光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制

第 30 卷 第 21 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.30 No.21 Jul.25, 2010 48 2010 年 7 月 25 日 Proceedings of the CSEE ?2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号： 0258-8013 (2010) 21-0048-06 中图分类号： TM 531 文献标志码： A 学科分类号： 470· 40 光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制董密 1，杨建 1，彭可 2，罗安 2(1．中南大学信息科学与工程学院，湖南省 长沙市 410083 ；2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082) Zero Average Incremental Conductance Maximum Power Point Tracking Control for Photovoltaic System DONG Mi 1, YANG Jian 1, PENG Ke 2, LUO An 2(1. College of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)ABSTRACT: Maximum power point tracking (MPPT) could deliver the great advantages of solar power to the grid, and significantly increase the overall reliability and conversion efficiency of grid-connected photovoltaic (PV) systems. A zero average incremental conductance (ZA-IncCond) MPPT control algorithm was proposed. The method has the advantages of traditional IncCond MPPT, which eliminates the oscillations around the MPP and tracks the maximum power point voltage more accurately than the P maximum power point tracking (MPPT); zero average incremental conductance (ZA-IncCond); grid-connected photovoltaic (PV) system; marginal error 摘要： 光伏系统的最大功率点跟踪控制可以最大限度地得到光伏模块产生的直流电能， 将其转化为交流电能后输送到电网， 因此成为提高光伏并网发电系统效率的研究热点。 提出一种零均值电导增量最大功率点跟踪控制方法。 该方法既具有传统电导增量最大功率点跟踪控制方法的优点， 减小了最大功率点附近的振荡， 比干扰观测法更加精确； 同时该算法不依赖系统模型， 对干扰具有较强的鲁棒性， 因此可以广泛地应用于实际光伏系统中。 仿真及实验结果证明了所提最大功率点跟踪控制算法的高适应性、鲁棒性和有效性。关键词： 太阳能；最大功率点跟踪；零均值电导增量法；光伏并网发电系统；边界误差0 引言进入 21 世纪以来，优化能源结构、提高能源效率、发展新能源和可再生能源已成为世界各国可持续发展的关键。太阳能以其无噪声、无污染、能量随处可得等优点越来越受到重视。但由于太阳能发电成本较高，近年来，研究者主要致力于提高光伏系统稳定性和转化效率、降低成本的研究 [1-2] 。本文提出了一种零均值电导增量 (zero average incremental conductance ， ZA-IncCond) 最大功率点跟踪 (maximum power point tracking ， MPPT) 控制算法。它有效地消除了最大功率点 (maximum power point ， MPP)附近的振荡，提高了 MPPT 控制的稳态性能。所提方法不依赖于系统的数学模型，对干扰具有强鲁棒性，因此可以广泛地应用于实际光伏系统中。