太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法(20180724100015)

第 25 卷 第 8 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.25 No.8 Apr. 2005 2005 年 4 月 Proceedings of the CSEE ?2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号： 0258-8013（ 2005） 08-0095-05 中图分类号： TK51 文献标识码： A 学科分类号： 480· 60 太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法戴欣平，马 广，杨晓红（金华职业技术学院，浙江省 金华市 321007 ）A CONTROL METHOD FOR MAXIMUM POWER TRACING OF PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM DAI Xin-ping, MA Guang, YANG Xiao-hong （ Jinhua College of Profession and Technology, Jinhua 321007, Zhejiang Province, China ）ABSTRACT: This paper proposes a control method for maximum power point tracing (MPPT) with adaptive voltage, aiming at solving the problems of power loss and poor adaptability in controlling MPPT of constant-voltage tracing photovoltaic system. The method is implemented by measuring the grads variety of voltage-output curve of the photovoltaic system, and obtaining the voltage variation volume of transducer using the least square method, and controlling the out-frequency of transducer with constant voltage PI. Its efficiency is verified by simulating photovoltaic pumping system. The results indicate: ① the practical generating volume is larger than 99 percent of maximum generating volume in theory; ② the system has a quick start performance, capable of reaching a rated output in eight seconds; ③ its sound dynamic performance guarantees a stable output in case of abrupt changes in solar intensity, thus avoiding the breakdown of the system. The method can be applied to various photovoltaic systems. KEY WORDS: Photovoltaic generation; MPPT; Transducer; PI; Least square method 摘要： 针对定电压跟踪光伏系统最大功率点（ MPPT）控制上存在的功率损失和适应性差问题， 提出自适应电压变化率的 MPPT 控制方法。该方法通过检测光伏系统电压—输出功率曲线的梯度变化， 利用最小二乘法推导出变频器电压的变化量，并用定电压 PI 控制变频器输出频率。该控制法经光伏水泵系统仿真试验验证其有效性。 结果表明： ①系统的实际发电量达到理论最大发电量的 99%以上；②具有快速起动性能，从起动到额定输出时间仅为 8s；③具备良好的动态性能， 当日照强度急变时， 能迅速稳定输出， 避免系统崩溃。该方法可用于多种光伏系统中。关键词： 太阳能发电；最大功率追踪控制法；变频器；定电压 PI 控制；最小二乘法1 引言近年来，随着我国经济的飞速发展，用电量的急剧增加，电力紧缺局面短期难以解决；而且，随着石油、煤等不可再生资源的枯竭，能源问题成为多方面关注的焦点。由于太阳能是一种取之不尽、清洁无污染的能源，其开发利用引起各级政府的重视，许多企业和科研机关纷纷加入开发利用太阳能的行列，太阳能应用产品也层出不穷。本文介绍一种无人值守光伏水泵系统。该系统主要针对未设电网的地区，可用于农业灌溉、牧场牲畜饮用水、 家庭取水等。 