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光伏电源系统最大功率点跟踪控制方法的研究

发布时间:

第 43 卷第 9 期 2009 年 9 月

电力电子技术

Power Electronics

Vol.43 , No.9 September 2009

光伏电源系统最大功率点跟踪控制方法的研究
王兴贵, 刘 健
730050 )
(兰州理工大学, 甘肃 兰州

摘要:光伏电池本身具有一定的非线性和时变性,因此无法建立精确的数学模型。 鉴于此,提出将模糊控制应用到光 伏 发 电 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 (Maximum Power Point Tracking ,简 称 MPPT )控 制 中 ,并 采 用 Cuk 变 换 器 实 现 MPPT 功 能。 模糊控制能快速响应外界环境的变化,使光伏系统始终工作在最大功率点,提高了光伏系统的效率。 实验结果表 明,基于模糊控制的方法可有效消除最大工作点处的振荡现象,提高了系统的稳定性。 关键词:电源; 跟踪 / 光伏电池; 模糊控制 中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:1000-100X (2009 )09-0038-02

Research on Control Method of Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Power System
WANG Xing-gui , LIU Jian
(Lanzhou University of Technology , Lanzhou 730050 , China )

Abstract :As the photovoltaic cell has characteristics such as non-linear ,time-varying and can not establish a precise mathematical model ,the fuzzy control is applied to maximum power point tracking (MPPT ) control of photovoltaic power generation system ,and the Cuk converter is used to achieve MPPT.Fuzzy control can respond quickly to changes in the external environment ,makes the photovoltaic system always be working in the maximum power point ,improves the effi ciency of the photovoltaic system.The simulative results show that the fuzzy control can effectively eliminate the oscillation while operating at the maximum power point and improve the system stability. Keywords :power ; tracking / photovoltaic cell ; fuzzy control Foundation Project:Supported by Natural Science Foundation of Gansu Province (No.3ZS042-B25-001 )

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图1 光伏电池等效电路

当前,在所有可再生能源中,太阳能做为公认的 理想替代能源得到了广泛应用。 但由于光伏电池具有 明显的非线性特性,为实现光伏发电系统的功率输出 最大化, 需对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪。 最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ,简 称 MPPT )的 方 法 有 很 多 ,如 恒 定 电 压 控 制 法 、扰 动 观测法、导纳增量法等 [1],但不同的方法在实际使用 中存在不同的优缺点。 为了充分利用光伏电池的能 量, 合理地处理好控制精度与速度之间的矛盾,在 光伏电池的输出特性方程 [2]为:

I= dP =IL-Io exp dU

q - # ! (U+IR ) "1 $ U+IR AKT R
s sh

s

(1 )

式 中 :IL 为 光 生 电 流 ;Io 为 反 向 饱 和 电 流 ;q 为 电 子 的 电 荷 量 (1.6×10-19);K 为玻耳兹曼常数;T 为光伏电池温度。

光伏电池阵列输出具有非线性特征, 且受光照 强度、环境温度和负载情况的影响。在一定的光照强 度和环境温度下, 光伏电池可工作在不同的输出电 压,但只有在某一输出电压值 Um 时,光伏电池的输 出功率才能达到最大值 Pm,这时光伏电池的工作点 就达到了输出功率 - 电压(P-V )曲线的最高点,即最 大功率点,如图 2 所示 [3]。

MPPT 系统中引入了模糊控制。 光伏电池在所处环
境发生变化时可快速跟踪最大功率点的变化, 使光 伏系统始终输出最大功率, 并有效消除系统在最大 功率点附*存在的振荡现象,提高了系统的稳定性。

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光伏电池的特性分析
目前光伏系统中使用的太阳能电池多为硅太阳

电池,图 1 示出其等效电路。理想光伏电池的等效串 联电阻 Rs 很小,而等效并联电阻 Rsh 很大,但对单晶 硅或者多晶硅光伏电池而言,它们均可忽略不计。
基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS042-B25-001 ) 定稿日期: 2009-02-24 作 者 简 介 :王 兴 贵 (1963- ),男 ,甘 肃 甘 谷 人 ,教 授 、硕 士 研 究 生导师,研究方向为电气自动化。 图2 光伏电池的 P-V 特性曲线

由图可见,太阳电池的输出功率受日照强度、电 池温度等因素的影响。当日照强度增加时,太阳电池

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光伏电源系统最大功率点跟踪控制方法的研究

的开路电压变化不大,短路电流增加明显,最大输出 功率增加; 当温度增加时, 太阳电池的开路电压下 降,短路电流略有增加,最大输出功率减小。

论域为 {-5 , -3, -2 , -1,0,1,2,3,5},其中 NB,NS,ZE, PS,PB 分别对应于负大、负中、零、正中、正大,ΔD(n) 在该模糊集上的论域为 {-12, -7, -4,0,4,7,12},图 4 示出隶属度函数。 模糊控制规则应用 IF-AND-THEN 规则,其控制表如表 1 所示。