1 光伏系统的最大功率点跟踪众所周知，在不同光照强度和环境温度下，光伏模块的输出电流 – 电压 (I-U )以及功率 – 电压 (P-U)具有非线性特性，其关系如图 1 所示，其电流 – 电压输出模型 [3-4] 可表示为PVPV PV ph sat( ) [exp( ) 1]qUI U I IKAT= - - (1) 式中： IPV 和 UPV 分别为光伏模块的输出电流和输出电压； Iph 为光生电流； I sat 为光伏模块内部等效二极管的 P-N 结反向饱和电流； A 为 P-N 结的曲线系基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 项 目 )(2009CB219700)。The National Basic Research Program of China (973 Program)(2009CB219700). 第 21 期 董密等：光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制 49 0dPpvdUpvdPpvdU pv=0PMPPUMPPI-U 曲线P-U 曲线P, IU图 1 光伏模块输出功率－电压和输出电流—电压特性图 Fig. 1 Typical P-U and I-U characteristics of a PV array 数； K 为玻尔兹曼常数； T 为绝对温度； q 为电子电荷。由图 1 可看出，光伏模块输出电压在某一特定值时，其输出功率才能达到最大，这时的工作点称为最大功率点。因此，要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏模块的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就为 MPPT [5]。为了提高光伏系统的效率，研究者提出了多种 MPPT 控制算法 [6-12] ，其中干扰观测法(perturbation and observation ， P&O) [13] 和电导增量法(incremental conductance， IncCond) [14] 的应用最为广泛。干扰观测法是通过增加或减少电压，观测功率变化方向， 来决定控制信号得到 MPP。 这种方法简单，易于硬件实现；但是响应速度慢，并且稳态情况下，会导致光伏模块的实际工作点在 MPP 附近振荡，造成功率损失。电导增量法能减小跟踪的稳态振荡， 其数学模型如式 (2)所示。 它是通过比较光伏模块的电导和瞬间电导来改变控制信号。电导增量法控制精度精确，响应速度较快，在温度和 (或 )光照强度发生变化时，输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，并且稳态振荡也比扰动观测法小。然而由于噪声、测量误差和数字控制量化误差的影响，电导增量法也无法避免最大功率点附近的振荡，特别是外界环境变化剧烈时 [15] 。PV PV PVPV PV( )0 0P U IU U? ?= ? = ?? ?PVPV PVPVd 0dII UU+ = (2) 2 零均值电导增量 MPPT 算法 通常光伏并网发电系统的结构为如图 2 所示的2 级结构：第 1 级为直流 /直流 (DC/DC) 转换级，主要负责跟踪光伏模块的最大功率点；第 2 级为直流/交流 (DC/AC) 逆变级，主要控制输出电流，使其正弦电流与电网电压同频同相位。所有光伏并网发电系统的控制都是通过开关来实现。本文主要讨论第 1 级中的 MPPT 控制算法。 在PVIPVUPVDC/DC 转换级 DC/DC 逆变级电网CDC PPVu最大功率点跟踪控制器图 2 光伏并网发电系统的结构 Fig. 2 Grid-connected PV system structureDC/DC 转换级，开关控制信号 u 有开和关两个状态，如式 (3)所示。其中， TS为开关周期； dk 为第 k周期内开关控制的占空比。 MPPT 控制即控制开关在一个 TS周期内的占空比 dk。S SS S1, ( )( )0, ( ) ( 1)kkkT t k d Tu tk d T t k T≤ 0 时，光伏系统工作在 P-U 曲线 MPP 的左半部，因此 MPPT 控制会使PVd / d 0U t > (6) 考虑到sat PV PVPV PV PVsatdd exp( )d dd(1 )exp( )dqI qU UHt kAT kAT tqU qU UqIkAT kAT kAT t= - -+ =sat PV[ exp( )qI qUkAT kA T- +?PV PV PVsatd(1 )exp( ) ]dqU qU UqIkAT kAT kAT t+ (7) 联合式 (6)和 (7)，可以得到d / d 0H t , d / d 0H H t 0, ( ) ( 2) 0k kH t H t T H+ ≥ ? 