光伏发电最大功率点跟踪控制中应用概要.docx

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光伏发电最大功率点跟踪控制中应用概要

第２９卷第６期

２００９年６月

电力自动化设备

Ｖ０１．２９Ｎｏ．６

Ｊｕｎ．２００９

ｏ

固定电压法结合扰动观察法在光伏发电

最大功率点跟踪控制中应用

熊远生１，２，俞

立１，徐建明１

（１．浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州３１００３２；２．嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴３１４００１）

摘要：

对光伏发电系统提出了一种新的最大功率点跟踪（ＭＰ阳）控制方法。

即在外界环境或负载突变时，先

采用固定电压法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近．以保证跟踪的快速性；在此基础上引入小步长的扰动观察法，对最大功率点处的稳态特性进行优化．可有效减小光伏阵列的输出功率在最大功率点的振荡现象。

对固定电压法、扰动观察法以及所提的两者的结合方法分别进行仿真，结果表明．所提方法能够快速、准确地跟踪光伏阵列的最大功率点．减少了在最大功率点振荡的能量损失，提高了光伏发电系统的能量转换效率。

关键词：

光伏阵列；最大功率点跟踪：

固定电压法；扰动观察法；光伏发电系统中图分类号：

ＴＭ

６１５

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００６—６０４７（２００９）０６—００８５—０４

为光伏电池光生电流，其值和光强成正比；Ｌ为光伏电池反向饱和电流．其值主要由温度决定：

ｑ为电荷常数：

Ａ为光伏电池中半导体器件的Ｐ—ｎ结系数：

Ｋ为Ｂｌｏｔｚｍａｎ常数；ｒ为绝对温度；尼为光伏阵列串联等效电阻；１７，。

、ｎ。

分别为光伏电池的并联和串联数目。

但光伏阵列生产厂商提供的数据一般不是上述

０引言

光伏阵列的输出电压和输出电流随着光强和温度等外界环境及负载的变化而变化．为了实时从光伏阵列获得最大输出功率．需要在光伏发电系统【Ｉ－ｏｊ中实现最大功率点的跟踪控制．通常的实现方法是在光伏阵列和负载之间串联最大功率点跟踪ＭＰＰＴ

（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）电路ｍ８１。

数据，而是提供短路电流Ｌ、开路电压％、最大功率点电压砜、最大功率点电流，ｍ、短路电流温度系数

ａ、开路电压温度系数口。

在式（１）中，设Ｃ＝ｑ／（ＡＫＴｎ。

），，ｐ＝砩‰，，０＝‰Ｌ，则式（１）可改写为

（２）Ｉ＝Ｉ，－Ｉｏ｛ｅｘｐＩＣ（ｕ＋侬。

）】一１）

其中，，ｏ为光伏阵列的光生电流．其值和光强成正比；厶为光伏阵列反向饱和电流，其值主要由温度决定：

Ｃ是一个与温度成反比的系数。

根据厂商提供的数据，有以下公式成立：

ａ．开路状态时有

近年来．出现了各种ＭＰ胛控制方法１９—１０］，其中固定

电压ＣＶ（ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ）法和扰动观察ＰＯ（Ｐｅｒｔｕｒｂ

Ｏｂｓｅｒｖｅ）法因简单、有效而较常用．但各自也存在缺陷［ＩＨ５】。

本文在分析固定电压法和扰动观察法的基础

ａｎｄ

上，提出了一种新的ＭＰＰＴ控制方法．在外界环境或负载突变时．采用固定电压法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近．以保证跟踪的快速性。