3 MPPT 原理和控制方法
3.1 MPPT 原理 MPPT 的实现实质为一动态自寻优过程,其控制

策略为实时检测光伏阵列的输出功率, 采用一定的 控制算法预测当前情况下光伏电池可能的最大功率 输出, 通过改变当前阻抗来满足最大功率输出的要 求。 这里采用了图 3 所示的 Cuk 升降压变换电路。
图4

e (n ),Δe (n )和 ΔD(n )的隶属度函数 表 1 模糊规则表 NB PB PB NS NB NB NS PB PS NS NS NB ZE PS PS ZE NS NS PS PB PS PS NS NB PB PB PB PS NB NB

ΔD e
图3

Δe

Cuk 升降压变换电路

Cuk 斩波电路输入电源电流和输出负载电流都
是连续的,脉动很小,且 Cuk 斩波电路能量的储存和 传递同时在两次开关动作期间和两个回路中进行, 这种对称性使变换器效率很高。 当 VT 处于通态时,

NB NS ZE PS PB

Uin-L1-VT 回路和 Uo-L2-C1-VT 回路分别流过电流;当 VT 处于断态时,Uin-L1-C1-VD 回路和 Uo-L2-VD 回路分 别流过电流。 Cuk 电路输入、输出电压的关系为: (2 ) Uo= D Uin 1-D 由于 Cuk 变换器的负载为蓄电池,Uo 的值将被 箝位于蓄电池两端的电压。 则 Uin 由 VT 的占空比 D 确定,通过控制 D 就能找到光伏电池最大功率点的 电压值 Uin 和电流 Iin,此时光伏输出功率最大。 3.2 MPPT 算法与实现
针对光伏电池本身具有一定的非线性和时变 性,无法建立精确的数学模型等特征,在此将模糊逻 辑控制应用到光伏发电系统的 MPPT 控制, 模糊控 制能快速响应外界环境的变化, 使光伏系统始终工 作在最大功率点,提高光伏系统的效率。 由式(1)可知 dP/dU 是输出电压的单调函数,随 着输出电压的增加,dP/dU 缓慢下降,且在输出功率 最大点附*下降速度加快, 在最大功率点该值等于 零; 随着输出电压进一步增加,dP/dU 变为负值,由 于输出电压不同时 dP/dU 的大小和变化率不同,因 此可根据 dP/dU 的大小和变化率调节 PWM 的占空 比 D ,以改变太阳能电池输出电压,进而改变光伏系 统的最大功率点。 模 糊 控 制 器 两 个 输 入 分 别 是 误 差 e (n)和 误 差 变化 Δe (n),输 出 为 MPPT 电 路 中 开 关 器 件 占 空 比 的改变量 ΔD (n)。 e(n)和 Δe(n)的表达式为: e(n)= Pph(n)-Pph(n-1 ) , Δe(n)=e(n)-e(n-1 ) (3) Uph(n)-Uph(n-1 )
式中:Pph 和 Uph 分别为光伏电池输出功率和输出电压。

对于给定的 e (n )和 Δe (n ),模糊控制器通过玛 达尼极大极小值推理法进行推理得到 ΔD (n )。 首先 得到某时刻 e 和 Δe 的值, 再根据事先设定的隶属 度函数曲线得到它们的隶属度,然后由逻辑规则校 正 表 得 到 ΔD (n ) 的 隶 属 度 , 最 后 通 过 去 模 糊 化 过 程,并采用重心法算出状态输出的精确量。 重心法 的表达式为:
M

ΔD(n)=ΣΔDiwi
i=1

/ΣΔw
i=1

M

i

(4 )

ΔD(n)与 D(n)的关系为:D(n)=D(n-1)+ΔD(n)。

4

光伏系统硬件电路结构

图 5 示出系统原理框图。 太阳能电池板 PV 通 过模糊控制对蓄电池进行充电, 再经过三级*私 构(DC/AC/DC/AC )使系统输出 220 V 工频单相交流 电。 由于 PV 阵列的直流侧电压较低,要得到 220 V 的交流电需要升压变压器进行升压, 但由于工频升 压变压器体积大、效率低、价格也较贵,所以系统采 用三级*私峁购透咂悼丶际跏迪帜姹洌 应用高 频变压器进行升压,大大减小了系统体积,减轻了系 统重量,提高了整体的效率 [4]。

图5

光伏电源系统原理框图

图 6 示出三级*私峁埂 其前级升压电路采用 推挽结构 [5],工作 频 率 为 50 kHz ,将 PV 方 阵 输 出 的 24 V 直流电高频逆变为交流方波,又经过高频变压 及整流滤波得到高压直流电, 再通过工频逆变电路 实现逆变得到 220 V/50 Hz 交流电。
(下转第 49 页)

e(n)和 Δe(n)在模糊集 {NB,NS,ZE,PS,PB}上的

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基于 LonWorks 技术的路*谀芸刂葡低

从而使整条道路上路灯的耗电量为全功率运行时的

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80% ; ③ 中级节能模式, 所有路*虢谀茉诵凶
态, 从而使整条道路上路灯的耗电量为全功率运行 时 的 60% ; ④ 高 级 节 能 模 式 ,奇 数 盏 路 灯 进 入 关 闭 状态,偶数盏路*虢谀茉诵凶刺佣拐醯 路上路灯的耗电量为全功率运行时的 30% ; ⑤ 特殊 模式,出现特殊情况时,可灵活地让其中某一盏或多 盏指定的路灯开启或关闭。