返回ref ref( ) ( 1)U k U k U= - - Δ ref ref( ) ( 1)U k U k U= - +Δ 开关控制信号 u(tk)保持不变；dk=1(无开关动作 ) 开关控制信号初始状态 u(tk)；并在 dkT S时刻动作S2 ( ) /12kkH H t TdH-= -是否是是否否图 4 零均值电导增量 MPPT 控制算法流程图 Fig. 4 Flow process diagram for ZA-IncCond MPPTcontrol algorithm. 第 21 期 董密等：光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制 51 图。当 H 处于边界误差 e 之外时，跟踪 MPP 与传统的电导增量 MPPT 方法一样， 通过改变电压参考值 U ref 得到 MPP 处的电压 UMPP。当 H 在边界误差e 之内时，就通过零均值电导增量 MPPT 法来控制开关占空比 dk，以跟踪最大功率 PMPP。因此，零均值电导增量法易于实现，可以快速跟踪并且稳定精确地得到 MPP。 3 仿真结果分析 为了证明零均值电导增量 MPPT 控制法的有效性， 本文采用 Matlab 建立了光伏并网发电系统仿真模型，并对零均值电导增量法和传统电导增量法的仿真结果进行了比较。图 5、 6 分别为传统电导增量法和零均值电导增量 MPPT 方法的仿真结果。由图可以看出，光照强度随时间变化，在时间 3~7 s 时高光照强度为1000 W/m 2，其余低光照强度大约为 60 W/m 2；光伏模块的输出电压、电流及产生的功率随着光照强度的变化而变化。传统电导增量 MPPT 法中，光伏模块输出电压、电流和功率呈周期性振荡；而零均值电导增量法大大地减小了振荡，因此可以更加精确稳定地跟踪光伏模块的 MPP。由于边界误差 e 为零均值电导增量法中一个重1 00050004030205020010000 2 4 6 8 10t/s Ppv/WI pv/AUpv/VE/(W/m2)图 5 传统电导增量 MPPT 仿真结果 Fig. 5 Simulation results with traditional IncCond MPPT 1 00050004030205020010000 2 4 6 8 10t/s Ppv/WI pv/AUpv/VE/(W/m2)图 6 零均值电导增量法 MPPT 仿真结果 Fig. 6 Simulation results with proposed ZA-IncCond MPPT要的参数，图 7 给出了不同边界误差 e 下的仿真结果。其仿真统计结果如表 2，可以得出：当边界误差 e 小于一定值时， 其变化将不大会影响 MPPT 的输出结果；但 e 不能太小，否则控制将与传统电导增量法无异。跟踪误差即为实际最大功率点与所测得到的最大功率点之间的误差。跟踪时间为起始值到跟踪到 MPP 的时间。1 0005000E/(W/m2)0 2 4 6 8 10t/s (a) 光照强度变化0 2 4 6 8 10t/s 2001000Ppv/W(b) e = 0.01 时光伏模块的输出功率0 2 4 6 8 10t/s 2001000Ppv/W(c) e = 0.06 时光伏模块的输出功率0 2 4 6 8 10t/s 2001000Ppv/W(d) e = 0.12 时光伏模块的输出功率0 2 4 6 8 10t/s 2001000Ppv/W(e) e = 0.2 时光伏模块的输出功率图 7 不同边界误差 e 时的光伏模块输出功率仿真结果Fig. 7 Simulation results with different marginal error e表 2 不同边界误差 e 时 MPPT 的跟踪误差Tab. 2 MPPT tracking error with different marginal error e 边界误差 e 跟踪误差 /% 跟踪时间 /ms >0.2 0.52 6.4 0.15 0.49 3.4 0.13 0.49 2.1 0.12 0.48 1.3 0.10 0.51 1.3 0.06 0.47 1.2 0.01 0.47 1.1 <0.003 4.40 1.0 4 实验结果分析 本文建立了一个 200 W 光伏并网发电系统实验室样机。它为两级光伏并网发电系统，由光伏模块HIP-200BA3 提供电能，经升压转换器和全桥逆变器将直流光伏电能转换为交流电能提供给电网。其硬件电路主要分为：基于微控制器的控制电路和功率电路 2 部分。所有的控制算法，包括所提出的零均值电导增量 MPPT 控制算法，在单片微控制器52 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷dsPIC30F3011 中完成，通过微控制器的 10 位 A/D转换器对光伏电压和电流进行采样。电压和电流控制周期为 100 μ s，最大功率点跟踪控制周期为50 ms。升压直流转换器开关频率为 20 kHz ，光伏并网发电系统逆变器的输出结果如图 8 所示。PAC(200W/格)t(10 ms/格 ) I AC(1A/格)UAC(250V/格)图 8 光伏并网发电系统逆变器的输出结果Fig. 