并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究

第 25卷 第 1 期2006 年 1 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technologyof Electrical Engineeringand EnergyVol. 25 , No. 1Jan. 2006收稿日期 :2005207205作者简介 :杨海柱 (19752) , 男 , 河南籍 , 博士生 , 研究方向为光伏并网系统 ;金新民 (19502) , 男 , 浙江籍 , 教授 , 博导 , 博士 , 研究方向为电力电子技术 。并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究杨海柱 , 金新民(北京交通大学电气工程学院 , 北京 100044)摘要 : 最大功率点跟踪控制问题是光伏并网发电系统中经常遇见的问题 。 本文根据太阳电池阵列的工作特性以及单相并网逆变器的结构和工作原理 ,针对并网光伏系统最大功率点跟踪控制的间歇扫描法提出了一种改进措施 。 仿真和实验研究结果表明 ,改进后的间歇扫描法在最大功率点跟踪控制过程中 ,系统工作点波动较小 ,系统稳定性有明显提高 。关键词 : 光伏系统 ; 并网逆变器 ; 最大功率跟踪 ; 状态空间平均法中图分类号 : TM615 文献标识码 : A 文章编号 : 100323076 (2006) 01200632051 引言光伏并网发电系统是光伏系统的必然发展趋势 。 光伏系统的主要缺点一是初期投资比较大 ,二是太阳电池的光电转换效率太低 ,目前最高的转换效率在实验室条件下也不超过 30 %[1 ] 。为了解决这些问题 ,首先要研制价格低廉的并且能量转换效率高的光电材料 ,其次是在控制上实现太阳电池的最大功率输出 。 目前 ,光伏系统的最大功率跟踪问题已成为学术界研究的热点 。2 光伏并网逆变器结构光伏并网逆变器的系统结构图如图 1 所示 [1] 。光伏并网系统主要由前级的 DC2DC 变换器和后级的DC2AC 逆变器组成 ,两部分通过 Dclink 相连接 ,Dclink的电压为 400V。在本系统中 ,DC2DC 变换器采用BOOST结构 ,主要完成系统的 MPPT控制 ;DC2AC 部分采用全桥逆变器 ,主要完成维持 DClink 中间电压稳定并且将电能转换成 220VΠ 50 Hz 交流电。 系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。3 最大功率跟踪控制 ( MPPT)311 间歇扫描法MPPT的实质是一个自寻优过程 [2 ,3] ,常用的方图 1 并网逆变器系统结构图Fig. 1 Frame of grid2connected inverter法有固定电压跟踪法 、 扰动观测法和导纳微增法 、 间歇扫描跟踪法 。 本文采用的是间歇扫描跟踪法 ,该策略的核心思想是定时地扫描一段 (一般为 015～019 倍的开路电压 ) 阵列电压 ,同时记录下不同电压下对应的阵列输出功率值 ,经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点 。312 本文提出的改进间歇扫描法作者在实验中发现 ,间歇扫描法在控制过程中由于要周期性扫描各工作点的功率从而引起太阳电池工作电压的周期性大幅度变动 ,使系统的稳定性降低 ,其实扫描过程中也不必要地损失了一些功率 。实际情况是太阳能电池阵列在一天的运行过程中 ,短时间内工作点的变化不大 。 因此本文根据太阳能电池的伏安特性并结合太阳能电池阵列的实际运行情况 ,对间歇扫描跟踪法提出了改进方案 。改进的思想是 :在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内( Vm - 011Voc 和 V m + 011Voc) 扫描一次 ,其中 Vm 和Voc分别是太阳能电池阵列最大功率点工作电压和阵列开路电压 ;每隔一段较长时间后才在整个跟踪范围内对各工作点扫描一次 。 改进后的间歇扫描法的算法流程图如图 2 所示 。 其中 , N 表示为长 、 短时间的倍数比 ,其值可根据当地的光照变化情况而定 ,TK 、 TM AX 、 TMIN 分别为扫描控制周期的当前值 ,最大值和最小值 。这样控制的目的是当光照变化不大时 ,就延长扫描间隔时间 ,从而进一步减少工作点被扰动的次数 ,提高系统运行的稳定性 ,从而达到智能地改善系统控制性能的目的 。 最后通过实验验证改进后的间歇扫描法 ,既保持了跟踪的控制精度 ,又提高了系统运行的稳定性 。图 2 改进间歇扫描法算法流程图Fig. 2 Flow chart of improved intermittent scan algorithm4 最大功率跟踪控制的建模与仿真如图 3 所示 , 在两级变换结构的并网逆变器MPPT控制过程中 ,后级的 DC2AC 全桥结构逆变器可以看作一个恒定的直流电压源 ,因此可以对并网逆变器做如下建模分析 。411 太阳能光伏阵列建模由于 MPPT控制仿真建模用到了太阳能光伏阵列的模型 ,因此要对太阳能光伏阵列进行建模和参图 3 并网逆变器结构示意图Fig. 