在此基础上，为进一步提高对光伏阵列的利用效率，在最大功率点附近。

采用小步长扰动观察法。

从而减小系统在最大功率点附近的振荡。

０＝Ｉｐ－ｌｏｌｅｘｐ（Ｃ“）一１］

ｂ．短路状态时有

气＝厶一ｌｏ［ｅｘｐ（ＣＩ，Ｒ。

）一１］

ｃ．最大功率点处有

（３）（４）（５）

１光伏阵列特性

一个光伏阵列通常由一系列的光伏电池通过串并联组成，在忽略并联电阻的基础上，光伏阵列的数学模型可以简化表示为［１５－１６Ｊ

ｔｉｎ＝ｔＯ－－ｔｏ｛ｅｘｐ［Ｃ（巩＋，ｍＲ。

）］一ｌ｝

ｄ．最大功率点处功率对输出电压的微分有

告Ｉ

ｄＵ

Ｉ，＝，＿，如ｆ，－

＝Ｏ

（６）

ＩｍＦ／，ｐ知飞ｋ｛ｅｘｐ［意蠹（ｕ＋ＩＲ８）］－一１）（１）

其中，，、Ｕ分别为光伏阵列输出电流和电压；知

收稿日期：

２００８—１２—０６：

修回日期：

２００９—０２—１６

基金项目：

国家杰出青年科学基金（６０５２５３０４）

通过联解式（３）一（６），可求出，Ｄ、，ｏ、Ｃ和Ｒ。

。

当光强发生变化时，将，ｎ与光强成正比变化；温度发生变化时，根据“和口求出新温度下的短路电流和开路电压，将Ｃ与温度成反比变化，假设Ｒ。

不变，求出新温度下的，ｎ和，０。

万方数据　

④

电力自动化设备

第２９卷

以无锡尚德太阳能电力有限公司生产的ＳＴＰ一２６０光伏阵列为例。

其提供的数据手册ｆ１７】参数为

Ｌ＝８．０９

Ａ，％＝４４．０

Ｖ，Ｌ＝７．４７Ａ，Ｕｍ＝３４．８Ｖ，短

路电流温度系数为０．０５５％／Ｋ．开路电压温度系数为一１５０

ｍＶ／Ｋ。

按照上述方法，在不同光强Ｊｓ和温度ｒ下．对该光伏阵列进行仿真．仿真结果如图１和图２所示。

从图中町以看出，随着光强的减小．输出最大功率减小，同时最大功率点处对应的电压减小：

随着温度的升高．输出最大功率减小．同时最大功率点处对应的电压减小。

３００

每２００＼钆１００

Ｏ

１０

２０

３０

４０

５０

Ｕ，、

图１不同光强下光伏阵列的Ｐ—Ｕ特性曲线

Ｆｉｇ．１

Ｐ—ＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣＨＩＶＥＳ

ｏｆＰＶ

ａｒｒａｙ

ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｉｎｓｏｌａｔｉｏｎｓ（２５ｏＣ）

图２不同温度下光伏阵列的Ｐ—Ｕ特性曲线

Ｆｉｇ．２Ｐ—ＵｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｌｖｅｓｏｆＰＶａｒｒａｙｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（１ｏｏｏＷ／ｍ２）

２

ＭＰＰＴ控制方案

光伏阵列输出最大功率时．对应有一个最大功率

点输出电压．固定电压法控制输出电压稳定在一个固定值上。

但从上述对光伏阵列输出特性的分析可知．最大功率点对应的输出电压会随着光强及温度的变化而不同。

因此该方法控制精度低．通常仅用于小功率场合。

大多数情况下．ＭＰｌｒｆ通过连接在光伏阵列和负载之间的ＤＣ—ＤＣ变换器实现．为了减少系统的复杂性．直接控制变换器的占空比来控制光伏阵列的输出功率。

扰动观察法控制思路如下：

假没增加变换器的占空比．若光伏阵列输出功率增加．则占空比继续增加，反之占空比减少：

假设减少变换器的占空比。

若光伏阵列输出功率增加．则占空比继续减少．反之占空比增加。

占空比的改变值称为扰动步长Ａｄ．在选取扰动步长大小时要兼顾光伏发电系统动态特性及稳态特性。

从前面的分析可知．同定电压法不能保证光伏阵列输出功率达到最大功率．只能保证光伏阵列工作于最大功率点附近。

为了充分利用光伏阵列的输出功率。

当系统实现固定电压法的控制目标后．可在

万　

方数据最大功率点附近采用扰动观察法进行下一步丁作。

与传统扰动观察法不同，当外界环境或负载发生突变时，最大功率点跟踪控制由固定电压法实现．因此本文中的扰动观察法主要对最大功率点附近的稳态特性进行优化．该步长可远小于传统扰动观察法中的扰动步长．从而在稳态时可有效减小系统在最大功率点附近的振荡现象。

’

该方法控制流程图如图３所示。

其中．ＡＤ指

固定电压法使用ＰＩ控制使输出电压稳定到玑上，ＰＩ计算出的占空比的步长增量。

定义系统在ｋ时刻光伏阵列的输出电压及输出电流分别为巩和厶，系统根据光伏阵列的输出电压判断系统的工作状态：

ａ．如果光伏阵列的输出电压在固定电压控制算法设定的电压＋ＡＵ之外．执行同定电压控制算法：

ｂ．光伏阵列的输出电压在固定电压控制算法设定的电压±△Ｕ之内．进行小步长的扰动观察法：

ｃ．在执行扰动观察法时．修改固定电压控制算法设定的电压为巩。

该过程小断重复直到△Ｐ近似等于零．此时系统工作在最大功率点。

图３固定电压法结合扰动观察法的ＭＰＰＴ控制流程图

Ｆｉｇ．３

ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｂｙ

ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄｏｆＣＶ

ａｎｄＰＯ

３仿真

为了验证所提出方法的有效性．在ＰＳＩＭ软件中对该方法进行了仿真。

仿真对象为在光伏阵列特性使用的光伏阵列。

温度０＝５００Ｃ．按照前述光伏阵列输出特性．通过仿真得到在Ｓ＝１０００Ｗ／ｍ２时最大功率点功率为２５６．５Ｗ．在Ｓ＝４００Ｗ／ｍ２时的最大功率点功率为９８．６４Ｗ。

