1、第25卷第1期 2006 年1月電工電能新技術V ol. 25, N o. 1Jan. 2006并網光伏系統最大功率點跟蹤控制的一種改進措施及其仿真和實驗研究楊海柱, 金新民(北京交通大學電氣工程學院, 北京100044摘要:最大功率點跟蹤控制問題是光伏并網發電系統中經常遇見的問題。本文根據太陽電池陣列的工作特性以及單相并網逆變器的結構和工作原理, 針對并網光伏系統最大功率點跟蹤控制的間歇掃描法提出了一種改進措施。仿真和實驗研究結果表明, 改進后的間歇掃描法在最大功率點跟蹤控制過程中, 系統工作點波動較小, 系統穩定性有明顯提高。關鍵詞:光伏系統; 并網逆變器; 最大功率跟蹤; 中圖分類號:T

2、 M615文獻標識碼:A :1003(051引言勢。, 二, 目前最高的轉換效率在實驗室條件下也不超過30%。為了解決這些問題, 首先要研制價格低廉的并且能量轉換效率高的光電材料, 其次是在控制上實現太陽電池的最大功率輸出。目前, 光伏系統的最大功率跟蹤問題已成為學術界研究的熱點。圖1并網逆變器系統結構圖Fig. 1Frame of grid 2connected inverter12光伏并網逆變器結構光伏并網逆變器的系統結構圖如圖1所示。光伏并網系統主要由前級的DC 2DC 變換器和后級的DC 2AC 逆變器組成, 兩部分通過Dclink 相連接,Dclink1的電壓為400V 。在本系統中

3、,DC 2DC 變換器采用BOOST 結構, 主要完成系統的MPPT 控制;DC 2AC 部法有固定電壓跟蹤法、擾動觀測法和導納微增法、間歇掃描跟蹤法。本文采用的是間歇掃描跟蹤法, 該策略的核心思想是定時地掃描一段(一般為015019倍的開路電壓 陣列電壓, 同時記錄下不同電壓下對應的陣列輸出功率值, 經過比較不同點的太陽電池陣列的輸出功率就可以方便地得出最大功率點。312本文提出的改進間歇掃描法分采用全橋逆變器, 主要完成維持DClink 中間電壓穩定并且將電能轉換成220V 50H z 交流電。系統保證并網逆變器輸出的正弦電流與電網電壓同頻同相。3最大功率跟蹤控制(MPPT311間歇掃描法

4、MPPT 的實質是一個自尋優過程收稿日期:20052072052,3, 常用的方作者在實驗中發現, 間歇掃描法在控制過程中由于要周期性掃描各工作點的功率從而引起太陽電池工作電壓的周期性大幅度變動, 使系統的穩定性降低, 其實掃描過程中也不必要地損失了一些功率。實際情況是太陽能電池陣列在一天的運行過程中,作者簡介:楊海柱(19752 , 男, 河南籍, 博士生, 研究方向為光伏并網系統;金新民(19502 , 男, 浙江籍, 教授, 博導, 博士, 研究方向為電力電子技術。64電工電能新技術第25卷短時間內工作點的變化不大。因此本文根據太陽能電池的伏安特性并結合太陽能電池陣列的實際運行情況, 對

5、間歇掃描跟蹤法提出了改進方案。改進的思想是:在較短時間間隔內只在縮小的跟蹤范圍內(V m -011V oc 和V m +011V oc 掃描一次, 其中V m 和V oc 分別是太陽能電池陣列最大功率點工作電壓和陣列開路電壓; 每隔一段較長時間后才在整個跟蹤范圍內對各工作點掃描一次。改進后的間歇掃描法的算法流程圖如圖2所示。其中, N 表示為長、短時間的倍數比, 其值可根據當地的光照變化情況而定, T K 、T M AX 、T MI N 分別為掃描控制周期的當前值, 最大值和最小值 。這樣控制的目的是當光照變化不大時, 就延長掃描間隔時間, 從而進一步減少工作點被擾動的次數, 提高系統運行的穩

