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光伏系统最大功率点跟踪控制算法的研究

发布时间:

第 44 卷第 3 期 2010 年 3 月

电力电子技术

Power Electronics

Vol.44 , No.3 March 2010

基于功率*衡原理的最大功率点算法实现
张 超 1, 赵德安 1, 何湘宁 2
212013 ; 2. 浙江大学, 浙江 杭州 312027 )
(1. 江苏大学, 江苏 镇江

摘要:最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ,简称 MPPT )控制电路及控制方法是提高光伏器件利用效果的 有效手段,但是检测光伏器件输出端电压、电流的传感器增加了硬件电路的成本和体积。 从功率*衡角度对逆变器 工作电流与光伏器件输出功率之间的关系进行分析,结果表明控制系统逆变器的输出电流可实现光伏器件的 MPPT 控制。 由于该方法利用了逆变器并网工作所必需的检测信号,从而避免了对光伏器件输出信号的检测,降低了成本。 实验结果验证了该方法的有效性。 关键词:光伏器件; 逆变器; 功率*衡; 最大功率点跟踪 中图分类号:TM615 文献标识码:A 文章编号:1000-100X (2010 )03-0004-02

Implemention of MPPT Based on Power Equilibrium
ZHANG Chao1, ZHAO De-an1, HE Xiang-ning2
(1.Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China ; 2.Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China )

Abstract:Maximum power point tracking (MPPT ) is used widely to improve the efficiency of PV power system.However , the transducers which are used to measure the output voltage and current of PV module increase the cost and volume of PV system.This paper analyzes the relation of the output current of inverter and the power of PV module based on power equilibrium theory and draws a conclusion that MPPT can implemented by controlling the output current of inverter.This method can move the PV system to MPP without measuring the parameters of PV module.The experimental results verify the proposed MPPT method is available. Keywords :photovoltaic ; inverter ; power equilibrium ; maximum power point tracking Foundation Project:Supported by Jiangsu University Senior Personnel Activated Fund (No.07JDG068 )

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流与光伏器件输出功率之间的关系进行了研究,结 果表明,在并网发电系统中,并网逆变器输出电流的 最大有效值对应于光伏器件的最大输出功率, 亦即 光伏器件输出最大功率的控制可等效为逆变器输出 电流有效值的控制。 由于该方法所用信号均为逆变 器并网工作所必备, 因此无需对光伏器件输出端进 行信号检测,降低了检测电路成本。实验结果验证了 该方法的有效性。

世界性能源危机的加重促进光伏发电快速发 展。光伏电池的价格较高,且光伏器件输出功率是外 部环境,如日照强度、电池板温度以及负载的非线性 函数, 为确保在不同外部环境下光伏器件均能输出 最大功率,最大功率点跟踪(MPPT )电路已成为光伏 发电系统必不可少的组成部分。

MPPT 控制的常用方法有固定参数法、扰动观察
法和导纳增量法。 其中固定参数法只需对光伏器件 输出端电压、电流之一进行采样,硬件电路及算法简 单,但控制效果较差;后两种方法控制效果较好,但 用于检测光伏器件输出电压和电流的传感器增加了 电路的复杂程度, 同时检测电路消耗的功率降低了 系统效率[1]。 针对上述情况,提出了单传感器技术,它 利用电路工作特性,通过光伏器件输出电压(电流) 计算光伏器件的输出电流(电压),从而仅利用一个 传感器即实现了扰动观察法或导纳增量法。 该方法 比固定参数法控制效果明显提高, 但电路参数需精 确测量,计算复杂等缺点限制了其应用[2-3]。 鉴于此, 对光伏并网发电系统中逆变器输出电
基金项目:江苏大学高级专业人才科研启动基金(07JDG068 ) 定稿日期: 2009-09-16 作者简介:张 超(1973- ),男,江苏徐州人,博士,讲师,研究 方向为电力电子与光伏发电系统。

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光伏器件最大功率点跟踪控制原理

图 1 示出光伏器件在不同外部环境下的 I-V 及 P-V 曲线。 该图表明,在同一外部环境下,光伏器件 输出功率与外部负载大小有关, 当外部负载与器件 实现阻抗匹配时,光伏器件输出唯一的最大功率。

图1

光伏器件特性曲线

光伏器件输出电流与外部环境间的表达式为:

IPV=Is-I0 exp

# ! q U "1 $ AKT
PV

(1 )

式中:UPV,IPV 为光伏器件输出端电压、 电流;Is 为光伏器件的 短路电流,也称光生电流;I0 为 PV 器件 内 部 等 效 二 极 管 反 向 饱和电流;T 为光伏器件温度;q ,A ,K 为固定参数。

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基于功率*衡原理的最大功率点算法实现

该式表明光伏器件的输出功率是其输出端电 压、器件温度的非线性函数,因此线性控制理论不适 用于光伏器件 MPPT 控制。 图 1b 表明,外部环境稳定时,在最大功率点两 侧 ΔP/ΔU 正负相反, 据此可实现光伏器件的 MPPT 控制,即扰动观察法的工作原理。图 2 示出采用扰动 观察法的两级式光伏并网发电系统的电路, 它由