3 Sketch mapof inverter for modeling数辨识 。 太阳电池单体具有如下的光照特性解析式 [4 ] :I = I g - Id exp qA KT (V 0 + I0 Rs) - 1- V0 + I0 RsRsh(1)式中 : I — 电池输出电流 ; Ig — 光生电流 ; Id — 二极管饱和电流 ; q — 电荷电量 (1 × 10- 19 库仑 ) ;A — 二极管因子 ; K — 波尔兹曼常数 (1138 × 10- 23焦耳 Π 度 ) ; T —开氏温度 ( K) ; V0 — 电池的输出电压 ; I0 — 电池的输出电流 ; Rs — 等效串联电阻 ; Rsh — 等效并联电阻 。对模型做如下定义 : 令 i s , es 分别为电池阵列的输出电流和输出电压 ,则(1) 开路状态下 , i s = 0 , es = Voc ;(2) 最大功率点处 , i s = Im , es = V m 。并且设定 Ig = Isc ,因为在通常情况下 , Rs 远小于二极管正向导通电阻 。则太阳能电池的 I — V 方程可表示为 :i s = I sc (1 - C1{exp[ esΠ ( C2 ? Voc) ] - 1} ) (2)其中 C1 , C2 为待求的系数。根据系统在最大功率点处和开路状态下的条件 ,最后可得到太阳能电池阵列的系统辨识模型 。412 DC2DC 变换器工作状态分析假设 Tc 是理想开关 ,根据电路分析基本原理 ,可以得到 Tc 在每一周期开 、 关两个状态的电路方程 。 其中 。Tc 导通时 :Csdesdt = i s - iLcLc diLcdt = es(3)Tc 关闭时 :Csdesdt = i s - iLcLc diLcdt = es - ed(4)46 电 工 电 能 新 技 术 第 25 卷根据状态空间平均方法 [5 ] ,可得上述方程式的状态空间方程式ddtesi Lc=0 - 1Cs1L c 0esi Lc+0- 1LceTc +1Cs0i s (5)其中 , eTc = (1 - D) × ed , D 是占空比 ,上述方程中 , i s 的表达式中含有 es ,因此方程是非线性的 ,为简化计算在最大功率点处对方程进行线性化处理 ,即在 dPsdese = es0i = is0= 0 处 ,其中 es0、 i s0为最大功率点电压和电流值 ,由式 (5) 可得 :ddtΔ esΔ i Lc =- BCs- 1Cs1L c 0Δ esΔ i Lc +0- 1LcΔ eTc(6)其中 B = qA KTId exp qAKTes0 在式 (6) 中 ,es 是状态变量 ,而 i s 不是 ,当 Lc 和 Cd 的值确定后 , es 的改变主要由 eTc的变化决定。 因此可知调整 eTc的大小可以改变 es 的值 。 而根据前面的叙述可知 eTc 的大小可以通过改变占空比 D 来控制 。因此 ,在上述条件下太阳能电池的工作点可以通过占空比 D 来控制 。 那么通过正确调整占空比 D 的大小就能实现太阳能电池输出的最大功率控制。413 MPPT 控制的 MAT LAB 仿真根据上述 DC2DC 变换器的状态空间模型和太阳能电池阵列模型 ,本文使用 MATLAB 软件对系统的 MPPT控制进行了仿真 ,仿真系统主要由 DC2DC变换器的状态空间模块 、 MPPT 控制模块以及太阳能电池阵列简化模型构成 。根据上述的仿真模型 ,本文对两级结构的单相光伏并网逆变器的 MPPT控制过程进行了仿真研究 ,图 4 是未改进的间歇扫描法 MPPT 控制曲线 。其中最上面的是功率变化曲线 ,在扫描过程中太阳能电池阵列的输出功率则从 0W 增加到最大功率135W然后又降到 118W ,当一次扫描控制结束时通过 MPPT算法 ,寻找到当前的最佳工作点 ,然后使系统维持在此工作点工作直到下一次扫描控制产生新的最佳工作点 。 下面分别是输出电压以及输出电流的变化曲线 。图 4 MPPT 仿真控制曲线Fig. 4 Simulated result of MPPT control图 5 是将图 4 中在一次扫描控制结束时的时间轴放大后的显示结果 。 从图中可以看出当系统工作点突然改变时 ,系统的输出电压和输出电流有波动 。实际实验过程中 ,在每次扫描控制结束时 ,并网逆变器的工作电压和电流也的确有波动 ,说明仿真结果与实际运行的情况是相符的 。 如图 5 所示并网逆变器的工作电压波动最大超过 20V ,电流的波动也接近 1A 。 由此可以看出系统的运行稳定性不是很好 。图 5 功率 、 电压和电流暂态变化过程Fig. 5 Transient changing of output voltage ,current and power图 6 是改进后的间歇扫描法 MPPT控制过程中并网逆变器工作电压和工作电流的波动仿真结果图 ,由于采用改进的扫描控制策略每次只在当前最佳工作点周围一个较小的区域进行间歇扫描控制 ,因而使系统运行的稳定性明显提高 。 由图 7 中可以看工作电压的波动只有 5V 左右 ,电流的波动只有约 012A ,比未改进的间歇扫描控制法的工作电压 、电流的波动有明显的减小 。 实验结果也验证了这一点 ,改进后的间歇扫描控制法使系统的运行稳定性明显提高 。