6、定性, 從而達到智能地改善系統控制性能的目的。最后通過實驗驗證改進后的間歇掃描法, , 高了系統運行的穩定性。圖3并網逆變器結構示意圖Fig. 3Sketch map of inverter for m odeling數辨識。太陽電池單體具有如下的光照特性解析4式:=I g I d (0 -1(1shI 電池輸出電流; I g 光生電流; I d 二極管-19飽和電流; q 電荷電量(1×10庫侖 ; A 二極管-23因子; K 波爾茲曼常數(1138×10焦耳度 ; T 開氏溫度(K ; V 0電池的輸出電壓; I 0電池的輸出電流; R s 等效串聯電阻; R sh 等

7、效并聯電阻。對模型做如下定義:令i s , e s 分別為電池陣列的輸出電流和輸出電壓, 則(1 開路狀態下, i s =0, e s =V oc ;(2 最大功率點處, i s =I m , e s =V m 。并且設定I g =I sc , 因為在通常情況下, R s 遠小于二極管正向導通電阻。則太陽能電池的I V 方程可表示為:(C 2V oc -1 (2 i s =I sc (1-C 1expe s 其中C 1, C 2為待求的系數。根據系統在最大功率點處和開路狀態下的條件, 最后可得到太陽能電池陣列的系統辨識模型。412DC 2DC 變換器工作狀態分析假設T c 是理想開關, 根據電

8、路分析基本原理, 可以得到T c 在每一周期開、關兩個狀態的電路方程。其中。C s圖2改進間歇掃描法算法流程圖Fig. 2Flow chart of im proved intermittent scan alg orithm4最大功率跟蹤控制的建模與仿真如圖3所示, 在兩級變換結構的并網逆變器MPPT 控制過程中, 后級的DC 2AC 全橋結構逆變器T c 導通時:L c C sde s=i s -i Lc dt di Lc=e s dtde s=i s -i Lc dtdi Lc=e s -e d dt(3可以看作一個恒定的直流電壓源, 因此可以對并網逆變器做如下建模分析。411太陽能光伏

9、陣列建模由于MPPT 控制仿真建模用到了太陽能光伏陣列的模型, 因此要對太陽能光伏陣列進行建模和參T c 關閉時:L c(4第1期楊海柱, 等:并網光伏系統最大功率點跟蹤控制的一種改進措施及其仿真和實驗研究565根據狀態空間平均方法空間方程式dte s i , 可得上述方程式的狀態C se s i 統維持在此工作點工作直到下一次掃描控制產生新的最佳工作點。 下面分別是輸出電壓以及輸出電流的變化曲線。0= L c- 00L e T c +C s i s+ -(5其中, e T c =(1-D ×e d , D 是占空比, 上述方程中, i s 的表達式中含有e s , 因此方程是非線性

10、的, 為簡化計算在最大功率點處對方程進行線性化處理, 即在dP de se =e i =is0圖4MPPT 仿真控制曲線Fig. 4S imulated result of =0處, 其中e s0、i s0為最大功率點電s0壓和電流值, 由式(5 可得:-s54, 。, 在每次掃描控制結束時, 并網逆變器的工作電壓和電流也的確有波動, 說明仿真結果與實際運行的情況是相符的。如圖5所示并網逆變器的工作電壓波動最大超過20V , 電流的波動也接近1A 。由此可以看出系統的運行穩定性不是很好。e s dt i se s i +-e T cL L c(6其中B =I d exp e s0在式(6 中,

11、 e s 是狀A KT A KT態變量, 而i s 不是, 當L c 和C d 的值確定后, e s 的改變主要由e T c 的變化決定。因此可知調整e T c 的大小可以改變e s 的值。而根據前面的敘述可知e T c 的大小可以通過改變占空比D 來控制。因此, 在上述條件下太陽能電池的工作點可以通過占空比D 來控制。那么通過正確調整占空比D 的大小就能實現太陽能電池輸出的最大功率控制。413MPPT 控制的MAT LAB 仿真圖5功率、電壓和電流暫態變化過程Fig. 5T ransient changing of output v oltage ,current and power根據上述

