光伏發電有功功率的控制

姜茂林 李君妍 盧子潤

摘要：太陽能作為最具潛力的綠色能源之一，尤其是太陽能光伏發電在近些年來引起較大關注及快速發展。但其本身仍存在著一些缺點，如一次投資成本高、供電穩定性差等。本文在分析常用最大功率點跟蹤控制方法原理和優缺點的基礎上，提出了一種改進變步長電導增量的控制方法，比起常用方法，該方法更能快速穩定精確地跟蹤。同時也在Matlab環境下搭建了帶有功率控制器的光伏發電系統仿真模型，對所提改進變步長電導增量的MPPT控制方法與定功率跟蹤控制方法進行了驗證，仿真結果證明了所提控制方法的有效性。

關鍵詞：太陽能光伏發電；最大功率點跟蹤；改進變步長電導增量法；Matlab

Photovoltaic power generation active power control

Abstract：As one of the most promising green energy sources，solar energy，especially solar photovoltaic power generation，has attracted great attention and rapid development in recent years. However，it still has some shortcomings，such as high investment cost and poor power supply stability. Based on the analysis of the principle，advantages and disadvantages of the commonly used maximum power point tracking control method，this paper proposes a control method to improve the variable step size conductance increment. Compared with the common methods，this method can track the fast，stable and accurate. At the same time，the simulation model of photovoltaic power generation system with power controller is built in Matlab environment. The MPPT control method and the fixed power tracking control method for the improved variable step size conductance increment are verified. The simulation results prove the proposed The effectiveness of the control method.

Key words：Solar photovoltaic power generation；maximum power point tracking；improved variable step size conductance increment method；Matlab

引言

作為20世紀人類文明高速發展的動力之源，化石能源面臨著前所未有的危機。一方面不斷增加的能源需求，造成了化石能源儲藏量不斷下降。另一方面，化石能源使用后所產生溫室效應，導致了全球變暖等環境問題。化石能源利用過程中產生的問題，引發了人們對未來社會能源種類和結構廣泛關注和思考。在此背景下，新的能源替代轉型方興未艾。世界能源結構正在從高二氧化碳排放的化石能源轉向更為清潔的太陽能、風能和水能等可再生能源和清潔能源。

目前，我國有功調度采取的是節能調度的模式，即全額收納包括光伏發電在內的新能源，以環保利益最大化作為調度的指導方針。節能調度的模式可以保證系統對光伏發電的最大化消納。但是由于該方式無法提供明確的價格信息引導，雖然在光伏電源建設初期可以起到促進作用，但過度地刺激會造成了光伏投資的無序增長。同時，在全額收納的調度模式下，系統需要獨立解決光伏發電功率波動的問題，增加了系統的調頻壓力。特別是在系統有功調節能力的不足的地區，系統被迫采取棄光、棄風等手段。如我國西北地區，光伏利用多采用大規模光伏電站的建設模式，由于系統負荷結構的原因，造成光伏電量無法就地消納。同時又受到外送通道容量限制，導致棄光、棄風頻繁出現。針對上述問題，現有解決問題思路主要包括通過合理制定光伏發電的發展規劃，改變光伏發電投資的無序局面，或者通過對光伏發電隨機波動性進行研究，在電力系統現有調頻能力的框架下，解決光伏波動問題。

本文主要是針對光伏電站有功功率控制策略進行分析。目前光伏電源能源利用率較低、供電穩定性與可靠性也不高。光伏系統的最大功率點跟蹤方法可以最大限度地利用光伏電池所產生的直流電能，因此是為提高光伏發電系統運行效率、降低光伏電能成本的研究熱點。同時，隨著光伏并網技術的逐步成熟，提高光伏電能質量、保證光伏并網系統穩定運行的理論與方法研究可為光伏電能的全面應用奠定理論基礎，所以光伏發電系統定功率跟蹤控制方法的研究非常必要。通過最大功率點跟蹤控制可以提高能量轉換率，充分利用太陽能資源。同時，由于電能的不可大量存儲性，在低負荷情況下，通過定功率跟蹤控制可以實現提高供電穩定性。

1 實驗及方法

1.1 最大功率追蹤點模式

最大功率追蹤點模式，即光伏電站按照電網的調度機構下發的調度指令投入或者退出相應的功率控制模式，各模式可以同時選擇多個模式進行投入。在該模式下，將光伏發電站的額定容量作為控制曲線中相關時刻點的功率值，確保光伏發電站出力保持最大出力跟蹤，不采取限出力措施。

1.2 光伏發電最大功率點跟蹤控制

光伏電池具有明顯的非線性輸出特征，并且其輸出受光照強度、環境溫度影響較大。在光照強度和環境溫度一定時，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，而是一種非線性直流電源，但每一時刻都存在著唯一的最大功率點，從能源利用率角度考慮，光伏電池輸出功率越大，所利用的直流電能越多，能源利用率也越高。要提高光伏發電系統的整體效率、降低電能成本，一個重要的途徑就是實時調整光伏模塊的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程稱為最大功率點跟蹤，我們則通過這一方法對功率進行跟蹤控制，從而提高供電穩定性。