该系统在有太阳光时 （包括晴天和阴天）能自动工作，在电力变换过程中，变频器采用一种适应性算法的最大功率追踪控制法，实现了在同样光照条件下太阳能电池发电量最大化的控制，使相对昂贵的太阳能电池得到了最大限度的利用。2 太阳能发电的系统构成和控制原理无人值守光伏水泵系统构成如图 1 所示。系统由室外 1kW 太阳能电池阵列、 DC-AC 变频器、控制处理器、马达及水泵负载构成的独立性太阳能发电系统。 DC/AC 变频器采用日本三菱公司的 IGBT模块 ASIPM-PS11037 ，它的 PWM 波形由 CPU 调整。控制 CPU 采用三菱公司的 16 位芯片 M16C 。太阳能电池 (日本荏原公司生产 )采用 36 个独立的96 中 国 电 机 工 程 学 报 第 25 卷太阳能电池元件串联成一串联电路，同样的 5 个串联电路并联成一个太阳能电池模块， 7 个这样的太阳能电池模块串联成一个太阳能电池单元，最后 2个同样的太阳能电池单元并联后构成整套太阳能电池阵列。这套太阳能电池阵列在理想条件下（日照强度 100%，环境温度 - 15℃）的最大开路直流电压为 168V 。直流输出线直接接入变频器的 DC 母线。为了防止电流逆流，在太阳能电池阵列和变频器的电容器之间的正母线上加上一个整流二极管。这样，太阳能电池阵列输出直流电至变频器，然后变频器输出某一个适当频率的交流电以驱动异步电机，带动水泵工作。变频器的额定输出交流电压和异步电机的额定电压为 100V，电机为 6 极，额定频率 87.5Hz 。太阳能电池 变频器水水泵图 1 太阳能发电供水系统的构成Fig. 1 Photovoltaic generation and water supply system 太阳能电池的输出功率并不是恒定值，也不单单与太阳光的光照强度呈正比 [1] ，其输出特性是上部凸出的山形曲线，并根据日照强度、光线角度、气温和负载等因素变化而形成的曲线族 [1-6] ， 如图 2所示，因此其特性很难事先定义。特性曲线凸出最高点为最大功率输出点，越接近最大输出功率点，特性曲线的斜率绝对值越小。这在日照量、元件温度、负载不同时也成立 [2-4] 。V/V Pm/W 图 2 太阳能发电系统的输出特性Fig. 2 Output characteristics of photovoltaic system 因此，为了充分发挥太阳能电池的效率，通常需要对电池输出功率进行追踪控制，使得输出功率达到最大值。太阳能电池的最大功率追踪控制在原理上并不复杂， 通常， 在系统处于相对稳态状况下，按照登山法 [4] 通过 CPU 精确控制系统的动作点， 使其稍作前后变化，比较其输出功率的变化，从而可搜索出当前最大功率的动作点。利用登山法追踪动作点是一种相对可靠而又有效的方法。但是，其动作点变化率 ? V 是固定的，若 ? V 选得过大，到达最大输出功率的时间虽然缩短了，但在最大功率点附近的来回振动也随之增大，这种振动现象严重时可能导致系统的崩溃；相反，如果 ?V 选得过小，就无法快速对应特性变化，系统的反映速度将变得很慢。更主要的是，过小的变化 ? V 将无法准确地判断出输出功率的变化值，从而使控制系统误判了动作方向，使系统的输出功率长期徘徊在相对较低功率值上 [7-8] 。基于上述原因，本文提出以下的控制方法。系统选择了变频器的直流电压 VDC 和直流电流 I DC 作为该系统的输入值，选择了变频器输出频率 f 作为输出值。首先，由变频器的直流电压和直流电流计算出太阳能电池阵列的输入功率，同时记录当前的动作点（ Pk， Vk） 。然后，根据记录的 PV 轨迹，用最小二乘法计算出当前 PV 轨迹的斜率 k，最后按照图 3，根据斜率 k 计算出动作点变化率 ? V。? V/V50.05- 0.05- 10001000- 55000- 5000?P/?V/(W/V)图 3 动作点变化率 ?V 与斜率的关系Fig. 3 The relation between ?V and slope 图 3 中， ?V 值设定了正负 5V 的上下限， 这样可保证 MPPT 的电压调节范围不会太大； 而且在零点上下， ?V 也设定了正负 0.05V 的上下限，这样保证 MPPT 不会停在某一点上不动。对于某个特定的水泵负载系统而言，变频器的输出频率 f 决定了该系统的输出功率 Pout，改变输出频率 f 可以影响到变频器的直流电压。所以，使用了式 (1)所示的定电压 PI 控制 [9-11] 来改变系统的动作点。out dp If G G tε ε= + ?∫ (1) 其中， *DC DC( )V V Vε = - = ? 。 *DCV 为定电压 PI 控制的指令值， VDC 为高速采样得到的直流电压值。由于定电压 PI 控制影响到输出功率的大小 [12] ，从而影响了整个 MPPT 控制的性能， 因此这里将定电压 PI 控制的采样周期设置为变频器的载波周期（ 100μ s） ，在这样的高速控制下，变频器的定电压第 8 期 戴欣平等： 太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法 97 控制可近似认为是一个连续的控制系统。将定电压PI 控制的指令值为变频器的直流电压（ VDC +? V） ，PI 的输出没变频器的输出频率 f。同时，为了简化系统的控制流程，异步电机的控制仅采用了 V/f 一定比例控制法。 在决定变频器的输出频率 f 的同时，由预先设置在变频器的 V/f 表，就可以得到变频器的输出电压 Vout。