光伏发电系统MPPT改进方法研究

第 ２９ 卷 第 ４ 期２０１３ 年 ４ 月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.29 No.4Apr. 2013文章编号： １６７４－３８１４ （ ２０１３ ） ０４－００９１－０５ 中图分类号： ＴＭ ６１５ 文献标志码： A光伏发电系统ＭＰＰＴ改进方法研究党克 1， 杨维湘 1， 严干贵 1， 马聪 2（ 1. 东北电力大学 电气工程学院， 吉林 吉林 132012； 2. 宝 安 供 电局， 广 东 深圳 518101）An Improved MPPT Method in PV Power SystemDANG Ke 1， YANG Wei-xiang 1， YAN Gan-gui 1， MA Cong2（ 1. Schoolof Electrical Engineering， NortheastDianli University， Jilin 132012， Jilin， China； 2. BaoanElectric PowerSupplyBureau， Shenzhen518101， Guangdong， China）ABSTRACT ： Aiming at the vibrating and misjudging problemof the classic P&O method and taking the irregular slop rate aswell as uni-modality in the workspace of the PV array intoconsideration， this paper presents a new variable-step andimproved P&O method appropriate for MPPT. With the impr-ovement made to the MPPT， it can deal with the nonlinear andtime-varying of the PV array effectively to boost the capacity ofthe system. According to the result of the simulation， thismethod improves the speed and stability of the system， andobtains a favorable curve via the simulation of the single-phasePV grid system by PSCAD， and boosts the efficiency for solarenergy utilization.KEY WORDS ： PV； three-phase grid connected； MPPT； P&O；variable-step摘要： 研究了适合最大功率跟踪算法的新型变步长和改进型扰动观察法， 以及将目标点扩展为一个区域的概念 。 改进最大功率跟踪方法，可有效应对光伏阵列的非线性和时变性，提高系统的有效产能，针对经典扰动观察法存在的振荡 、 误判问题， 考虑到光伏阵列输出曲线最大功率点两侧斜率变化不一致和 P-V 曲线在工作区间内单峰性的特点 。 仿真结果表明， 该方法提高了系统的稳定性和跟踪速度， 在 PSCAD环境下建立的三相并网系统中也得到了良好的仿真曲线， 提高了光伏并网系统对光能的利用率， 对并网电能质量方面的问题产生了积极作用 。关键词： 光伏； 三相并网； 最大功率点跟踪； 扰动观察法；变步长近年， 全球光伏产业迅猛发展， 太阳能能源将逐渐由补充能源向替代能源过渡 [1]， 并网发电是必然趋势 。 在光伏发电系统中， 如何提高太阳能电池工作效率， 以及在复杂环境下， 提高整个系统工作的稳定性 [2]， 减小部分遮挡带来的影响， 减小功率波动， 是目前存在的一些问题 。 为降低整个系统的造价并提高能源利用率，可以对最大功率点跟踪对最大功率点的跟踪过程， 是一个寻找最优解的过程 。 扰动观察法（ P&O） 是目前应用较多的方法之一 。 但经典算法流程中的判定环节存在振荡与误判的问题， 以上 2个问题会导致控制信号有效瞬时值相对其目标位置产生短期的积累性变化， 对系统平稳运行不利， 也使扰动法在面对复杂天气环境时， 效果不理想 。