池的输出电压也会随之产生较大变化。当光伏电池处于暗处时，其输出的伏安特性与二极管指数特性相似。当光伏电池受一定强度的太阳光照射时， p-n结两边会产生电势差，将电势差引出外导体产生电流，相当于电流源输出。太阳能电池板开路时，电流被其自身固有的p-n 结二极管分流， 此时这个二极管的特性可被看成是光伏电池的开路电压特性 [3-4] 。根据光伏电池的内部结构和输出伏安特性得到光伏电池的等效电路如图 1 所示，它由一个受光强和温度影响的电流源并联一个二极管再串联一个电阻组成。 图 1 光伏阵列的等效电路模型其等效数学模型为： ( ) ( )shssph RIRUqnkTIRUqIII +-?????? -?????? +-= 1exp0（ 1） 式中： I ——光伏电池输出电流 (工作电流 )； U——光伏电池输出电压 (工作电压 )； I ph——光生电流； I 0——二极管饱和电流； q——电子的电荷量（ 1.6× 1910 - C） ； Rs——光伏电池的串联电阻； n ——二极管特性因子； k——玻尔兹曼常数（ 1.38× 2310- J/K）； T——光伏电池温度； Rsh ——光伏电池的并联电阻。 基于式（ 1），我们使用 Matlab 搭建了光伏电池的仿真模型，如图 2 所示。仿真采用无锡尚德太阳能电力有限公司生产的单晶硅光伏电池组件（ STP175S-24/Ab），参数为：Uoc=44.2V， Um=35.2V， I sc=5.2A， I m=4.95A， Tref =25℃， RS =0.1Ω。图 2 PV模块（三）新型变步长 MPPT算法 大多并网光伏发电系统，变流器输出端经过滤波环节后与电网相连，通常电网可视为无穷大电压源系统，其特性较为稳定 [5] ， 如电网电压与频率等参数， 当系统并入电网时， 系统输出端并网电压被强制箝位在电网电压上。由于变换器自2010 年第 10 期 大 众 科 技 No.10 ， 2010（总第 134 期） D A ZHONG KE JI (Cumulatively No.134)【收稿日期】 2010-07-09 【作者简介】 范佳佳（ 1987－） ，男，安徽芜湖人，华东交通大学电气与电子工程学院硕士研究生，研究方向为光伏变流器拓扑结构及控制方法； 宋平岗， 男， 华东交通大学电气与电子工程学院硕士研究生导师， 研究方向为新能源及大功率变流技术。- 179 -身功率损耗很小，相对于系统额定输出功率可忽略，故可认为光伏电池的输出功率和变换器输出功率相等，由功率平衡原理得： LLoutPV IUPP == （ 2） LU 为电网电压，可视为常数。 由式（ 1）可以得出，光伏电池的输出功率 pvP 与并网电流 LI 成正比，即：Lpv IP ∝鉴于此特性，系统只需采样变换器并网电流，根据并网电流的大小及变化情况判断 PV板实际输出功率的变化情况，通过不断改变 DC-DC变换器占空比改变 PV板实际输出并网电流的大小，也即输出功率的大小。当改变占空比使输出并网电流 I L 变大时， 此时 PV板输出功率在变大， 应保持这个变化趋势，直至 I L 不再变大并保持不变。相反，当改变占空比使输出并网电流 I L 减小时， 此时 PV板输出功率在变小， 应向相反的方向改变变化趋势，使 I L 逐渐增大，直至 I L 不再变大并保持不变。由此，系统输出并网电流达到最大， PV 板输出功率也达到最大，实现了 PV板的最大功率点跟踪。 本文提出的新型简单实用 MPPT控制算法结合了直接电流控制 MPPT控制方法的优点，采用变步长跟踪最大功率点，当改变占空比使并网电流剧烈变化时，说明系统目前运行在离最大功率点较远的直线段上，需增大占空比的改变量。当检测到并网电流变化缓慢时，应减小占空比的变化量，实现最大功率点附近的工作点微调，直至达到最大功率点并保持不变。具体实现只需用一个电流传感器检测并网输出电流 I L 的变化， 根据输出电流 I L 的变化率 dtdi / 来决定占空比的变化率，如式（ 3）所示。 dtkdiKxkDkDc)1()sgn()1()( -+-= （ 3） 式中 KC为正比例常量， di(k-1)/dt 为上一时刻电流变化率， di(k)/dt 为在上一时刻变化率下本时刻的电流变化率。