提出了一种串电感调电压的路*谀芊椒 , 该 方法对灯具的寿命和电网无不良影响; 并结合

LonWorks 电力载波技术,研制出路*谀苤悄芸刂
节点装置,该装置具有良好的节能效果,可利用原有 的路灯镇流器,无需另外布线;所开发的路*谀芗 控系统具有预先设定路灯运行状态日程表、 对路灯 进行单点或批量远程操作、 远程实时监控各路灯的 运行状态、路灯故障报警等功能。该路*谀芸刂葡 统在某校园路灯上全面应用时,每年可节约 20 万千 瓦时的用电量,节能效果显著。

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系统实现
上述路*谀芸刂葡低骋言谀陈范瓮度朐诵 。

该 路 段 路 灯 的 照 明 时 间 为 18∶30~6∶30 , 每 天 照 明 12 个小时。 由 于 傍 晚 时 分 该 路 段 人 流 和 车 流 都 较 大, 可采用全功率运行模式以保证充足照明亮度。

参考文献
[1] [2] [3] [4]
马 谢 莉 . 智能控制与 LON 网络开发技术 [M]. 北京:北京航 勇,袁开见 .HID 灯的控制与驱动电路 [J]. 电力电子技 空航天大学出版社,2003. 术,2007 ,41 (10 ):52-54. 刘 晓 胜 ,刘 芳 德 ,戚 家 金 . 城 市 路 灯 监 控 系 统 的 分 布 式 体 系结构设计 [J]. 电力电子技术,2007 ,41 (10 ):18-21. 高 金 辉 ,申 杰 奋 ,杨 军 * . 低 压 电 力 线 载 波 通 信 干 扰 因 素 的 解 决 方 法 [J]. 河 南 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ),2007 ,

22∶00 以后人流车流都大幅减小, 可采用中级节能 模式。 虽然实验显示中级节能模式能节省 40% 的电 能,但由于 0∶00 后电网电压一般会升到约 230 V ,即 电源电压提高了 5% , 路灯的功耗也提高了 10.2% , 实际上在 0∶00~6∶30 之间节电量只有约 30% 。 经过
实际运行测试, 路灯每天的实际耗电量为节能前的

77.1%,节能比例达到 22.9%,节能效果十分显著。
在系统调试过程中, 发现由于电力线网络带宽 的有限性容易造成系统的通信堵塞, 而通信堵塞时 可能会出现某一节点与监控计算机通信不畅, 但与 其他节点仍可正常通信的情况, 此时采用分时传输 和中继方法可以较好地解决这个问题 [4-5]。

35 (2 ):89-92. [5] Cho S,Dhinqra V.Street Lighting Control based on LonWorks Power Line Communication [A].IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications ’ 2008[C].Jeju Island ,Korea ,2008 :396-398.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (上接第 39 页)
6
结 论
光伏电池具有一定的非线性和时变性,许多参 数都是不确定量, 因而无法建立其精确的数学模
图6

DC/AC 三级*私峁

型。 在此应用模糊控制方法实现 MPPT 控制。 从实 验结果可见,模糊控制可以在外界环境剧烈变化的 情况下快速跟踪光伏电池的最大功率点,并能克服 最大功率点附*的功率振荡现象。 由于模糊控制本 身 具 有 鲁 棒 性 ,因 此 在 系 统 参 数 发 生 变 化 时 ,仍 然 具有较好的控制效果,完全适用于光伏发电系统的

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实验结果

采用上述方案研制了 1 kVA 光伏电源。 实验采 用 8 块 12 V ,120 W 光伏 电 池 、2 块 12 V ,100 Ah 蓄 电组和 4 台负载 175 W 探照灯。 实验参数:输入为 直流 24 V ,经推挽式电路逆变为 24 V 方波,再经过 高频变压器升压为 330 V 交流电, 整流滤波后得到 330 V 直流电,通过 SPWM 逆变得到 220 V/50 Hz 的 工频交流电。 实验通过将模糊算法的逻辑关系利用

MPPT 控制。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5]
赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等 .太阳能光伏发电及其应用 [M]. 北京:科学出版社,2005. 苏 建 徽 ,余 世 杰 ,赵 沈 辉,祖 为 ,等 . 硅 太 阳 电 池 工 程 用 数 学 模 型 [J]. 太 阳 能 学 报 , 2001 ,22 (4 ):409-412. 勤 . 太阳能光伏发电技术 [M]. 北京:化学工业 俊 . 电 力 电 子 技 术 [M]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 出版社,2005. 王 兆 安 ,黄 社,2000. 赵 宏,潘俊民 . 基 于 Boost 电 路 的 光 伏 电 池 最 大 功 率 点

C 语言调试, 并采取查表方式嵌入 TMS320LF2407 中,测得的实验波形较为理想,如图 7 所示。

图7

实验结果

跟踪系统 [J]. 电力电子技术,2004 ,38 (6 ):55-57.

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