因此，根据式 (1)及图 3，变频器的输出频率 f的变化幅度可以认为是与变频器输出功率特性曲线的斜率成比例的。当然，为了快速响应特性曲线的变化，同时也是为了消除最大功率点的移动，控制系统必须不断地改变动作点使其与变频器的功率特性曲线一致。与动作点变化率 ? V 不变的登山法相比，该方法能快速响应处理外部环境的变化而引起的发电特性的变化。 另外， 该方法将动作点上下变动， 这些变动均能得到有效的控制，因此可以精确地到达最大功率点附近，并将变动控制在很小的范围内 [13] 。同时，在日照光线突变时，特别在日照光线突然由强变弱时，高速变频器的定电压控制可以迅速稳定住变频器的直流电压，避免系统的崩溃。在计算变频器输出功率特性曲线的斜率时，为了排除变频器本身强烈的电磁干扰， 本文采用了 16点最小二乘法来求取输出功率变化量 ?P 和变化后的输出功率 P′ ，如下式所示15 151 06 45136n nn nnP PP = =-? =∑ ∑(2) 15 151 03 14136n nn nnP PP = =-′ =∑ ∑(3) 最小二乘法与单纯从差分求出变频器输出功率特性曲线的倾斜率的方法相比，不容易受噪音的影响 [14-15] 。而且，因为参数的值逐次更新，因此可以通过检测数学模型的参数变化，而知道时刻变动的特性曲线的变化。3 试验系统3.1 简介本研究用到的试验系统如图 1 所示，通过改变日照量及负载等外部环境条件，进行控制试验。在实验过程中采用太阳能发电板仿真器来模拟出各种不同光照、不同温度时太阳能电池板的输出。太阳能发电板仿真器采用日本 Myway 公司生产的 PVFC 型太阳能电池及燃料电池模拟电源，容量为 0~200V/0~25A 。仿真器实际为一台高速响应的直流电源， 将实测的太阳能电池的动作特性 （ I-V曲线） 输入其 CPU， 可模拟出太阳能电池的动作特性，并可根据实验需要设定光照强度、环境温度等各项参数。实验系统的数据采样周期分别为详细50ms、简略 1s 两种。试验主要集中在稳态特性、 起动特性和日照强度阶跃急降特性上。稳态特性可以看出 MPPT 的有效性，即 MPPT 控制所得到的发电量与理论最大发电量的百分比越大，控制性能越好。起动特性可以看出 MPPT 控制的动态特性，该动态特性可以简单地用起动时间加以评价，起动时间越短，说明控制性能越好。日照强度急降特性是太阳能发电系统的一个重要的性能。一个频繁崩溃，又频繁再起动的系统，不仅其发电量会明显下降，而且其硬件寿命也会受到严重影响。本文在这里使用了日照强度 100%急降至 30%的阶跃实验来进行性能评价。3.2 最大点追踪安定性实验将太阳能发电板仿真器设置环境温度 T 为 60℃，日照强度 E 为 100%恒定输出， 长时期运行试验系统后， 用 50ms 采样周期随机采集 1000 点数据，所得到的稳态下 P-V 轨迹图如图 4 所示。12001000800600400200080 90 100 110 120输入电压 /V输入功率/W注：日照强度 E=100%；环境温度 T=60℃图 4 MPPT 稳态 PV 轨迹图Fig. 4 PV track chart of MPPT Stable 从图中可以看出， 本文所提出的 MPPT 控制法可以将系统的动作点控制在一个非常小的范围，而且，动作点的分布正好在山顶。与理论最大发电量的 835W 相比， 本文所提出的 MPPT 控制法所得到的发电量平均值为 832W，两者几乎完全吻合。3.3 起动实验将太阳能发电板仿真器设置环境温度 T为 - 15℃，日照强度 E 为 100%恒定输出，起动太阳能发电系统时，用 1s 取样周期采集 1000 点数据，所得到的起动时的 PV 轨迹图如图 5 所示。98 中 国 电 机 工 程 学 报 第 25 卷120010008006004002000输入电压 /V输入功率/W0 40 120 16080注：日照强度 E=100%；环境温度 T=- 15℃图 5 MPPT 起动 PV 轨迹图Fig. 5 PV track chart of MPPT start 另外， 同样的实验用 1s 取样周期采集起动时的数据，所得到的起动时的输出功率时间分布如图 6所示。120010008006004002000输入电压 /V输入功率/W1 13 197 25 31 37 43 49100806040200输出频率/Hz变频器输入功率变频器输出频率注：日照强度 E=100%；环境温度 T=- 15℃图 6 MPPT 起动输出功率时间分布图Fig. 6 Output power time distributing chart of MPPT start 由图 5 可见，本文所提出的 MPPT 控制法几乎完美地沿着太阳能发电板特性曲线向上攀登。 由图 6可见，从起动到额定 1kW 输出为止的起动时间仅用了 8s。值得强调的是， 本文的 MPPT 控制法在起动时没有使用任何其它的加速手段。因为与使用开路电压来预测最大点的方法相比，开路电压预测法将无法适应控制中途的日照变化。 很明显， 本文的 MPPT控制法在日照不安定时或有云气候下的动态特性更为出色。3.4 日照强度的阶跃急降实验将太阳能发电板仿真器设置环境温度 T 为 60℃，日照强度 E 为 100%输出，起动太阳能发电系统后使其处于安定运行状态，然后将太阳能发电板仿真器输出从 100%光照强度阶跃急降至 30%。