12、DC 2DC 變換器的狀態空間模型和太陽能電池陣列模型, 本文使用MAT LAB 軟件對系統的MPPT 控制進行了仿真, 仿真系統主要由DC 2DC 變換器的狀態空間模塊、MPPT 控制模塊以及太陽能電池陣列簡化模型構成。根據上述的仿真模型, 本文對兩級結構的單相光伏并網逆變器的MPPT 控制過程進行了仿真研究, 圖4是未改進的間歇掃描法MPPT 控制曲線。其中最上面的是功率變化曲線, 在掃描過程中太陽能電池陣列的輸出功率則從0W 增加到最大功率135W 然后又降到118W , 當一次掃描控制結束時通圖6是改進后的間歇掃描法MPPT 控制過程中并網逆變器工作電壓和工作電流的波動仿真結果圖, 由

13、于采用改進的掃描控制策略每次只在當前最佳工作點周圍一個較小的區域進行間歇掃描控制, 因而使系統運行的穩定性明顯提高。由圖7中可以看工作電壓的波動只有5V 左右, 電流的波動只有約012A , 比未改進的間歇掃描控制法的工作電壓、電流的波動有明顯的減小。實驗結果也驗證了這一點, 改進后的間歇掃描控制法使系統的運行穩定性明顯提高。過MPPT 算法, 尋找到當前的最佳工作點, 然后使系 66電工電能新技術第25卷圖6改進后的功率、電壓和電流暫態變化過程Fig. 6Im proved transient changing of output v oltage ,current and power圖8M

14、PPT 控制中太陽電池輸出功率變化過程Fig. 8Changing of PV power with MPPT control5MPPT 控制實驗根據上述研究, 我們設計了一套額定功率500W6 的光伏并網逆變器, 并對樣機進行了MPPT 控制實驗。太陽能電池陣列采用8塊50W 陽電池陣列串連, 下, 圖7和圖17點MPPT 化過程, 從圖7中可以看出大部分時間太陽電池的最佳工作點電壓變化不大, 從而驗證了改進的間歇掃描法控制策略是可行和正確的。圖8是太陽電池陣列的輸出功率的跟蹤控制結果。從圖中可以看出太陽電池的輸出功率隨時間(光強 均勻變化, 最大輸出功率發生在中午12點左右。參考文獻( :

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21、 的控制策略仿真對實際控制第1期楊海柱, 等:并網光伏系統最大功率點跟蹤控制的一種改進措施及其仿真和實驗研究67R esearch on improved measure of MPPT control and its experimentin a grid 2connected photovoltaic systemY ANG Hai 2zhu , J I N X in 2min(School of E lectrical Engineering , Beijing Jiaotong University , Beijing 100044, China Abstract :Maximum P

22、 ower P oint T racking is one of the m ost im portant problems for the grid 2connected photov oltaic system. According to the character of s olar array and grid 2connected inverter , an im proved measure about intermittent scan MPPT method is proposed. Then a m odel of grid 2connected inverter based

23、 on state 2space average method is founded and a MPPT experiment is done. Through the result of simulation and MPPT experiment with inverter prototype , it is proved that the stability of system is greatly im proved with the new MPPT control strategy. K ey w ords :s olar energy ; grid 2connected inv

24、erter ; MPPT; state 2space average method(上接第25頁, cont. from p. 25contacts J .電工技術學報(T rans. of ChinaE lectrotechnical S ociety , 2003, 18(6 :68271.5劉東暉, 王季梅(Liu D onghui , 新126kV 真空構的算分(of vacuum interrupter J.電工電能新技術(Adv. T ech. of E lec. Eng. &Energy , 2003, 22(3 :73276.6M H omma , H S omei ,

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