在０．２ｓ时光强从Ｓ＝１０００Ｗ／ｍ２变化到Ｓ＝４００Ｗ／ｍ２．在０．３Ｓ时光强从Ｓ＝４００Ｗ／ｍ２变化到Ｓ＝１０００Ｗ／ｍｚ。

采用固定电压（ＣＶ）法、扰动观察（ＰＯ）法、固定电压法结合扰动观察法（简称结合方法）分别进行ＭＰＰＴ仿真。

仿真电路中，光伏阵列由ｍｓｖｃ—ｍｏｄｅｌ．ｄｌｌ实现．根据光伏阵列的输出电压、温度、光强、短路电流温度系数及开路电压温度系数计算出光伏阵列的输出电流．假设负载为一恒压源负

第６期

囝

后，此时最大功率点的输出电压减小。

由于设定值不变，导致输出功率减小．造成功率损失。

从图４（ｂ）（ｃ）可以看出．在扰动观察法中。

步长大时。

在光强变化时能迅速跟踪最大功率点．但稳态输出时功率存在较大的波动：

从表ｌ中看出。

步长大时．稳态输出功率均值呈现下降。

从图４（ｄ）（ｅ）可以看出，在光强突变时。

结合法采用固定电压法对最大功率点进行快速跟踪．使工作点快速移动到最大功率点附近：

在稳态输出时。

采用小步长的扰动）ｌ！

Ｉｌ察法．不断逼近最大功率点。

对比图４（ｂ）（ｄ）．可以看出，固定电压法结合扰动观察法比单纯的扰动观察法有更快的跟踪速度．同时由于稳态逼近最大功率点时的步长可以取得比较小．因此，稳态输出功率波动更小。

从表１中可以看出。

固定电压法结合扰动观察法稳态输出功率最大。

４

载．在光伏阵列和负载使用Ｂｏｏｓｔ电路进行最大功率点跟踪。

ＭＰＰｒ由ｍｓｖｃｍｐｐｔ．ｄｌｌ实现．计算输出的控制量和＝三角波比较后驱动开关管。

设定开始的占空比为０．５。

图４所示为不同方法的仿真波形比较．表１中列出了各方法下的输出功率均值Ｐ（图（ｅ）中．ＣＶＴＦＩａｇ为ｌ时表示ＭＰＰＴ执行的是固定电压法：

为Ｏ则表示ＭＰＰＴ执行的是扰动观察法）。

３００譬２００

＼

钆１００

０

．ｆ

Ｏ．１

Ｊ

。

０．２ｔ／ｓ

０．３

０．４

（ａ）固定电压法

３００》２００

＼

结论

屯１００

Ｏ

０．１

０．２ｔ／Ｓ

本文提出了一种新的ＭＰ胛算法——固定电压

Ｏ．３

０．４

法结合扰动观察法．该方法不仅克服了固定电压法在外界环境变化时不能工作在最大功率点处的缺点．而且也克服了扰动观察法的稳态输出稳定性和动态跟踪速度的矛盾。

在外界环境突变时．该方法使用同定电压法迅速将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近．然后使朋小步长的扰动观察法逼近最

（ｂ）Ａｄ＝０．０１时的扰动观察法

３００每２００＼

屯１００

Ｏ

０．１０．２ｔ／ｓ

Ｏ．３０．４

（ｃ）Ａｄ＝０．０５时的扰动观察法

大功率点．从而使光伏发电系统的动态和稳态性能得到很大提高。

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ｆｏｒ

ｐｅｒ．

表１稳态输出功率均值比较

Ｔａｂ．１

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｐｏｗｅｒ

ＭＰＰＴ

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从图４（ａ）口－－Ｊ＂以看出．固定电压法能迅速地跟踪光强的变化：

从表１中看出，在光强变为Ｓ＝４００Ｗ／ｍ２

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（责任编辑：

李育燕）

作者简介：

熊远生（１９７９一），男，河南新县人，讲师，博士研究生，主

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ｂｅｔｗｅｅｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ＣＶＴａｎｄＭＰＰＴ

