光伏系统最大功率点直接电流跟踪策略

基金项目：上海市教委重点科研基金（０６ＺＺ０３）；上海市重点学科建设基金（Ｔ０１０３）；台达电力电子科教发展基金（ＤＲＥＯ２００６０１７）定稿日期：２００８－０６－０３作者简介：崔开涌（１９８３－），男，上海人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。１引言光伏电池板受器件本身特性的影响，转换效率很低且造价较高，严重制约了光伏发电产业的发展。同时，受日照强度、环境温度、负载等外部因素的影响，使得光伏电池的输出功率极不稳定。因此，根据光伏电池输出特性进行最大功率点跟踪（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，简称ＭＰＰＴ），使光伏电池工作在最大功率点附近，可有效提高系统输出功率及对太阳能的利用率，促进光伏发电系统的推广应用［１］。扰动观测法通过给变换器叠加一个占空比扰动量，周期性检测光伏电池输出电压和电流并计算输出功率，由此判断施加扰动量的方向，从而实现ＭＰＰＴ。该方法跟踪速度快，但由于检测器件多，成本较高。这里在扰动观测法的基础上，提出了一种直接电流控制ＭＰＰＴ的方法，仅以变换器输出电流的大小作为判断依据，来进行ＭＰＰＴ控制，简化了控制算法，同时省去扰动观测法中的电压传感器，降低了系统成本。２光伏电池特性单块光伏电池的简化等值电路如图１所示。其电气特性可表示为：Ｉ＝ＩＬ－ＩｏｅｘｐｑＡｋＴ（Ｕ＋ＩＲｓ! “）－# $１－Ｕ＋ＩＲｓＲｓｈ（１）式中：Ｉｏ为单元电池的反向饱和电流，Ｉｏ＝Ｉｏｒ（Ｔ／Ｔｒ）３ｅｘｐ［ｑＥＧ（１／Ｔｒ－１／Ｔ）／（Ｂｋ）］；Ｉｏｒ为Ｔｒ下电池单元的饱和电流；ＩＬ为光照产生的光伏电流，ＩＬ＝［ＩＳＣＲ＋ＫＩ（Ｔ－２５）］ λ ／１００；Ｉ，Ｕ为单元电池的输出电流、电压；Ｔ为单元电池热力学温度；ｋ为波兹曼常数；ｑ为电子电荷电量；ＫＩ为短路电流温度系数； λ 为日照强度；ＩＳＣＫ为短路电流；ＥＧ为硅的禁带宽度；Ｂ，Ａ为理想系数；Ｔｒ为参考温度；Ｒｓｈ，Ｒｓ为等效电阻。根据光伏电池的等效电路以及输出特性方程，可以得到如图２所示的Ｕ－Ｉ以及Ｕ－Ｐ特性曲线。３扰动观测法原理扰动观测法的工作原理为［２－３］：设Ｄｋ＋１和Ｄｋ分别光伏系统最大功率点直接电流跟踪策略崔开涌，陈国呈，张翼，俞俊杰（上海大学，上海２０００７２）摘要：在传统的光伏系统最大功率点跟踪（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，简称ＭＰＰＴ）策略中，扰动观测法通过检测系统的输入电压电流，计算其输入功率并使其达到最大。在分析光伏电池特性及数学模型的基础上，提出了一种以系统输出电流最大为目标、不依赖光伏电池输出特性检测的ＭＰＰＴ策略。最后，通过电流型光伏并网逆变器上和光伏充电器的实验结果，验证了该方案的可行性和正确性。关键词：逆变器；充电；数学模型／光伏系统；最大功率点跟踪中图分类号：ＴＭ４６４文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０９－００２７－０２ＡＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｃｋｉｎｇＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍＣＵＩＫａｉ－ｙｏｎｇ，ＣＨＥＮＧｕｏ－ｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｉ，ＹＵＪｕｎ－ｊｉｅ（ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｂｓｅｒｖａ－ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｎｅｅｄｓｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｉｎｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｏｒｄｅｒｔｈａｔｔｈｅｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒｉｓｍａｘｉｍｉｚｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙ－ｓｉｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌ，ａＭＰＰＴｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈａｉｍｓａｔｇｅｔｔｉｎｇｍａｘｉ－ｍｕｍｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｄｏｅｓｎ ’ ｔｎｅｅｄｔｏｇｅｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｃｕｒ－ｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅＰＶｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄａＰＶｃｈａｒｇｅｒｓｈｏｗｔｈｅａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｈａｒｇｉｎｇ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ／ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＫｅｙＰｒｏｊｅｃｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｍｉｔｅｅｏｆＳｈａｎｇｈａｉ（Ｎｏ．０６ＺＺ０３）；ＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔＦｏｕｎｄｏｆＳｈａｎｇｈａｉ（Ｎｏ．Ｔ０１０３）；ＤＥＬＴＡＳｃｉｅｎｃｅ，ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒＰｏｗｅｒ（Ｎｏ．ＤＲＥＯ２００６０１７）图１光伏电池等效电路图２光伏电池输出特性曲线电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４２，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００８第４２卷第９期２００８年９月２７电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４２，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００８第４２卷第９期２００８年９月为ｋ＋１，ｋ时刻变换器的占空比； Δ Ｄ为扰动控制量；Ｐｋ和Ｐｋ－１分别为第ｋ，ｋ－１时刻光伏电池的输出功率；定义符号函数ｓｉｇｎ（ｘ）为：ｓｉｇｎ（ｘ）＝１ｘ ≥ ０ｓｉｇｎ（ｘ）＝－１ｘ＜“ ０（２）跟踪时，若Ｐｋ＞Ｐｋ－１，则增大变换器占空比Ｄｋ；反之减小Ｄｋ，因而下一次的占空比为：Ｄｋ＋１＝Ｄｋ＋ Δ Ｄｓｉｇｎ（ Δ Ｄ）ｓｉｇｎ（Ｐｋ－Ｐｋ－１）（３）图３示出扰动观测法原理。设在光伏电池初始工作点Ｐ２对控制系统施加扰动量，当工作点移至Ｐ３时，输出功率ＰＰＶ增大，说明施加的扰动量使ＰＰＶ向增大的方向运行，可继续增加相同扰动；若施加的扰动为－ Δ Ｄ，则系统工作在Ｐ１点，须施加相反的扰动量；重复上述操作，直到光伏电池工作于Ｐｎ点。４直接电流控制ＭＰＰＴ控制方法传统扰动观测法需要对光伏电池输出电压和电流同时进行采样。如果能以变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省去两个传感器，而且无需乘法运算。降低系统成本的同时提高了跟踪的快速性。基于此提出了直接电流控制ＭＰＰＴ法，下面将具体分析其工作原理。先假设：① 变换器自身功率损耗为零，即ＰＰＶ等于变换器输出功率Ｐｏ； ② 负载两端电压（蓄电池电压或电网电压）恒定不变。据此可得：ＰＰＶ＝Ｐｏ＝ＵＬＩＬ，ＵＬ＝Ｋ（４）式中：Ｋ为常数。所以有ＰＰＶ ∝ ＩＬ，将其代入式（３）化简得：Ｄｋ＋１＝Ｄｋ＋ Δ Ｄｓｉｇｎ（ Δ Ｄ）ｓｉｇｎ（ＩＬｋ－ＩＬｋ－１）（５）式（５）即为直流电流控制ＭＰＰＴ的判断依据，该方法仅需一个电流传感器，根据负载电流的大小可直接进行扰动方向判断，无需对光伏电池输出电压和电流进行检测及功率计算。