光伏發電最大功率點跟蹤方法及控制研究

宋 宇，劉 華

(1.吉林電子信息職業技術學院電氣工程學院，吉林吉林132021；2.黑龍江省電力有限公司計量中心，黑龍江哈爾濱150040)

光伏發電最大功率點跟蹤方法及控制研究

宋 宇1，劉 華2

(1.吉林電子信息職業技術學院電氣工程學院，吉林吉林132021；2.黑龍江省電力有限公司計量中心，黑龍江哈爾濱150040)

針對太陽能光伏電池板并網發電轉化效率較低的問題，提出了一種最大功率跟蹤方法，并設計相應的最大功率跟蹤控制器。該方法能夠根據電網電壓的幅值和頻率變化，計算得到最大功率點修正量，并與擾動觀察法得到的最大功率點疊加，完成最大功率點的跟蹤控制。通過仿真實驗表明：改進的方法能夠有效避免誤判，跟蹤時間較短，在最大功率點附近的震蕩減小。與一般擾動觀察最大功率跟蹤方法相比，該方法能夠減弱電網不穩定因素對最大功率點的影響，獲得更加準確的最大功率跟蹤軌跡，滿足電網穩定運行的最佳功率點。

光伏并網發電；最大功率點；跟蹤算法；控制器

太陽能作為一種再生能源，具有清潔性、可再生性和經濟性等特點，得到廣泛的應用。太陽能利用主要分為光伏、光熱和光化利用，其原理是一種能量轉換過程。其中光伏發電是將太陽能轉換成電能進行傳輸和使用，是一種新的發電模式，具有結構簡單、清潔安全和維護方便的特點。

目前，光伏發電在全球的發展處于起步階段，以德國和日本發展最快，截至2010年歐洲光伏發電量達到3.0 GW，日本達到4.8 GW，預計到2020年，歐洲和日本的光伏發電總量將達到41和30 GW[1]。我國在相關政策的支持之下，光伏發電也取得了長足的進步和發展。根據電力院預測，到2020年，我國光伏發電量也將達到30 GW，但其所占我國發電總量的比例較低。其關鍵原因是光伏發電成本較高，這與光伏發電的效率較低有很大關系[2]。

太陽電池的光伏特性是制約光伏發電效率的主要原因，由于受到光照、溫度和負載的影響，太陽電池的輸出特性表現為非線性模式，光伏電池可以在不同的輸出電壓下工作，但對應的輸出功率有所不同，這里對應存在最大功率點(maximum power point,MPP)[3]。國內外關于最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)技術的研究文獻較多，具有代表性的方法主要有：短路電流法、恒定電壓跟蹤法、擾動觀測法、增量電導法等[4]。通過測量短路電流，并假設短路電流和最大功率點電流成比例關系，得到最大功率點電壓的方法為短路電流法，其不足在于測量短路電流過程中會造成能量的損耗[5]；恒定電壓跟蹤法根據理論計算得到最大功率點，具有結構簡單的特點，但是存在環境變化后不能做到實時變化的缺點[6]；擾動觀察法作為常用的最大功率輸出點跟蹤控制方法，其原理是通過改變占空比，調整輸出功率實現最大功率的逼近，具有較好的實時性，結構也比較簡單，但是在步長調整過程中，存在步長確定困難的問題[7]；增量電導法的原理與擾動觀察法相似，不同點在于增量電導法是通過判斷電壓變化率即電壓變化曲線斜率來調整占空比，實現最大功率點跟蹤，該方法需要引入微分，造成控制算法的復雜性，對硬件要求較高[8]。

