电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制黄 瑶 ,黄洪全(广西大学 电气工程学院 广西 南宁 530004 )摘 要 :最大功率点跟踪控制是光伏并网发电系统中经常遇见的问题 。介绍光伏并网系统的结构 ,通过对太阳能电池功率电压曲线的分析 ,结合光伏并网系统的特性和太阳能电池的最大功率点的跟踪原理 ,提出一种采用电导增量法来实现光伏系统的最大功率点跟踪的方法 。 此方法控制精确 、 响应速度比较快 ,适用于大气条件变化较快的场合 。关键词 :太阳能 ;光伏系统 ;最大功率点跟踪 ;电导增量法中图分类号 : TM615 ; TP274 文献标识码 :B 文章编号 :1004 2373X ( 2008) 222018202Maximum Power Point Tracking Control Method Based on Incremental ConductanceHUAN G Yao ,HUAN G Hongquan(College of Electrical Engineering ,Guangxi University ,Nanning ,530004 ,China)Abstract :Maximum Power Point Tracking ( MPPT ) is one of the important problems for the photovoltaic system. This paper in2troduces the construction of photovohaic system. A type of maximum power point tracking control method is proposed using incremen2tal conductance based on the analysis of the photovohaic cell′ s P2V curves ,associating it with photovohaic grid 2connected inverter ′ scharacteristics and mechanism of MPPT. This method can make the control accurate and response pace speedy.Keywords :solar power ;photovoltaic system ;maximum power point tracking ;incremental conductance收稿日期 :2008203212能源紧缺 ,环境恶化是日趋严重的全球性问题 。 人类为追求可持续性发展 ,正积极发展可再生能源技术 ,寻找新能源已经是当前人类面临的迫切课题 [ 1] 。太阳能以其清沽 、 无污染 ,并且取之不尽 、 用之不竭等优点越来越得到人们的关注 。全球能源专家们一致认定 [ 2 ] :太阳能将成为 21 世纪最重要的能源之一 。最近几十年 ,太阳能的光伏利用得到了迅猛的发展 ,受到了各国的普遍重视 。光伏并网发电将太阳能转化为电能馈送给电网 ,是太阳能发电规模化发展的必然方向 。 其在缓解能源危机以及保护环境等方面都具有重大意义 。 光伏系统的主要缺点一是初期投资比较大 ,二是太阳电池阵列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 %[ 3 ] 。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阵列的最大功率输出 。 目前 ,光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点 。1 光伏并网系统的结构光伏并网系统的结构如图 1 所示 ,控制单元 M PPT为最大功率跟踪控制单元 ,其完成太阳电池阵列最大功率点工作电压 U r 的确定 。 AV R 为电压调节控制单元 ,其调节输出为并网电流幅值给定 I p ,电流控制单元完成并网交流电流的跟踪控制 。图 1 并网光伏系统结构图2 光伏阵列输出特性光伏阵列输出特性具有非线性特征 ,并且其输出受光照强度 、 环境温度和负载情况影响 [ 4] 。 在一定的光照强度和环境温度下 ,光伏电池可以工作在不同的输出电压 ,但是只有在某一输出电压值时 ,光伏电池的输出功率才达到最大值 ,这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点 ,称之为最大功率点 (MaximumPower Point ,M PP) [ 4 ] 。 因此 ,在光伏发电系统中 ,要提高系统的整体效率 ,一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点 ,使之始终工作在最大功率点附近 ,这一过程就称之为最大功率点跟踪 ( Maximum Power PointTracking ,M PPT) 。