目前，存在变步长与扰动观察法结合的方法，即根据跟踪点与目标点的距离变换步长 ——— 若跟踪点与目标点距离较大， 则使用大步长提高运算速度， 距离较小时， 改换小步长以提高跟踪精度 。 这种方法可以减少迭代次数， 提高运算速度， 但针对振荡与误判的问题， 效果并不明显， 由于目标两侧的斜率变化率极不对称， 传统变步长甚至会加剧系统的功率波动， 所以变步长与 P&O的结合度不是很高，仍有提升的空间 。针对上述问题， 本文提出一种改进方案 。 通过分析跟踪点振荡与误判时产生抖动的外界条件 、 内部原因， 论述了改进方案及其合理性 。1 仿真电路与建模1.1 光伏阵列的模型计及照度与温度等因素的数学模型：——— —— —— —— —— —— —— —— ——基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 51277024） 。Natural Science Foundation Project（ 51277024） .清洁能源Clean EnergyI=I sc（ 1- C1（ exp（ V-d VC2Voc） -1） ） +dI （ 1）dI=α R/RrefdT+（ R/Rref-1） Isc （ 2）dV=- β dT- RsdI （ 3）dT=Tc- Tref （ 4）Rs= NsNpRs· ref （ 5）C1=（ 1- I m/Isc） exp- V mC2Voc （ 6）C2=（ Vm /V oc-1） /ln（ 1- Im /I sc） （ 7）式中， Rref为照度的参考值， W/m 2； Tref为电池温度的参考值， ℃ ； R是实际照度， W/m2； Tc是环境温度， ℃ ； α 、 β是电流和电压变化的温度系数 （ A/℃ 和 V/℃ ） ； V oc是阵列的开路电压， V； I sc是短路电流， A； Rs是模块的串联电阻， Ω ， 它受到串并联数影响， 但是一般只有几欧； N、 Np为阵列模块串联数 、 并联数； Rs· ref是单个模块参考电阻， Ω 。在 PSCAD中建立光伏阵列模型并进行仿真， 仿真曲线如图 1所示， 在相同温度 、 不同照度 （ 600 W/m2，800 W/m2， 1 000 W/m2） 的情况下， 阵列的 P-V 、 I-V曲线都分别表现出其输出具有很强的非线性 [3]。1.2 三相光伏发电系统的结构三相光伏发电系统的结构图如图 2所示 。 主要组成部分为： DC-DC 变换器 、 DC-AC 逆变器和滤波电路 。 DC-DC 变换器为 CUK 电路， 用于提高复杂天气下系统的灵活性， 辅助 MPPT模块工作， 保证较高的转化效率； DC-AC 为全桥逆变电路 [4-5]。2 经典方法2.1 变步长法变步长这种经典的方法适用范围很广， 可以对很多算法的收敛速度进行优化 。 但是如前言中所述， 经典变步长法与 P&O结合度不高， 原因如下 。图 3为图 1（ a） 中 1 000 W/m2时 P-V 曲线的斜率，O点为斜率为零的点， K表示斜率， 横轴为时间轴 。 纵坐标的数量级较大， 横坐标相对较小， 但 O点左侧并非水平线， 并且其斜率为正 （ 可参照图 1（ a） ） 。如图 3， 在 O点左侧斜率变化相对缓慢， 而在其右侧变化速率极快 。 引入变步长时， 若只根据目标点与跟踪点间的距离改变步长， 那么势必会引起目标点附近出现不规律跟踪 。 由于在 K=0点附近， 相对左侧较小的步长也可能引起右侧较大的距离变化，所以按照距离变换步长并不符合阵列的输出特性 。2.2 扰动观察法扰动观察法通过周期性扰动阵列的工作电压，再比较其扰动前后的功率变化，调整跟踪电压， 使输出功率趋于最大 [6-8]。 流程图见图 4。其中， V（ k） 、 I（ k） 和 P（ k） 分别是 k时刻的阵列电压 、 电流采样数据和计算出的功率， V（ k -1） 、 I（ k-1）和 P（ k -1） 则是前一个时刻对应的数据， Δ V 是调整步长 。从图 4可以看出， 在第一个判定环节 P（ k） - P（ k-1） =0， 仅当两采样点功率恰好相等或在硬件精度盲区内， 才会判定为真 。 又因为对最大功率的跟踪具有往复性的特点 ——— 跟踪不会一次完成， 很可能要在目标点两侧反复逼近， 这个环节可能使追踪点振荡， 导致控制信号的抖动， 进而影响输出电压的稳定性， 影响系统整体的平稳运行 。图 3 P-V 曲线的斜率Fig. 