符 号 函 数 sgn(x) 的 取 值 方 向 与 di(k-1)/dt 作 用 下 的di(k)/dt 的正负取向相同， D(k) 为下一时刻占空比， D(k-1)为上一时刻占空比， di/dt 为电流变化斜率。 分析式（ 3） ： 1）当 di(k-1)/dt 为正大， di(k)/dt 也正大时，电流正方向快速增加，输出功率快速增加，占空比正大增加，实现最大功率点快速跟踪调节。 2）当 di(k-1)/dt 为正大， di(k)/dt 正小时，电流正方向缓速增加，输出功率缓速增加，占空比正小增加，实现最大功率点微调。 3）当 di(k-1)/dt 为零， di(k)/dt 也为零时，电流达最大点，输出功率也达最大点，占空比不再改变，系统在最大功率点上稳定运行。 其他情况依此类推，其中大、小为虚拟比较参数，用于模糊说明最大功率点变步长追踪过程。 sgn(x) 、 di(k)/dt 与 di(k-1)/dt 三者的关系如表 1 所示。表 1 sgn(x) 、 di(k)/dt 与 di(k-1)/dt 三者关系 di(k-1)/dt di(k)/dt sgn(x) >0 >0 >0（ 1） >0 0 =0 =0（ 0） 0 >0（ 1） 0 时，系统输出功率逐渐增大，工作点向最大功率点逼近；d i (k)/dt0 时， sgn(x) 取值 1,占空比增大；若 di (k)/dt0 时，说明占空比的作用为正，应保持占空比的变化趋势。当 di (k)/dt 0 ，故取 sgn(x) 为 -1，以使占空比减小。d i (k)/dt =0 时，系统已达最大功率点， sgn(x)取为 0。其他情况同理分析，不再累述。 通过以上分析，画出变步长 MPPT控制算法流程图如图 4所示。 图 4 新型变步长 MPPT控制算法流程图（四）系统仿真分析 根据前文所述理论，在 PV模块的基础上，本文搭建了新型变步长 MPPT控制方法仿真电路，如图 5 所示。模型主要由PV模块，变步长 MPPT控制器，逆变桥，滤波器，电网负载及控制电路组成。仿真电路中，三角载波频率设置为 5KHz，滤波电感为 1mH， 0.01Ω的电阻为线路及电感总电阻， PV 模块的仿真参数为： Uoc =44.2V， Um=35.2V， I sc=5.2A， I m=4.95A，Tref =25℃， RS =0.1 Ω。 Irel 为实际并网电流。 - 180 - Irel逆变器v +-u yfcnVariable Step-Sized MPPT Method Step1StepTSUIoImUmPVgmCEIGBT1s -+ C图 5 系统仿真图图 6 为光伏电池阵列在光照条件变化条件下，采用变步长 MPPT算法控制时的输出功率曲线。红色曲线为理论输出，黑色曲线为 PV板输出功率，灰色曲线为实际并网功率，实际并网功率和理论功率的差值为功率传输变换中的总损耗。分析可得，系统追踪最大功率点速度较快，稳定性好，输出功率平稳，波动小。输出并网电流为标准正弦波，与电网电压严格同步，在稳定运行时，系统总电流谐波含量仅为 2.15%，谐波含量少， 主要为 3 次、 5 次和 7 次谐波， 高次谐波衰减速度快。图 7 为输出并网电流及谐波分析。 0 500 1000 1500 2000012频 率 (Hz)基波 (50Hz) = 2.0 , THD= 1.99%幅值(占基波的百分比)0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-400-2000200400时 间 / s幅值/V图 6 PV 输出功率仿真曲线 图 7 逆变器输出电流波形及谐波分析 （五）总结 分析并网光伏发电系统的特点，依据功率平衡原理，本文提出了一种新型 MPPT控制方法， 只需对系统输出并网电流进行检测，相比于传统 MPPT控制方法，系统省去了一个传感器，成本有所降低，软硬件设计也得以简化。另外系统采用di(k)/dt 变步长控制方法， 根据 di(k)/dt 的大小决定占空比的变化步长，使系统在太阳光照剧烈变化时能快速追踪到最大功率点并稳定运行。