光伏并网逆变器最大功率点跟踪算法的研究

2012 年 8 月第 8 期电 子 测 试ELECTRONIC TESTAug. 2012No.814张一驰， 王紫婷， 王 勉（兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃兰州 730070 ）摘要： 光伏并网发电系统是光伏发电系统的发展趋势， 而最大功率点跟踪技术是提高光伏发电效率的主要技术。 本文在分析和研究了 3种常用最大功率点跟踪方法优缺点的基础上， 提出了 一种集这 3种常用方法优点的新方法， 即综合优化法。 在太阳能光伏转换系统中， 通过具体实验比较了较大步长的扰动观察法， 恒电压法和导纳增量法， 还有本文中提出的综合优化法， 通过对改进算法的仿真， 以及与其他算法的比较， 说明了这种改进算法的正确性， 验证了这种算法的可行性及优越性。关键词： 光伏并网；最大功率点跟踪；综合优化法中图分类号: TM464 文献标识码: AResearch on the photovolatic inverter maximum power point tracking algorithmZhang Yichi, Wang Ziting, Wang Mian（ School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China ）Abstract : Grid-connected PV systems is the development trend of photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking technology is to improve the photovoltaic efficiency.In this parper, analysis and research on the basis of the three maximum power point tracking commonly used method advantages and disadvantages of an integrated optimization method. Solar photovoltaic conversion system, through specific experiments the larger step of the perturbation and observation method, constant voltage and admittance incremental method, the optimization method proposed in this paper, through simulation of the improved algorithm, as well as comparison with other algorithms, indicating the correctness of this improved algorithm to verify the feasibility and superiority of this algorithm.Keywords : photovoltaic grid ； maximum power point tracking ； optimization method光伏并网逆变器最大功率点跟踪算法的研究2012.8设计与研发150 引言光伏并网系统中 ，要 提高太阳能的利用率，最大功率点跟踪技术是很好的突破点。在完全等同的客观条件下 ，为了能提高光伏发电效率，国内外研究了许多种 MPPT 方法，但是在实际应用较多的方法只有恒电压法、扰动观察法、导纳增量法 3 种。对于不同最大功率点跟踪的算法，有很多资料对其进行了对比性试验，或是仿真研究。本文通过对这 3 中种方法进行了分析比较，最后结合三者的优点并提出了新的最大功率点跟踪算法 : 综合优化法，并通过 MATLAB 仿真验证了算法的正确性。1 最大功率点跟踪算法在光伏发电系统中 ，通过最大功率点跟踪技术使光伏电池的输出功率保持在最大状态，是提高系统的整体效率的一个重要途径。太阳能光伏转换系统的效率直接取决于此算法效率的影响。光伏电池的输出功率取决于日照强度 、太阳能光谱分布和光伏电池的温度，光伏电池在标准条件下 ，光伏电池所输出的最大功率被称为峰值功率，其单位为峰瓦 （ Wp） 。从图 1 光伏电池的特性曲线可知，光伏电池阵列输出特性具有非线性特征，只有在特定电压值下 ，光伏电池的工作点才能达到了输出功率曲线的最大值。在实际应用中 ，由于光强和温度随着时间不断变化，而负载却是不变的，所以很难保证两条曲线的完全重合。这就需要在光伏发电系统中加入最大功率点跟踪控制系统，使光伏电池始终工作在最大功率点附近，来实现负载与光伏电池间的最佳匹配，这一过程就称之为最大功率点跟踪 (MPPT) 。图 1 光伏电池的 PV、 IV 特性曲线2 最大功率跟踪常用方法2.1 恒电压法恒电压法是当光照强度较大且温度恒定时 ，光伏阵列各曲线的最大功率点几乎分布于一条恒定的工作电压两侧。恒电压法实际上是把 MPPT控制简化为稳压控制， 实现了伏阵列稳压输出。恒电压法算法的优点是控制简单、 易实现、 可靠性高。但是恒电压法在理论上忽略了温度对光伏阵列的影响，所以控制精度差 ( 每当环境温度升高 1℃时 ，硅光伏电池的开路电压下降 0.3 ％ ～ 0.45 ％ ) 。在一年四季或者每日早午温差较大的地区，不宜应用恒电压追踪法。2.2 扰动观察法扰动观察法是目前现实工程中实现 MPPT 最普遍的方法之一，也叫登山法。它的工作原理是通过隔一定的时间间隔， 向其加一个电压扰动 （增加或减少电压） ，由于光伏阵列的功率电压特性曲线是一个有唯一极大值的连续曲线，观测和比较先后的变化方向，进而逐步调整阵列的工作点，来决定之后的控制信号 ，最后使光伏阵列在最大2012.8 Design & Research16功率点左右振荡运行。具体步骤如扰动观察法流程图 （见图 2）所示。其中扰动量△V 就是扰动步长。此方法的优点就是跟踪方法简单，实现容易 ,缺点就是达到稳态后扰动步长振荡幅度较大，跟踪精度较差，对跟踪精度和响应速度无法兼顾。图2 扰动观察法流程图2.3 导纳增量法导纳增量法也是光伏电池 MPPT 众多方法中使用较普遍的方法。