要从事太阳能发电及控制等方面的研究（Ｅ．ｍａｎ：

ｘｉｏｎｇｙｕａｎ

ｓｈｅｎｇ＠１６３．ｅｏｍ）；

俞立（１９６１一），男，浙江富阳人，教授，博士研究生导

ｗａｔｅｒ

［Ｊ］．ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓＳｉｎｉｃａ，１９９８，１９（４）：

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ｃｕｒｒｅｎｔ—ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

Ｒｅｃｏｒｄｏｆ２５ｔｈ

ｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂａｔｏｎ

ｏｆ

ｐｈｏｔｏｗＪｈａｉｃ

ｍ（，（ｉｕｌｅｓ［Ｃ］∥

师。

主要从事鲁棒控制、网络控制等方面的研究；

徐建明（１９７０一），男，江西吉安人，副教授，博士，主要从事鲁棒控制、ＰＩＤ控制等方面的研究。

ＩＥＥＥ

ＰｈｏｔｏｖｏｈａｉｃＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎ．

Ｒｏｕｇｅ．ｂｕｉｓｉａｎａ：

ＩＥＥＥ．２００２：

１５１６—１５１９．

ＭＰＰＴ

ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｍｂｉｎｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔ

ｖｏｌｔａｇｅｍｅｔｈｏｄ

ｗｉｔｈｐｅｒｔｕｒｂ－ｏｂｓｅｒｖｅｍｅｔｈｏｄ

Ｌｉｌ，ＸＵ

ＸＩＯＮＧＹｕａｎｓｈｅｎ９１一．ＹＵ

Ｊｉａｎｍｉｎ９１

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００３２，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｘｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｘｉｎｇ３１４００１，Ｃｈｉｎａ）

ｔｈｅＭＰＰ

ｕｓｅｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

ＡＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆＰＶ（ＰｈｏｔｏＶｏｈａｉｃ）ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈａｐｐｌｉｅｓ

Ｃ．Ｖ（ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ）ｍｅｔｈｏｄ

ｔｒａｃｋｉｎｇｗｈｅｎ

ｔｏ

ｔｏ

ａｄｊｕｓｔｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆＰＶａｒｒａｙ

ｏｒ

ｎｅａｒ

（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ）ｆｏｒｆａｓｔ

ｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅＭＰＰ．Ｔｈｅ

ｌｏａｄｓ

ｃｈａｎｇｅｓｕｄｄｅｎｌｙ，ａｎｄ

ＰＯ

（ＰｅｒｔｕｒｂａｎｄＯｂｓｅｒｖｅ）ｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｓｍａｌｌ－ｓｔｅｐ

ｒｅｄｕｃｉｎｇ

ｔｈｅ

ｏｕｔｐｕｔ

ｐｏｗｅｒ

ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ

ａｎｄ

ｐｒｏｐｏｓｅｄ

ＭＰＰｆｏｒｅｆｆｅｃｔｉｖｅ

ａｒｅ

ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎａｒｏｕｎｄ

ＣＶ，ＰＯ

ｍｅｔｈｏｄｓｑｕｉｃｋｌｙ

ｓｉｍｕｌａｔｅｄ

ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄ

ｍｅｔｈｏｄｔｒａｃｋｓｔｈｅ

ＭＰＰｅｘａｃｔｌｙａｎｄａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅ

ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＰＶｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎａｒｏｕｎｄＭＰＰ．

Ｔｈｉｓ

ｐｒｏｊｅｃｔｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄｆｏｒＤｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄＹｏｕｎｇＳｃｈｏｌａｒｓｏｆ

ａｒｒａｙ；ＭＰＰＴ；ｃｏｎｓｔａｎｔ

ｖｏｌｔａｇｅ

ｍｅｔｈｏｄ；ｐｅｒｔｕｒｂ—ｏｂｓｅｒｖｅ

Ｃｈｉｎａ（６０５２５３０４）．

ｍｅｔｈｏｄ；ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

万方数据　

固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制

中应用

作者：

作者单位：

熊远生，俞立，徐建明，XIONGYuansheng，yuLi，XUJianming熊远生,XIONGYuansheng（浙江工业大学,信息工程学院,浙江,杭州,310032;嘉兴学院,机电

工程学院,浙江,嘉兴,314001），俞立,徐建明,yuLi,XUJianming（浙江工业大学,信息工程

学院,浙江,杭州,310032）

电力自动化设备

ELECTRICPOWERAUTOMATIONEQUIPMENT