以上方法都存在各自的特點和不足，特別是在并網發電過程中，電網用電設備變化帶來的電網不穩定因素對光伏組件最大輸出功率點的影響的研究較少。本文以光伏并網發電為研究對象，考慮并網發電過程中，光伏組件易受電網不穩定、云層、晝夜等變化影響，造成光伏發電功率輸出不穩定、波動性較大的問題，提出通過測量電網電壓的幅值和頻率變化，轉換成最大功率點的修正量，對擾動觀察法得到的最大功率點進行補償，減小由于電網不穩定造成的最大功率點跟蹤誤差的算法。通過仿真實驗表明，本文提出的最大功率跟蹤方法表現出較高的跟蹤精度，在電網不穩定時，能夠快速準確地實現對最大功率點的跟蹤，避免擾動觀察法的誤判現象，且波動性較小，減小了最大功率點跟蹤誤差，控制效果較好。

1 光伏電池理論模型

根據光伏電池特性，將光伏電池模型等效成太陽能與電能的轉換半導體裝置。光伏列陣相當于具有極薄PN截面的二極管，截面與受光面平行，可看成一個電流源串聯一個電阻，并聯一個二極管組成。根據光伏物理定義，光伏輸出特性方程可表示為：

根據光伏列陣模型，在Simulink中搭建光伏電池的仿真模塊，對應的模型參數為：開路電壓22.5 V，最大功率點對應的電壓和電流分別為17.8 V、3.85 A，短路電流為4.5 A。在特定的溫度(25℃)和光強(1 kW/m2)下，光伏列陣最大功率輸出存在唯一點，如圖1所示。

根據文獻[9]，在光強增大過程中，太陽電池的輸出功率提高，隨著光強減弱，I-V特性曲線中，開路電壓基本不變，短路電流變小；開路電壓變化受溫度變化的影響，在溫度上升時，開路電壓降低，而短路電流變化不大。在固定光照下，光伏列陣開路電壓和輸出最大功率與溫度成反比，即隨著溫度上升，開路電壓和輸出最大功率降低；在固定溫度下，光伏列陣的開路電壓在光照變化下變動較小，最大功率隨著光照的減弱而減小。故在外界條件改變下，光伏列陣輸出呈非線性，為發揮光伏電池的最大作用，有必要對最大功率點進行跟蹤控制，以使太陽能得到最大的利用率。

圖1 太陽電池板伏安特性曲線和功率特性曲線

2 光伏系統最大功率跟蹤算法實現

2.1 控制算法

MPPT算法主要有非自尋優與自尋優算法。自尋優算法避免測到復雜多變的外界環境(如溫度、濕度、光照)變化，而對最大功率點的電信號直接測量，避免了系統的復雜程度以及電池光伏特性變化對跟蹤點準確性的影響。擾動觀察法作為本文MPPT算法的基礎，通過改變占空比即電壓(擾動)，使光伏列陣的輸出功率出現較小的變化，通過判斷功率變化與電壓變化方向的一致性，來判斷最大功率點所在一個較小的范圍，即得出的最大功率點在實際最大功率點附近徘徊，其算法流程如圖2所示。

圖2 擾動觀察法

圖3 改進的最大功率跟蹤算法

根據圖3，改進的算法首先對電網的電壓和頻率進行鎖相計算，得到頻率和電壓幅值；第二步根據頻率和電壓幅值計算出對應的功率修正量，在計算過程中，考慮光伏組件的輸出電流，比較電網電流幅值大小，根據以下判別公式判別。在大于并網電流時，采用公式(4)計算得到Δ，其中表示有效值(電網額定電壓)，表示電壓修正系數；反之，當小于并網電流，主要通過電網額定頻率和頻率的修正系數來計算，計算參照公式(5)。

2.2 控制器結構設計

改進后MPPT算法的控制結構設計，是將擾動觀察法得到的最大功率與電網不穩定功率的補償值相結合，構建的一種基于擾動觀察法的光伏發電并網的最大功率跟蹤方法，以實現電網不穩定下的最大功率點的跟蹤發電入網，其控制結構框圖可描述成如圖4所示。

圖4 控制器結構框圖

3 實驗仿真研究

根據圖3中改進最大跟蹤算法流程，在Matlab/Simulink中利用PSB(power system block set)模塊分別對擾動觀察法和本文提出的改進的擾動觀察算法進行仿真模擬，對比兩種跟蹤方法對并網發電光伏系統的最大功率跟蹤效果。