3 The slope of the P-V curve图 2 三相光伏发电系统结构图Fig. 2 The frame of the PV power system图 1 不同照度下的阵列 I-V 和 P-V 曲线Fig. 1 The I-V and P-V curves in different illuminations党克， 等： 光伏发电系统 ＭＰＰＴ 改进方法研究 Vol.29 No.4清洁能源Clean Energy92第 ２９ 卷 第 ４ 期 电网与清洁能源3 改进方案3.1 新型变步长法为了兼顾跟踪与控制精度，在对图 3分析的基础上， 引入以下改进方案 。引入斜率 K：K=dP/dV （ 8）Δ V=0.01K， K＞ 00.1K- Kmin， K≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤0 （ 9）式中， K、 Kmin为斜率和斜率的开区间的下界 。若跟踪点接近最大功率点， 则斜率值的绝对值变小 （见图 3） ， 迭代步长 Δ V 随之变小， 从而减少功率振荡 。 从图 3可以看出， 最大功率点两侧， 斜率的变化情况有所不同， 据此公式 （ 9） 给出了两种情况，跟踪点位于目标点左侧时， K变化相对平滑缓慢，右侧时， K为负且呈现一个类抛物线的变化，如果根据 K的变化， 调节 Δ V， 可使步长的变化更加适合跟踪需要 。3.2 改进扰动观察法如图 1（ a） 所示， 由于光伏阵列的输出功率在工作区间内具有单峰性，又因为功率电压曲线与 X轴围成一个闭合凸曲面， 所以， 存在很多对功率相等而电压不同的点 （ 例如图 1（ a） 中 O与 X标记 ） 。 如果由于环境因素变化使阵列输出发生变化， 使阵列的输出从其中一个标记点附近跃变到另一个附近， 那么图 4中第一个跟踪判定环节就会发生误判，认为已经跟踪到了最大功率点 。如图 1（ b） ， 标记的两点有相同的电压值， 但是由于光照不同输出电流不相同 。 如出现阵列部分遮挡等干扰， 使输出从 X标记点跃变到 O标记点， 那么图 4中的二级和三级判定环节就会误判或者进入死循环， 可能导致电压波动甚至崩溃 。考虑到经典扰动法震荡的问题以及光伏阵列本身较强的非线性， 给算法中加入一个限制参数，将目标点扩展为一个区域， D是其半径， 当功率跟踪点达到目标域，就视为追踪完成 （算法返回 ） ，这样既避免了追踪点的震荡情况， 也减少了一部分运算 。针对之前提到的误判问题，加入一条判据， 依次对相邻 2个功率跟踪点 、 电压跟踪点进行比较， 若比较环节的返回值为逻辑 1， 则进行下一次循环， 否则说明可能出现了误判， 要进入电压比较环节进行确认， 然后再继续进行迭代 。 图 5为结合了上一小节新型变步长方法的改进扰动观察法流程图 。4 仿真实验根据图 2搭建系统仿真图 [9-15]， 得到曲线如图 6所示， 图 5（ a） 为改进前后 2种跟踪方法下得到的 DC-DC变换器电压输出曲线； 图 5（ b） 、（ c） 分别为并网电压 、 电流曲线 。图 5 改进后的扰动观察法流程图Fig. 5 The improved P＆ O图 4 扰动观察法控制流程图Fig. 4 A control flow of P＆ O清洁能源Clean Energy93从图 5中可以看到，改进方案较经典方案的稳定性与跟踪速度有了一定提高 （ 图 5（ a） ） ——— 超调量减小， 振荡与误判问题基本解决， 更快的进入稳定状态 （ 经典方法在 0.075 s和 0.100 s之间 、 0.125 s时仍然有小幅波动 ） ，可以得到比较理想的并网电压与电流 （ 图 5（ b） 、（ c） ） 。5 结论合理有效的跟踪方法可以提高对能源的利用率， 而且可以减少效率波动， 保证系统稳定运行 。 本文在总结经典跟踪方法的基础上， 分析了光伏阵列的特性， 提出了适合最大功率跟踪算法的新型变步长和改进型扰动观察法， 在对经典跟踪方法的改进中，将目标点扩展为一个区域，有利于系统稳定运行 、 减少功率振荡 。 通过仿真， 该证明方法可行 。参考文献[1] 张超， 郭晓芸， 陈进美 . 基于 PSCAD并网光伏发电系统MPPT控制 [J]. 水电能源科学， 2011， 29（ 9） : 209-212.ZHANG Chao， GUO Xiao-yun ， CHEN Jin-mei. 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