獨立的小型光伏發電系統中，在儲能能量達到最大，光伏出力大于負荷時，多于的出力可能影響電能質量，此時需要減小光伏出力，根據負荷曲線定功率控制。光伏并網系統中，在系統調頻、調峰等特定情況下，調度可能要求光伏電站短時間運行于定功率控制狀態。

1.3 改進的變步長電導增量法

本研究提出了變步長電導增量的思想，其數學模型如式1所示，通過設置合適的系數A，使其兼具較高的跟蹤精度和可變的步長。從圖P-U曲線可以看出，當dP/dU>0時，曲線上升越慢斜率的絕對值越小；但當dP/dU<0時，曲線下降斜率的絕對值較上升時大的多，即所得步長是上升時的幾倍。由于最大功率點兩側的不對稱性，在最大功率點右側可能因為調節步長過大直接跳到左側，從而產生較大振蕩。

選取適當步長，首先判斷系統運行在最大功率點左側還是右側，若在左側，則增大電壓以快速地運行在最大功率點右側；若已經運行在右側，對其進行定功率的準確控制。本文所提方法基于改進電導增量法，利用左右兩側斜率絕對值之比約為4：1，若在左側，則以較大步長快速的跟蹤到右側，以保證系統不會運行于不穩定平衡點；若已經運行在右側，則以較小步長準確跟蹤，從而實現定功率的快速跟蹤。

直流/直流（DC/DC）轉換采用Boost升壓斬波電路進行轉換，充分利用其升壓性質、儲能電感位于輸入側、輸入電流脈動小、輸出容量大等特點。功率控制器以單片機為控制核心，根據電池板輸出電壓與電流值，通過單片機芯片控制高頻開關IGBT的占空比，進而實現對最佳工作點的跟蹤。

改進的變步長電導增量MPPT控制方法的控制流程具體步驟如下：

步驟一：首先對當前光伏陣列進行采樣，采樣當前電流值In與電壓值Vn，同時快速計算出當前輸出功率Pn。

步驟二：比較當前時刻與前一時刻的電壓值，初次啟動時前一時刻初值Vb為零。若當前時刻與前一時刻電壓值相等時，認為該點為最大功率點所對應電壓，否則進入下一步驟。

步驟三：比較當前時刻與前一時刻的輸出功率值，若相差較小，說明該時刻的電壓在最大功率點所對應電壓附近，下次變化時應減小步長，以此避免在最大功率點附近大幅度振蕩；若相差較大，表明該時刻的電壓偏離最大功率點所對應電壓較大，應以較大步長以快速追蹤到最大功率點附近，此時考慮到在最大功率點兩側所對應斜率絕對值相差數倍，應用先驗結論，即在最大功率點右側的斜率值約是左側斜率絕對值的4倍，使在左側較遠處的步長為右側較遠處的4倍，以平衡兩邊步長變化情況，體現左側快速性與右側穩定性的特點。

步驟四：根據斜率的正負判斷步長的增減，在最大功率點左側則應增加步長，在最大功率點右側應減小步長追蹤最大功率點。

步驟五：把當前值賦給前一時刻，返回采樣環節進入下一輪循環。

2 仿真結果

在Boost升壓電路中加入有功功率控制器，利用Matlab搭建其仿真模型，通過與M文件的組合構成其控制模塊，對光伏電池的有功功率進行跟蹤控制。有功功率仿真模型如圖2所示，功率控制器仿真模塊內部結構如圖3所示。

我們在Matlab環境下搭建了帶有功率控制器的光伏發電系統仿真模型，圖4中的各圖依次為光照強度、光伏模塊輸出電壓、電流及功率隨時間變化的曲線圖。各圖中光照強度的變化完全一樣，在0.1S內光照強度為100W加2，1.2 s內光強斜坡上升為900W/m2，3s時階躍上升為l000w/m2，而后在4.5s斜坡下降為200W/m2，之后保持200W/m2不變.光伏模塊的輸出電壓、電流和功率都隨著光照強度的變化而變化。

改進的變步長電導增量法MPPT仿真結果在穩定條件下輸出電壓、電流波動、較小，輸出功率的振蕩幅度也相對較小，所以改進的變步長電導增量法能有效地減小穩定條件下的功率振蕩范圍，且對階躍信號及斜坡信號的跟蹤也很迅速，從而有效地提高了光伏電源的能源利用率。這種改進變步長電導增量的光伏電源MPPT控制方法，比起常用方法，該方法更能反應光伏電池陣列的動態特性，且可以快速穩定精確地跟蹤到MPP附近。另外還分析了定功率跟蹤控制在光伏發電系統中的作用及其重要性，提出了一種簡單的定功率跟蹤控制方法，該方法結構簡單易于實現具有較強的應用價值。

3 結論

本文針對提高光電轉換效率的問題，即最大功率點跟蹤問題，在分析最大功率點跟蹤方法的基礎上，提出一種改進的變步長電導增量法，從而取得更好的跟蹤效果。另外，針對光電轉換后的穩定性問題，分析了定功率輸出控制的重要性，并提出一種簡單的控制方法。從而進一步完善了光伏發電系統的有功功率控制策略。

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（作者單位：江蘇大學電氣信息工程學院）