根據步長選取的特點，即步長太大造成跟蹤精度不高、步長太小造成跟蹤時間較長，這里將擾動觀察法中步長(0.001～0.1)選值為0.01，此時仿真效果較為理想。具體參數如表1所示。

表1 太陽電池控制參數

根據擾動控制算法搭建仿真模型，首先不考慮電網電壓不穩定因素的影響，即一般的擾動觀察法最大功率跟蹤，其跟蹤曲線如圖5所示。從圖5可以看出，擾動觀察發對最大功率的跟蹤具有較好的效果，其跟蹤效果是在最大功率處的一個來回波動過程，這是由于擾動觀察法是對比每一步長下對應的功率大小，決定下一步電壓變化所造成，這個過程雖然造成一定的能量損失，但是總的效果較好，跟蹤效率能夠達到97.2%。在此基礎上，加入電網不穩定因素干擾，一般擾動觀察法最大功率跟蹤曲線如圖6所示。

圖5 擾動觀察法跟蹤曲線

圖6 電網不穩定時擾動觀察法的仿真結果

假設在1.003 s時電網出現不穩定現象，根據圖6可以看出，對于電網不穩定，擾動觀察法能夠及時對最大功率點進行跟蹤，但是在追蹤過程中出現誤判現象，且在干擾穩定后狀態出現了較大的震動。根據本文提出的改進擾動觀察法，在考慮電網不穩定因素的影響下，得到如圖7所示的跟蹤曲線。

圖7 電網不穩定時改進擾動觀察法的仿真結果

與圖6相比，在圖7中系統能夠調整輸出功率，排除電網不穩定干擾因素，穩定狀態的波動較小。在應對電網電壓不穩定情況發生時，具有避免誤判或者減小誤判幾率的作用。同時在圖7中還能看出，在電網電壓突然不穩定時能夠快速反應，在較短時間內實現對最大功率點的跟蹤，說明其動態靈敏性較好。綜合來說，改進的擾動觀察法能夠克服光伏發電設備在與電網并網發電過程中，電網不穩定因素帶來的影響，與一般擾動觀察法相比，具有跟蹤速度快、誤判幾率小、最大功率點處波動較小的優點，具有優越的MPPT效果。

4 結論

針對光伏并網發電中電網不穩定性對最大功率點跟蹤效果的影響，本文提出了功率補償模式下改進的擾動觀察法，該方法通過對電網的電壓和頻率進行監控，并對電網電壓的不穩定變化提出了補償功率，與一般擾動觀察法得到的最大功率跟蹤方法結合，實現了對并網發電最大功率點的有效跟蹤。仿真結果表明，相比一般的擾動觀察法，并網電壓不穩定的功率補償機制與擾動觀察法相結合的方法，對最大功率點的跟蹤過程避免了誤判現象，提高了跟蹤精度，縮短了跟蹤時間，同時在最大功率點附近的波動幅值也相對較小，具有較好的MPPT效果。此外，本文控制方案的結構較為簡單，易于實際工程的實現。

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Study of maximum power point tracking method and controller of PV system

According to the low conversion efficiency of photovoltaic panel,a new maximum power point tracking method was presented and the tracking controller of maximum power point was designed.The method could calculate maximum power point correction which was superposed to the power of maximum power point, and complete the maximum power point tracking control.Simulation results show that the improved method can avoid the misjudgment and have short tracking time and low oscillation.Compared with traditional perturbation and observation method,the new maximum power point tracking method can weak the influence of unstable factors on maximum power point.Meanwhile,it can achieve more accurate tracking of maximum power point and satisfy the best power point of power grid.

grid-connected PV;maximum power point;tracing algorithm;controller

TM 914

A

1002-087 X(2016)06-1247-04

2015-12-18

國家自然科學基金(50977081)

宋宇(1966—)，女(滿族)，吉林省人，正高級工程師，主要研究方向為電氣工程及自動化。