由光伏电池特性曲线可知，其功率．电压曲线是一个有唯一极大值的连续曲线，且在该最大功率点处，功率对电压的导数为零，所以此方法是通过比较光伏阵列的增量电导和瞬时电导来实现最大功率点跟踪的。增量导纳法流程图如图 3 所示。导纳增量法控制准确，响应速度快。它最明显的好处是在光强等客观环境因素改变时 ，可以使光伏阵列以稳定的输出跟踪环境因素的变化。但缺点是算法比较复杂，扰动步长不能过大，否则影响到其跟踪速度，对传感器的精度要求较高。带来了动态性能和稳态性能的矛盾。图 3 增量导纳法流程图2.4 综合优化法实际应用中 ，其实还有许多可以实现光伏阵列的最大功率跟踪的方法，例如包括变步长扰动法、功率回授控制法、直接检测法、最小二乘法、基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪法等等，它们的改进都是朝着两个趋势 ： 一是减小跟踪时间，二是改善震荡和误差，也就是速度和精度的结合度较高。通过以上对 3 种常用方法的原理和优缺点的分析 ，本文提出了采用将这 3 种方法相结合的方式来进行最大功率点跟踪，综合优化法，其大体思路是，首先采用较大步长的扰动法快速跟踪到最大功率点附近，然后采用导纳增量法稳定跟踪到最大功率点，最后一步跟踪到的最大功率点对应电压为给定采用恒电压法，利用其较好的稳定性和抗干扰性，让系统稳定运行在最大功率点上。图 4 是这种综合优化法的程序流程图。2012.8设计与研发17图 4 综合优化法流程图3 算法仿真实验对比针对 以 上 实 际 光 伏 系 统 中 最 常用 的 3 种MPPT 算法 ： 恒定电压控制法 （ CVT） 、扰动观测法 （ P&O） 、导纳增量法 (InC) ，本文在仿真的基础上对比分析了它们各自的控制效果。在外部条件、搭配的直流——直流电路、算法采用的步长和阈值及负载都相同的情况下 ，通过仿真得到其跟踪曲线，如图 5 （ MPPT 算法跟踪比较）波形，其中 ，曲线 1 为最大功率曲线，曲线2 为采用恒定电压控制法的跟踪曲线，曲线 3 为采用扰动观察法的跟踪曲线，曲线 4 为采用导纳增量法的跟踪曲线。从中可以发现， CVT由于电压是直接给定并未寻优，跟踪到最大功率点的速度最快，但却只能保证在最大功率附近工作，当外部调节发生变化时 ，功率损失比较严重 ； 扰动观测法和电导增量法的跟踪过程出现震荡逼近的过程，扰动观察法的追踪速度要快于电导增量法，在跟踪到最大功率曲线后，都能表现出很好的跟踪效率，但扰动观察法的稳态波动稍微明显。图 5 MPPT 算法跟踪比较图 6 是综合优化法的仿真结果图，其中 （b ）是进入稳态时的局部放大图，在 10 ms 内输出功率即可上升到最大功率点附近，而在 20 ms 出算法有导纳增量法进入恒电压法，输出功率表现的很稳定，误差也很小 （精度为 99.8%） ，达到预想的结果目标， 跟踪过程具有良好的快速性和稳定性。因此，本节所提出的以恒电压法、扰动观察法和导纳增量法为基础的综合优化法，在原理分析和仿真结果上可以达到比较好的 MPPT 跟踪效果，在增加动态跟踪速度的同时也保证了稳态时的精度，减小 了稳定时震荡和误差。(a)0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6020406080100120140160180200TIMEPOWER21341： ： ： ： ： ： ： ： ：2： CVT3： P&O4： InC2012.8 Design & Research18(b)图 6 综合优化法的仿真结果图综合而言 ，扰动观察法适用于外部环境变化较为缓和， 要求转换效率较低， 提倡经济性的场合。导纳增量法更适合硬件电路性能较好 ，检测精度高的场合。而在需要稳定长时间运行的光伏系统以及系统的外界环境参数变化较缓慢的场合 ，则适合选用扰动观测法或者定步长导纳增量法控制，在要求不高的情况下 ，尤其是在小功率带蓄电池的独立光伏系统中也可以采用 CVT。4 结束语在光伏转换系统中 ，最大功率点跟踪算法对充电效率起着非常重要的作用，本文通过对恒定电压控制法 （ CVT） 、扰动观测法 （ P&O） 、导纳增量法 (InC) 的原理分析 ，提出了综合优化算法。通过 对此算法的实验分析 ，可以明显得出，此算法充分利用了 3 个算法的优点来弥补彼此的缺点，比单独算法效果好 ，能快速地找到最大功率点，体现了系统高效率的特点。因此，通过实验证明了综合优化法不仅充分地提高了光伏转换系统的充电效率，而且大大降低了系统的成本。参考文献[1] 周美兰 , 刘密富 . 光伏系统最小二乘法的 MPPT追踪 [J]. 黑龙江科技学院学报 ,2008,18(5).[2] 刘爱忠 , 刘俊化 , 肖岚 . 数字锁相环在逆变器并联系统中的应用 [J]. 电力电子技术 ,2007, 41(7):8O-82 ．[3] 张超 . 光伏并网发电系统 MPPT及孤岛检测新技术的研究 [D]. 杭州 : 浙江大学电气工程学院 ,2006.[4] 高峰 , 孙成权 , 刘全根 . 太阳能开发利用的现状及发展趋势 [J]. 世界科技研究与发展 ,2001, 23(4):35-39.[5] 徐鹏威 , 刘飞 , 刘邦银 , 段善旭 . 几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进 [J]. 电力电子技术 ,2007,41(5):5 ．[6] J.Munoz1 E,Lorenzo1,F.An Investigation into Hot-Spots in Two Large Grid-Connected PV Plants [J].Wiley InterScience,Prog.Photovolt:Res.,2008,16:693-701.[7] 杨海柱 , 金新民 . 最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究 [J]. 北方交通大学学报 ,2004,28(2):65-68．[8] 李进国 , 金新民 . 小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 [J]. 北方交通大学学报 ,2003,27(2): 57-61 ．作者简介：张一驰，兰州交通大学电信学院在读硕士研究生，主要研究方向为智能仪器和虚拟仪器。E-mail ： zyc-bach@163.com