对于输出电压不稳定的情况，例如电网波动和蓄电池电压改变，该方法也同样适用。如图４所示，当光伏板输出功率为等功率曲线ａ时，若电网电压ｕｇ由Ｕ１降低至Ｕ２，且瞬时调制深度Ｍ不变，并网电流ｉｇ会因电压的降低而增大，逆变器工作点Ａ自动移至Ｂ点，此时功率不变依然在等功率曲线ａ上。系统依然按照ＭＰＰＴ程序调节调制深度Ｍ，使得Ｐｏ＝ｕｇｉｇ，同样维持最大可输出功率。当此时光照强度再次变强时，若ｕｇ维持Ｕ２不变，则ｕｇ上升到Ｃ点，为等功率曲线ｂ，功率增大。反之，当ｕｇ升高时也可用同样控制方法取得很好的效果。５实验验证及结果分析为了验证上述方案，制作了一台３ｋＷ单相电流型光伏并网逆变器实验样机，如图５所示。系统中光伏阵列由２ × １２块ＳＨＡＲＰ－ＮＴ－Ｒ５Ｅ３Ｅ光伏电池板构成，开路电压为５２８Ｖ，总计４．２ｋＷ。并网逆变器通过改变高频逆变调制深度Ｍ，使ｉｇ维持可输出的最大值，即光伏阵列到达当时最大可输出功率。其中，ＶＴ１～ＶＴ４构成高频逆变部分，开关频率ｆｓ＝２０ｋＨｚ。Ｌ１，Ｌ２，Ｃ２构成导抗变换器［４］，实现电压源向电流源的转换，Ｔ１为１ ∶ ２的高频变压器、ＶＤ１～ＶＤ４为高频整流桥，ＶＴ５～ＶＴ６为工频逆变部分。实验参数：光伏阵列开路电压ＵＰＶ＝４８０Ｖ，Ｃ２＝１．５ μ Ｆ，Ｌ１＝Ｌ２＝４４ μ Ｈ，Ｃ４＝５ μ Ｆ，Ｌ３＝７００ μ Ｈ，ｕｇ＝２２３Ｖ。图６示出并网输出电流软启动后进行ＭＰＰＴ的光伏阵列电压ＵＰＶ与并网电流ｉｇ波形。可见，直接电流控制方案后，最大功率跟踪的速度快，光伏阵列输出电压波动小，并网功率始终维持最大。为了验证该方案的实用性和稳定性，又制作了一台２ｋＷ光伏充电器实验样机，配２ × ７块、共２．４５ｋＷ光伏电池阵列，开路电压为３０８Ｖ，与ＳＭＡＳｕｎｎｙＢｏｙ３８００型光伏并网逆变器（配４．２ｋＷ光伏电池阵列，开路电压３５２Ｖ）进行全天跟踪对比。图７示出充电系统主电路。采用Ｃｕｋ电路［５］，维持充电电流Ｉｏ最大值的调节量为ＶＴ１占空比Ｄ。实验参数：Ｕｐｖ＝３２０Ｖ，蓄电池电压Ｕｏ＝２２０～２７０Ｖ，Ｃ５＝Ｃ７＝２２００ μ Ｆ，Ｌ４＝Ｌ５＝７００ μ Ｈ，Ｃ６＝２ μ Ｆ，ＶＴ１开关频率ｆｓ＝１０ｋＨｚ。图８为两者最大功率跟踪时的最大输出功率对比图。在７ ∶ ００～１６ ∶ ００这段时间内，每隔３０ｍｉｎ进行一次采样记录。（下转第４１页）图３外部环境不变时光伏电池的输出Ｕ－Ｐ曲线图４并网电压变化时的最大功率点跟踪图５电流型光伏并网主电路２８图８ｂ示出ＭＰＰＴ曲线，其曲线采样点与图８ａ中的采样记录一致，不同光照下的光伏阵列功率曲线是通过参考单块ＳＨＡＲＰ同型号光伏电池，按试验中的阵列组合方式换算得到。通过对比图８ａ，ｂ可见，在光照强度大于４００Ｗ／ｍ２时，样机的输出功率不但保持了很好的跟踪持续性，且波动更小。６结论在分析光伏电池特性、数学模型及功率关系的基础上，对传统光伏系统中的扰动观测法进行了改进，提出一种以输出电流最大为目标、不依赖光伏电池输出特性检测的直接电流控制最大功率点跟踪策略。通过电流型光伏并网逆变器和光伏充电器的实验结果验证了该方案的可行性和正确性。该方案结构简单，控制方便，成本低，效率高且对传感器精度要求不高，不仅适用于天气条件变化较快的场合，而且对于输出电压变化较大的场合也有很好的跟踪效果。同时并网电流不受电网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网。参考文献［１］张强，刘建政，李国杰．单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３１（１０）：５０－５３．［２］ＣａｓｅＭＪ，ＪｏｕｂｅｒｔＭＪ，ＨａｒｒｉｓｏｎＴＡ．ＡＮｏｖｅｌＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＡｒｒａｙＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｅｒ［Ａ］．ＥＰＥ－ＰＥＭＣ２００２［Ｃ］．Ｄｕｂｒｏｖｎｉｋ，Ｃｒｏａｔｉａ，２００２：Ｔ５－００５．［３］ＳｎｙｍａｎＤＢ，ＥｎｓｌｉｎＪＨＲ．ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＰＶＩｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ［Ａ］．ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌ－ｉｓｔｓＣｏｎｆ．［Ｃ］．Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ，ＫＹ，ＵＳＡ，１９９３：１２４０－１２４５．［４］ＨｉｓａｉｃｈｉＩｒｉｅ，ＳｈｏｓｈｉＴａｋａｓｈｉｔａ，ｅｔａｌ．ＵｔｉｌｉｔｙＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＩｎ－ｖｅｒｔｅｒｕｓｉｎｇＩｍｍｉｔｔａｎｃｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ．ＩＥＥｏｆＪａｐａｎ，２０００，１２０－Ｄ（３）：４１０－４１６．［５］丁海洋，朱伟建，吴春华．一种新颖的光伏发电系统Ｃｕｋ型软开关变换器的研究［Ｊ］．电气传动自动化，２００６，２８（３）：２７－２９．２．４移相变压器等效容量分析根据图４可得长、短绕组的电流有效值分别为：ＩＣ＝２π ? π６ＮｓＮｓ＋Ｎｐ? Ｉｄ２! “２# ＝０．０４４７ＩｄＩａ１＝Ｉａ２＝０．４２６１Ｉｄ$&%&’（８）变压器总容量为所有绕组伏安之和，即：Ｐｔ－Ｔｒ＝ ( ＵｒｍｓＩｒｍｓ＝０．８８１２ＵｉｎＩｄ（９）式中：Ｕｒｍｓ，Ｉｒｍｓ为各绕组两端电压与流过绕组电流的有效值。将式（５），（７）代入可得Ｐｔ－Ｔｒ＝０．３６４ＵｄＩｄ；变压器等效容量Ｐｄ－Ｔｒ＝Ｐｔ－Ｔｒ／２＝０．１８２ＵｄＩｄ。可见新型移相变压器等效容量仅约为输出功率的１８％，相比传统１２脉冲变压整流器减小了约８２％，因此移相变压器的使用可以避免变压整流器体积庞大的缺点。３实验结果及结论在理论分析的基础上，设计了一台９ｋＷ的新型１２脉冲自耦变压整流器样机。Ｎｐ＝１４２匝，Ｎｓ＝２６，平衡电抗器电感值Ｌｐ＝６０ｍＨ。图６示出实验波形。实验结果验证了理论分析的正确性，样机具有良好的整流特性。输入电流总畸变率为１３．８％，与理论分析基本一致，样机效率达到９７．５％。分析了新型１２脉冲自耦变压整流器的工作原理、自耦变压器的设计、以及整流器的特性。实验结果表明，该整流器结构简单、体积小、效率高，具有良好的输入特性。参考文献［１］ＲｅａｄＪＣ．ＴｈｅＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＲｅｃｔｉｆｉｅｒａｎｄＣｏｎｖｅｒｔｅｒＰｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩＥＥ，１９４５，９２（２）：４９５－５９０．［２］ＤＰａｉｃｅ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｖｅｒｔｅｒＨａｒｍｏｎｉｃｓＭｕｌｔｉｐｕｌｓｅＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＣｌｅａｎＰｏｗｅｒ［Ｍ］．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，１９９６：１４７－１６５．［３］ＳＣｈｏｉ，ＰＥｎｊｅｔｉ，ＩＰｉｔｅｌ．ＰｏｌｙｐｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＡｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓＷｉｔｈＲｅｄｕｃｅｄＫＶＡＣａｐａｃｉｔｉｅｓｆｏｒＨａｒｍｏｎｉｃｓＣｕｒｒｅｎｔＲｅ－ｄｕｃｔｉｏｎｉｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ－ＴｙｐｅＵｔｉｌｉｔｙＩｎｔｅｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｅｐ．１９９６，１１（５）：６８０－６９０．（上接第２８页）))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))新型１２脉冲自耦变压整流器的研究４１

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