81电 路 设 计 黄 瑶等 :电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图 2 为太阳电池阵列的输出功率 P2U 曲线 ,由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压 U max 时 ,阵列输出功率随太阳电池端电压 U PV 上升而增加 ;当阵列工作电压大于最大功率点电压 Umax 时 ,阵列输出功率随U PV 上 升 而 减 小 。 M PPT 的 实 质 是 一 个 自 寻 优 过程 [ 529 ] ,即通过控制阵列端电压 U PV ,使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率 。图 2 太阳电池的输出功率 P2U 曲线3 最大功率点跟踪 ( MPPT) 控制光伏系统常用的最大功率点跟踪方法有 :定电压跟踪 、 扰动观察法 、 电导增量法 、 最优梯度法 、 滞环比较法 、间歇扫描法 、 模糊控制法 、 实时监控法 、 神经网络预测法等 [ 10 ] 。 这些方法都是根据太阳电池的特性曲线上最大功率点的特点来搜索最大功率点对应的电压 ,有的方法需要大量的计算 ,有的方法需要实时采样数据并进行分析 。 这些方法各有优缺点 ,可以根据不同的系统要求选用不同的控制方法 。3. 1 电导增量法电导增量法 ( Incremental Conductance ) 是 M PPT控制常用的算法之一 [ 4 ] 。 通过光伏阵列 P2U 曲线可知最大值 Pmax 处的斜率为零 ,所以有 :Pmax = U ? I ( 1)d P/ dU = I + U ? d I/ dU = 0 ( 2)d I/ dU = - I/ U ( 3)式 (3) 为达到最大功率点的条件 ,当输出电导的变化量等于输出电导的负值时 ,光伏阵列工作在最大功率点。3. 2 本文提出的电导增量法本文控制方法的程序流程图如图 3 所示 , U n , I n 为检测到光伏阵列当前电压 、 电流值 , U b , I b 为上一控制周期的采样值 。 程序读进新值后先计算其与旧值之差 ,再判断电压差值是否为零 (因后面做除法时分母不得为零 ) ;若不为零 ,再判断式 ( 3) 是否成立 , 若成立则表示功率曲线斜率为零 ,达到最大功率点 ;若电导变化量大于负电导值 ,则表示功率曲线斜率为正 , U r 值将增加 ;反之 U r 将减少 。 再来讨论电压差值为零的情况 ,这时可以暂不处理 U r , 进行下一个周期的检测 ,直到检测到电压差值不为零 。图 3 电导增量法程序4 结 语电导增量法控制精确 ,响应速度比较快 ,适用于大气条件变化较快的场合 。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高 ,系统各个部分响应速度都要求比较快 。 这种最大功率点跟踪方法在光强和温度大范围变化的情况下具有高速 、 稳定跟踪特性 。参 考 文 献[1 ] 赵玉文 . 光伏发电是未来最重要的战略能源 [ R ]. 中山大学讲座 ,2004.[2 ] 林安中 ,王斯成 . 国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景[J ]. 太阳能学报 ,1999 ( 增刊 ) :68 274.[3 ] 王晓晶 ,班群 . 硅太阳电池材料的研究进展 [J ]. 能源工程 ,2002 (4) :28231.[4 ] 赵争鸣 . 太阳能光伏发电及其应用 [ M ]. 北京 : 科学出版社 ,2005.[ 5] Reinhard Haas. The Value of Photovoltaic Electricity for So2ciety[J ]. Solar Energy ,1995 ,54 (1) :25231.[6 ] Franz Trieb ,Ole Langnib , Helmut Klaib. Solar Electricity Gen2eration2A Comparative View of Technologies , Costs and Envi2ronmental Impact[J ]. Solar Energy ,1997 (59) :123.[7 ] Chenming Hu ,Richard M White. Solar Ceils [ M ]. Mc Graw2Hill Inc ,1983.[8 ] 赵富鑫 ,魏彦章 . 太阳电池及其应用 [ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,1985.[9 ] 赵玉文 . 21 世纪太阳能光伏发电发展趋势和展望 [ C ]. 北京市太阳能研究所论文汇编 [ A ] ,1999.[10 ] 王飞 . 单相光伏并网系统的分析与研究 [ D ]. 合肥 :合肥工业大学 ,2005.作者简介 黄 瑶 女 ,1982 年出生 ,壮族 ,硕士研究生 。 主要研究方向为控制理论与控制工程 。黄洪全 男 ,1962 年出生 ,副教授 ,硕士研究生导师 。 主要研究方向为控制理论与控制工程 、 DSP 原理及应用 。91《现代电子技术》 2008 年第 22 期总第 285 期 集成电路与材料