56第 1 期 杨海柱 ,等 : 并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究 图 6 改进后的功率 、 电压和电流暂态变化过程Fig. 6 Improved transient changing of output voltage ,current and power5 MPPT 控制实验根据上述研究 ,我们设计了一套额定功率 500W的光伏并网逆变器 [6 ] ,并对样机进行了 MPPT控制实验 。 太阳能电池阵列采用 8 块 50W 的多晶硅太阳电池阵列串连 ,额定输入功率 400W ,太阳能电池阵列的开路电压约 170V 左右 。 MPPT实验结果如下 ,图 7 和图 8 分别为一天内从上午八点到下午 17点 MPPT控制时太阳电池的工作电压和输出功率变化过程 ,从图 7 中可以看出大部分时间太阳电池的最佳工作点电压变化不大 ,从而验证了改进的间歇扫描法控制策略是可行和正确的 。 图 8 是太阳电池阵列的输出功率的跟踪控制结果 。 从图中可以看出太阳电池的输出功率随时间 (光强 ) 均匀变化 ,最大输出功率发生在中午 12 点左右 。图 7 MPPT 控制中太阳电池工作电压变化过程Fig. 7 Changingof PV voltage with MPPT control6 结论由仿真结果可以看出 ,仿真的结果与理论分析和实际 MPPT控制实验的结果是一致的 ,从而验证了改进的间歇扫描法 MPPT控制策略的可行性和正确性 ,另外通过 MPPT的控制策略仿真对实际控制图 8 MPPT 控制中太阳电池输出功率变化过程Fig. 8 Changingof PV power with MPPT control过程中控制参数的选取提供了帮助 。参考文献 (References) :[1 ] 王晓晶 ,班群 (Wang Xiaojing , Ban Qun) . 硅太阳电池材料的研究进展 ( Study and progressof silicon solar cells material)[J ]. 能源工程 ( Energy Eng.) , 2002 , (4) : 28231.[2 ] 王飞 ,余世杰 ,苏建徽 ( Wang Fei , Yu Shijie , Su Jianhui) .采用最大功率点跟踪的光伏并网逆变器研究 ( Researchon photovoltaic grid 2connected inverter with maximum powerpoint tracking) [J ]. 电力电子技术 ( Power Electronics) ,2004 , 38(5) : 425.[3 ] 陈桂兰 ,孙晓 ,李然 ( Chen Guilan , Sun Xiao , Li Ran) . 光伏发电系统最大功率点跟踪控制 (Maximum power pointtracking control of photovoltaic system) [J ]. 电子技术应用(Application of Electronic Technique) , 2001 , 27(8) : 33235.[4 ] 苏建徽 ,余世杰 ,赵为 ( Su Jianhui , Yu Shijie , Zhao Wei) .硅太阳电池工程用数学模型 ( Investigation on engineeringanalytical model of silicon solar cell) [J ]. 太阳能学报 ( ActaEnergiae Solaris Sinica ) , 2001 , 22 (4) : 4092412.[5 ] 王归 新 , 康 勇 , 陈 坚 ( Wang Guixin , Kang Yong , ChenJian ) . 基于状态空间平均法的单相逆变器控制 建 模(Control modeling of a single2phase inverter based on state2space average method) [ J ]. 电 力 电 子 技 术 ( PowerElectronics) , 2004 , 38(5) : 9212.[6 ] 张占松 ,蔡宣三 ( Zhang Zhansong , Cai Xuansan) . 开关电源的原理与设计 ( Theory and designof switching power supply)[M]. 北京 : 电子工业出版社 (Beijing : Electronic IndustryPress) , 1999.[7 ] 雷元超 ,陈春根 ,沈骏 ,等 (Lei Yuanchao, Chen Chungen,ShenJun , et al. ) 光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究 ( Research on control method of maximum power pointtracking for photovoltaic power system) [J ]. 电工电能新技术 (Adv. 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