仿真结果表明，系统在太阳光照剧烈变化时快速追踪到了最大功率点，其与传统的爬山法、恒定电压法、 短路电流法及增量电导法等 MPPT控制方法相比具有明显优势。逆变器输出电流与电网电压严格同步，电流总谐波含量低，高次谐波衰减速度快，输出电流波形严格近似正弦波，波形质量高。 【参考文献】[1] 吴佳宇 , 马秀娟 , 孙玉德 , 张敏 . 光伏并网逆变器控制策略研究 [J]. 电源技术应用 ,2009,(8). [2] 吴春华 . 光伏发电系统逆变技术研究 [D]. 上海大学工学博士学位论文 ,2008,3. [3] Balakrishna S,Thansoe, Nabil A, Rajamohan G, Kenneth A.S.,Ling C. J. The Study and Evaluation of Maximum Power Point Tracking Systems [J].International Conference on Energy and Environment 28-30 august 2006. （上接第 191 页） 决的一个课题。 （三）推动学生学习方式的转变 从根本上解决学生不适应的问题，至关重要的一点是积极引导学生转换学习方式，变被动听课为主动备课，变单向讲解为双向互动，变简单学习为积极应用。 1. 帮助学生树立学习高等数学的信心。 数学具有很强的抽象性，正是这一点往往成为一些学习者从中学到大学的心理障碍。有的学生因为高中数学学得不是很好，因此在面对高等数学时，学习起来缺乏自信，不相信自己有能力看懂、学会这门课程。教师要充分利用自己的教学经验，向学生传达一种明确的信号，尽管数学是一门深奥的课程，但只要方法得当，也是一门易于学习、便于掌握的课程；尽管对于刚踏入大学的学生来说，从简单、基础的数学思维转到对高度抽象、复杂的高等数学的学习中确实有一定的难度，但似乎越难的学科越具有其独特的魅力，只要不断地去接触它、理解它、感受它，就能真正体会到它内在的美。 2. 创新教学方法，实现从初等数学到高等数学知识的平稳过渡。 首先，通过系统研究中学教学情况、学期初的摸底考试及高考的数学成绩等途径，了解学生原有的认知结构。其次，放慢起始教学进度，逐渐加快教学节奏，慢是为了快，在慢中注意学习方法的培养。再次，认真剖析新旧知识间的联系与区别，揭示新知识的本质特点，顺利完成从旧知识到新知识的过渡，有效地避免思维的负迁移作用。教师应善于将自已与学生进行“角色”换位，准确把握学生学习高等数学的难度所在。 3. 将科学史有效融入高等数学教学，激发学生的学习兴趣。 在讲授高等数学的同时，介绍一些数学史是非常必要的，这既可以增加学生的知识面，扩大学生的视野，还可以从这些史实中，了解相关的数学知识与方法产生的历史背景，体会其中的思想、方法和创立一门新学科的艰辛。要结合课程，以历史典故为红线，贯穿高等数学的全过程；以人物简介为花絮，点缀描述高等数学发展曲折而艰辛的历史。一门课学完之后，使学生既有该门课的知识的线条，又有这门学科的历史的线条，让学习数学的过程充满趣味性，充满知识性，充满研究和探索精神，最大程度地激发出学生的学习兴趣。 4. 充分调动学生的非智力因素。 新生进入高校，普遍带有高考后的放松情绪，存在对学习高数畏难情绪，滋长新的知识无用论。教师对这些苗头性、萌芽性的问题要及时加以纠正，调整学生的学习状态、学习习惯、学习方法，提高学生的学习自觉性、意志力和责任心，通过鼓励、鞭策、教导等手段激发学生的学习热情，把学习高数的非智力因素挖掘并调动起来。 【参考文献】[1] 李艳红 . 浅谈初等数学与高等数学知识的过渡与方法的衔接 [J]. 丹阳学院学报 ,1997.8. [2] 许梦日 , 任传贤 . “导数及其应用”部分教学高校与高中衔接 问 题 探 究 [J]. 阜 阳 师 范 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2006,23(3):84-87. [3] 王菊韵 . 从中学到大学数学学习思维的转换 [J]. 黑龙江高教研究 ,1994,(5):42-43. [4] 张奠宙 . 大学数学教育的若干新趋势 -新加坡数学教育国际会议的报道 [J]. 高等数学研究 ,1999.3.