出功率调节, 对于图 2 所示系统,DC/DC 电路不再 用于 MPPT 控制, 而仅用于直流母线电压的提升和 稳定。 同时,在不同外部环境下,最大输出功率对应 的光伏器件输出端电压基本稳定。 即系统所连接的 光伏模块型号确定后, 光伏器件工作在最大功率点 时,即使 DC/DC 的占空比不变,直流母线电压 幅 度 变化也不大, 能够满足后级逆变器的工作需要。 因 此,VSw 的占空比为定值,该电路只用于将光伏器件 输出电压提升, 为后级逆变器并网工作提供稳定的 直流母线电压。 图 4 示出基于功率*衡原理的 MPPT 算法工作 框图。 由图可见,在控制过程中,系统仅对直流母线 电 压 和 逆 变 器 输 出 电 流 最 大 值 进 行 采 样 ,MPPT 控 制与逆变器工作紧密联系,而与 DC/DC 电路无关。

Boost 电路和逆变器构成。 其中,DC/DC 电路中功率 器件 VSw 的占空比根据 MPPT 控制算法改变, 控制
光伏器件的输出功率; 同时它还对直流母线电压进 行 调 整 ,使 其 稳 定 在 一 定 范 围 内 ,保 证 后 级 DC/AC 并网逆变工作 [4]。 由图可见,扰动观察法需要检测光 伏器件的输出电压和电流, 同时 MPPT 控制与后级 电路控制状态相互耦合,增加了控制难度。

图2

两级式光伏并网发电系统 图4 基于功率*衡原理的 MPPT 控制框图

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基于功率*衡的 MPPT 控制算法
由于电网容量*似为无穷大,其电压基本不变,

具体工作过程如下: (1 )在 π/2 以及 3π/2 处,通 过 锁 相 环 电 路 检 测 逆变器峰值电流 Io 和 Udc。 (2 )比较 Udc 与设定直流母线电压,如果超出设 定值,表明此时光伏器件工作在电压源区域,控制器 增加逆变器给定电流参考值, 使光伏器件逐步从电 压源模式移向最大功率点。 (3 )反之,表明光伏模块工作在电流源区域。 若 逆变器输出电流逐步增加, 表明光伏器件仍未达到

通常逆变器并网工作采用电流控制实现, 具体工作 原理见图 3。 假设图 2 电路均为理想器件,电路自身 消耗功率为零。在稳定工作状态下,系统处于功率* 衡状态,PPV 等于系统向电网输送的功率 Po,L1,L2 的 电流有效值 IL1,IL2 及直流母线电压 Udc 均维持不变。

图3

两级式光伏并网发电系统工作原理

最大输出功率点,此时应增加逆变器参考电流,以提 升光伏器件输出功率,该控制过程工作原理见式(3); 同理,当逆变器输出电流逐步减小时,应降低逆变器 参考电流,以实现光伏器件最大输出功率控制。 (4 )重复上述步骤直至采样电流最大,此时光伏 器件工作在最大功率点,直流母线电压在设定范围。 (5 )当日照发生突变时,功率*衡状态被破坏 。 若日照突然增加, 逆变器输出功率低于光伏器件提 供功率,多余的能量存储在直流母线电容中,导致母 线电压增加;反之,当日照突然下降会导致直流母线 电压下降。控制器通过上述过程,可使光伏器件重新 工作在最大输出功率状态。 上述分析表明, 基于功率*衡的 MPPT 控制算 法是通过比较逆变器输出电流的峰值实现光伏器件 输出功率调节的, 每个工频周期内至多只能对参考 电流调整两次(正负半周各一次),对外部环境变化 的跟踪调节速度低于扰动观察法或导纳增量法。 但 对于并网的光伏发电系统,电网相对稳 (下转第 11 页)

3.1

工作原理

Udc 稳定时,光伏发电系统 DC/AC 逆变电路中: (2 ) Udc=ug+L2 diL2 +iL2r dt
式中:ug 为电网电压;L2,r 分别为滤波器电感和电路中等效内 阻;iL2 为负载电流。

对式(2)两端积分并变换,可得输出功率有效值 与逆变器输出电流的关系:
2 (3 ) PPV=Po=rio2+ugio 圯 io= 姨4rPPV+ug -ug 2 上式表明,对于图 2 所示的发电系统而言,当 ug

稳定时, 逆变器输出电流有效值随光伏器件输出功 率的增加而上升。因此,光伏器件最大输出功率控制 可等效为逆变器输出电流最大有效值的控制。 实际 工作中,为提高跟踪速度,可通过控制输出电流峰值 来实现上述控制方法。

3.2

算法实现 控制逆变器的输出电流即可实现光伏器件的输

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神经网络滞环控制电梯能量回馈并网系统设计

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实验结果分析
结合上述并网控制策略, 对设计的电梯能量回

