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 ： 470?40 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?