这时用50ms 取样周期采集 1000 点数据，所得到的阶跃急降时的 PV 轨迹图如图 7 所示。另外，同样的实验用 50ms 取样周期采集急降时的数据，所得到的阶跃急降时的输出功率时间分布图如图 8 所示。由图 7 可见， 本文所提出的 MPPT 控制法可以输入电压 /V输入功率/W0 40 80 100 120120010006004002000800注：环境温度 T=60℃图 7 100% 光照强度阶跃急降至 30%时 PV 轨迹图Fig. 7 PV track chart of light intensity 100% step down to 30%10008006004002000输入电压 /V输入功率/W1 13 197 25 31 37 43 49输出频率/Hz变频器输入功率变频器输出频率100806040120注：环境温度 T=60℃图 8 100% 光照强度阶跃急降至 30%时输出功率时间分布图Fig. 8 Output power time distributing chart of light intensity 100% step down to 30% 在 50ms 时间内迅速地稳定住直流电压，从而避免整个系统的崩溃。笔者在不同条件下重复该实验达100 次，没有一次出现过系统的崩溃情况。超高速定电压控制是本文所提出的 MPPT 控制法的另一个核心部分，变频器的每一个载波都必须重新计算输出电压和频率，以获得近似为连续控制的定电压控制效果。4 结论本文介绍了一种光伏水泵系统的最大输出功率的追踪控制法。在电力变换过程中，实现了在同样光照条件下太阳能电池板发电量最大化的控制。该方法通过模拟多种外部环境条件的试验证实了其有效性，特别是其快速起动特性以及日照强度急变时控制系统所表现出的适应能力，优于其它控制系统。该控制法可以适用于各种不同类型的太阳能发电系统，是一种有较好应用前景的方法。参考文献[1] 欧阳名三，余世杰，沈玉梁，等．具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究 [J]． 农业工程学报， 2003， 19(6)： 272-275．Ouyang Mingsan， Yu Shijie， Shen Yuliang et al． Research of domestic photovoltaic charging system with maximum power point 第 8 期 戴欣平等： 太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法 99 tracing(MPPT)[J] ． Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2003， 19(6)： 272-275．[2] Chung Yuen Won ， Duk Heon Kim ， Sei Chan Kim et al ． A new maximum power point tracker of photovoltaic arrays using fuzzy controller[J] ． IEEE Power Electron. Spec. Conf.， 1994， 1(1)： 396-403．[3] 岡土千尋．太陽光発電システムの現状と将来Ⅲ .太陽光インバータ技術 [J]． T.IEE Japan， 1995， 155-C(6)： 34-39．[4] Kenji Takahara， Youichi Yamanouchi， Hideki Kawaguchi ． Maximum power control for a photovoltaic power generation system by adaptive hill-climbing method[J] ． T.IEE Japan， 2001， 121-D(6)： 689-694．[5] 吴博理， 赵争鸣， 刘建政． 用于太阳能照明系统的智能控制器 [J]． 清华大学学报 (自然科学版 )， 2003， 43(9)： 1195-1198．Wu Boli ， Zhao Zhengming， Liu Jianzheng． Intelligent controller for photovoltaic lighting systems[J] ． Journal of Tsinghua University (Science and Technology)， 2003， 43(9)： 1195-1198．[6] 赵庚申，王庆章．最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用 [J]．光电子 · 激光， 2003， 14(8)： 813-816．Zhao Gengshen， Wang Qingzhang． Tracing and control of maximum power point in a pv sysetm[J] ． Journal of Optoelectronics · Laser，2003， 14(8)： 813-816．[7] 张兴，张崇巍，曹仁贤．光伏并网逆变器非线性控制策略的研究[J]．