中,形成了基于神经网络的电流滞环控制方法。利用

TMS320F2407 的高速运算能力, 进行 BP 网络算法
的运算,得到控制信号,驱动逆变回路的开*骷 实现电梯再生能量回馈电网。 实验证明该能量回馈 器实现了单位功率因数能量回馈, 输出电流*似正 弦波,且系统响应时间快,鲁棒性能好,具有很强的 抗干扰能力。将此能量回馈系统运用于实际电梯中, 完全能达到节能的目的。

馈并网控制器进行了实验,具体的实验参数如下:开 启母线电压 680 V,工作母线电压 630 V,载 波 频 率 为 5 kHz 。 主要实验波形如图 5 所示。

参考文献
[1]
图5 三相电流响应波形 李 人 厚 . 智 能 控 制 理 论 和 方 法 [M]. 陕 西 :西 安 电 子 科 技 大 学出版社,1999. 黄 声 华 ,刘 承 锡 ,吴 晨.全 可 控 能 量 回 馈 器 的 研 制 与 应

[2] [3]

由图 5a 可知,该控制方法的电流响应稳定,系统 鲁棒性能好,具有很强的抗干扰能力。 由图 5b 可知, 运行的前几个周期,由于母线电压尚未达到开启电压

用 [J]. 电力电子技术,2006 ,40 (6 ):54-57. 顾 和 荣 ,杨 子 龙 ,邬 伟 扬 . 并 网 逆 变 器 输 出 电 流 滞 环 跟 踪 控 制 技 术 研 究 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 ,2006 ,9 (26 ):108-

680 V,电梯的能量回馈器没有工作,输出电流为零, 系统调节时间约为 18 ms。当回馈器进入稳态运行时, 输出电压电流波形反向,功率因数达到 0.99,且电流
波形*似于正弦波,满足系统设计的要求。

113. [4] Zare F ,Ledwich G.A Hysteresis Current Control for SinglePhasemultilevel Voltage Source Inverters :PLD Implementation [J].IEEE Trans. on Power Electronics , 2002 , 17 ( 5 ): 731-738. [5]
吴 雷,付焕森,韦 凯,等 . 基于模糊神经网络的感应加 热电源机组研究 [J]. 电力电子技术 .2007 ,41 (12 ):93-96.

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系统将神经网络控制运用到电梯能量回馈系统

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(上 接 第 5 页 ) 定,影响输出功率跟踪控制的主要是外

变器输出电流可提高光伏器件的输出功率, 当逆变 器输出电流最大时(电流峰值)对应着光伏器件最大 输出功率。对于两级式光伏并网发电系统,通过固定

部环境, 而外部环境变化速度远低于电路内部调整 速度。 以文中方法为例,假设日照强度从 400 W/m2 变化到 800 W/m2 的时间为 1 s , 参考电流可以调节

DC/DC 电路的占空比,使其仅用于直流母线电压的
提升;通过控制后级逆变器的输出电流,实现光伏器 件的最大功率点跟踪控制。 该方法无需对光伏器件 输出端进行采样, 所需的控制信号均为逆变器并网 工作所必需的, 因此能显著降低检测设备的成本和 电路体积;此外,对于相对较慢的日照变化,该方法 完全能够及时实现最大功率点的跟踪控制。

100 次,足以响应日照变化速度实现 MPPT 控制。

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实验结果与分析
为验证该方法的有效性,对其进行了实验验证。

图 5 示出所提控制方法下的逆变器输出电流实验波 形。 光伏器件参数和电路结构与仿真条件相同。 在

MPPT 控 制 方 法 下 , 由 图 5a 所 示 系 统 启 动 波 形 可
见, 光伏器件输出功率随着逆变器输出电流的上升 而增加; 图 5b 为逆变器达到峰值电流输出波形,此 时表明光伏器件工作在最大功率点。

参考文献
[1] Esram T,Esram T,Chapman P L.Comparison of Photo-voltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques [J]. IEEE Trans. on Energy Conversion ,2007 ,22 (2 ):439-449. [2] Dasgupta N,Pandey A,Mukerjee A K.Current-sensor-based Photovoltaic MPP Tracking Algorithm with Efficient Dy namic Response[A].IEEE International Conference on In dustrial Technology[C].2008 :1-6. [3] Rahim Nasrudin Abd,Rahim Nasrudin Abd,Selvaraj Jeyraj, et al.Hysteresis Current Control and Sensorless MPPT for Grid-Connected Photovoltaic Systems[A].IEEE International Symposium on Industrial Electronics[C].2007 :572-577. [4]
汪 海 宁 ,苏 建 徽 ,丁 明 ,等 . 光 伏 并 网 功 率 调 节 系 统 [J]. 中国电机工程学报,2007 ,27 (2 ):75-79.

图5

实验波形

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从功率*衡角度对光伏并网发电系统中逆变器 工作状态与光伏器件输出功率之间的关系进行分 析,结果表明,在外部环境稳定条件下,通过增加逆

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