8 Output results of inverter in grid-connected system 在实验样机中实现了零均值电导增量 MPPT 算法，采用边界误差 e 为 0.02，其结果如图 9 所示。可以看出，实验结果与仿真结果基本相符，当边界误差 e 小于一定的值时，其对最大功率点跟踪精度的影响不大， e=0.02 已经足够小。表 3、 4 分别给出了传统电导增量 MPPT 法和零均值电导增量MPPT 法的实验测量结果，分别测量的是弱光照强9302530202001005000 2 4 6 8 10t/s Ppv/WI pv/AUpv/V6150图 9 零均值电导增量 MPPT 算法的实验测量结果Fig. 9 Measured results of the proposed MPPT algorithm 表 3 传统电导增量 MPPT 算法的测量结果 Tab. 3 Measure results with Traditional IncCond MPPT 平均光照强度 /(W/m 2) MPP 点的能量 /J 所得能量 /J 算法效率 /%100 133.0 132.1 99.3 100 133.1 131.8 99.0 100 133.1 132.2 99.3 100 132.5 131.4 99.2 1 000 1 752 1 721 98.2 1 001 1 754 1 719 98.0 1 002 1 757 1 730 98.4 1 003 1 760 1 727 98.1 表 4 零均值电导增量 MPPT 算法的测量结果 Tab. 4 Measure results with proposed ZA-IncCond MPPT 平均光照强度 /(W/m 2) MPP 点的能量 /J 所得能量 /J 算法效率 /%100 133 132.3 99.5 100 133 132.5 99.6 100 133.1 132.4 99.5 100 132.4 131.2 99.1 1 000 1753 1734 98.9 1 001 1755 1725 98.3 1 002 1758 1738 98.9 1 003 1760 1737 98.7 度和强光照强度下的情况，可以看出零均值电导增量 MPPT 法的效率约为 99.1%，比传统的电导增量MPPT 法的效率略高。 另外， 本文对所提出的 MPPT法还在光照强度周期性变化的情况下进行了测试，图 10 为频率为 0.8 Hz 光照强度时的测试结果。同样可以看出， 零均值电导增量 MPPT 法具有较高的跟踪精度。9302530202001000 2 4 6 8 10t/s Ppv/WI pv/AUpv/V6150图 10 光照强度周期变化时，零均值电导增量MPPT 算法的实验测量结果Fig. 10 Measured results of the proposed ZA-IncCond MPPT algorithm during rapid changes in insolation 5 结论 1）本文提出了零均值电导增量 MPPT 控制方法 ， 它 不 像 传 统 的 电 导 增 量 法 是 基 于 瞬 时dPPV/dUPV =0，而是基于一个周期内 dPPV /dUPV =0，有效地减小了跟踪算法在最大功率点附近的振荡。所提方法不依赖于系统模型，对干扰具有强鲁棒性，易于实现，因此可以被广泛地应用。2） Matlab 仿真分析可以得出，零均值电导增量法比传统的电导增量 MPPT 方法更加精确稳定，而且当边界误差 e 小于一定值时，其对整个控制算法的影响不大。仿真得出 e 的域值为 0.12。3）在一台 200 W 光伏并网发电系统实验样机上，通过一系列实验证明，无论在稳定或者变化的环境下， 本文提出的零均值电导增量 MPPT 控制策略都具有高效性和较高的精度。第 21 期 董密等：光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制 53 参考文献[1] Yang C， Smedley K M ． A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking[J] ． IEEE Transactions on Power Electronics， 2004， 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tom.com ；杨建 (1978— )，男，博士，主要从事新能源利用、电力电子技术及运动控制算法的研究；彭可 (1973－ )，男，博士后，副教授，主要从事工业过程控制、 智能控制、 电力电子技术的研究；罗安 (1957— )，男，教授，博士生导师，主要从事工业过程控制、智能控制、电力电子技术的研究。董密(责任编辑 张玉荣 )