太阳能学报， 2002， 23(6)： 770-773．Zhang Xing ， Zhang Chongwei， Gao Renxian ． Study on nonlinear control of FV parallel feed inverter[J] ． Acta Energiae Solaris Sinica，2002， 23(6)： 770-773．[8] 苑进社，余世杰，何慧若． CVT 光伏水泵系统瞬态工作点特性分析 [J]．太阳能学报， 2002， 23(5)： 554-556．Yuan Jinshe， Yu Shijie ， He Huinuo ． Analysis on instantaneous working point of a 2 ． 5KWp CVT-PV water pumping system[J] ． Acta Energiae Solaris Sinica， 2002， 23(5)： 554-556．[9] 孟祥萍，薛昌飞，张化光．多区域互联电力系统的 PI 滑模负荷频率控制 [J]．中国电机工程学报， 2001， 21(3)： 6-11．Meng Xiangping， Xue Chengfai， Zhang Huaguang． PI sliding mode load frequency control of multi-area power systems[J]． Proceedings of the CSEE， 2001， 21(3)： 6-11．[10] 邱宇，陈学允．用于静止无功补偿器的非线性 PID 控制器 [J]．中国电机工程学报， 2002， 22(11)： 41-44．Qiu Yu ， Chan Xunyun ． The new nonlinear PID controller for SVC[J] ． Proceedings of the CSEE， 2002， 22(11)： 41-44．[11] 周杨忠， 胡育文， 田蕉． 永磁同步电机控制系统中变比例系数转矩调节器设计研究 [J]．中国电机工程学报， 2004． 24(9)： 204-208．Zhou Yangzhong， Hu Yuwen， Tian Jiao． Research of torque controller with variable proportion in permanent magnet synchronous motordrive[J] ． Proceedings of the CSEE， 2004． 24(9)： 204-208．[12] 白先红，潘文霞，史林军． PI 控制算法确定数字化闪变仪自校验时的 K 值 [J]．电力自动化设备， 2004， 24(4)： 36-39．Bai Xianhong， Pan Wanxia， Shi Linjun ． Using PI control arithmetic to determine the gain K in flicker meter when self-checkout[J] Electric Power Automation Equipment ， 2004， 24(4)： 36-39．[13] 鲍胜华，苏建徽，茆美琴．基于转速观察反馈实现 MPPT 的光伏水泵系统 [J]．太阳能学报， 2004， 25(3)： 353-355．Bao Shenghua， Su Jianhui， Mao Meiqin ． Photovoltaic pump system with MPPT based on the observing feedback of rotational speeds[J]． Acta Energiae Solaris Sinica， 2004， 25(3)： 353-355．[14] 李国强，金轶锋，叶道骅，等．自适应动态寻优极值调节控制的算法研究 [J]． 陕西师范大学学报 (自然科学版 )， 2004， 32(3)： 50-53．Li Guoqiang， Jin Yifeng， Ye Daohua et al． A self-adaptive control for dynamic seeking optimum of extremum value control system [J]． Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition) ，2004， 32(3)： 50-53．[15] 杜正春， 牛振勇， 方万良． 基于分块 QR 分解的一种状态估计算法[J]．中国电机工程学报， 2003， 23(8)： 50-55．Du Zhengchun， Niu Zhenyong ， Fang Wanliang． A block QR based power system state estimation algorithm[J] ． Proceedings of the CSEE， 2003， 23(8)： 50-55．收稿日期： 2005-03-29. 作者简介：戴欣平（ 1967-） ，男，硕士研究生，讲师，主要研究方向为机电控制及光伏系统研究；马 广（ 1968-） ，男，副教授，主要研究方向为农业工程与农业机械；杨晓红（ 1964-） ，女，硕士研究生，副教授，主要研究方向为控制工程及信号处理。