统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究
第26卷 第6期 2006年3月 文章编号
中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE
TM615 文献标识码
V ol.26 No.6 Mar. 2006 2006
Chin.Soc.for Elec.Eng.
A
学科分类号
470⋅
40
0258-8013 (2006) 06-0073-05 中图分类号
单级式光伏并网逆变系统中的
最大功率点跟踪算法稳定性研究
吴理博
赵争鸣
刘建政
王 健
刘 树
清华大学电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室北京市 海淀区 100084
Research on the Stability of MPPT Strategy Applied in Single-stage Grid-connected
Photovoltaic System
WU Li-bo, ZHAO Zheng-ming, LIU Jian-zheng, WAMG Jian, LIU Shu
(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment,
Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)
ABSTRACT: Single-state grid-connected photovoltaic (PV) system has advantages such as simple topology, low cost, etc. However, this kind of system has only one stage of power conversion and all the control objectives need to be considered simultaneously, such as maximum power point tracking (MPPT), synchronization with the utility voltage and harmonics reduction for output current. Then the complexity of control strategy is increased. This paper proposes a modified MPPT strategy, which remarkably improves the stability of the single-state grid-connected PV system during rapidly changing process of light intensity, with realizing all the control objectives. In steady state, the modified strategy tracks the recent maximum power point of the PV panel by adjusting the output power of the inverter, in which step length changes according to the tracking direction; in dynamic state, by
detecting step change of insolation with feed-forward method, the modified strategy is able to rapidly reset the reference value of inverter output power to avoid DC-link voltage collapse phenomenon. Comparing the novel strategy with constant-step MPPT strategy, this paper illustrates the improvement of the new strategy based on PSIM simulation platform. Experimental results also show the high stability and high efficiency of this modified strategy applied in single-stage grid-connected PV system. KEY WORDSMPPT
摘要单级式光伏并网逆变系统具有拓扑简单成本较低的优点但是这种系统中只存在一个能量变换环节太阳能最大功率点跟踪(Maximum power point tracking, MPPT)电网电压同步和输出电流正弦度等控制目标要求同时得到考虑
solar energy; photovoltaic; grid-connected;
实现较为复杂该文提出了一种改进的MPPT 算法在实现上述功能的同时显著提高了单级式光伏并网逆变系统在光照强度快速变化时的稳定性该算法的改进主要在于稳态情况下调整光伏阵列工作点时根据增减方向分别选取合适的步长值动态情况下采用前馈方法检测光照强度突变过程从而迅速改变并网系统运行状态以避免母线电压崩溃现象基于PSIM 仿真平台对比了定步长MPPT 算法和新算法在阐述算法改进的基础上给出了仿真结果实验室还建立了300Wp 的单级式光伏并网逆变系统应用全数字化DSP 控制技术和改进MPPT 算法实现了系统的并网和可靠运行仿真和实验结果表明
应用改进MPPT 算法的单级式光伏并网逆变系统能够准确跟踪太阳能电池最大功率点并具有较好的稳定性 关键词
太阳能
光伏
并网
最大功率点跟踪
0 引言
随着传统能源的日益枯竭太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源而光伏发电是当前利用
[1-7]
光伏发电系统可分为独太阳能的主要方式之一
立供电系统和并网系统两种前者不与电网相连一般使用蓄电池作为储能设备白天将太阳能电池输出的电能储存起来夜间直接向负载提供电力后者可看作集中式或者分布式的太阳能电站本文讨论的单级式光伏并网逆变系统属于后者
在光伏发电系统中主要的问题是如何
提高太阳能电池工作效率以及提高整个系统工作的稳定[8-10]
由于单级式光伏并网逆变系统中只有一个性
能量变换环节控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点也要同时保证对电网输出电流的辐值和
万方数据
74 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷
正弦度控制较为复杂目前实际应用的光伏并网系统采用这种拓扑结构的仍不多见但随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服单级式光伏逆变系统已成为国内外光伏领域的一个研究
热点
[11-12]
1 单级式光伏逆变系统的组成
单级式光伏并网逆变系统由太阳能电池阵列
直流母线电容C 逆变桥以及滤波电感L 组成示意图如图1所示在有的系统中由于光伏电池电压较低逆变桥后还会增加一个升压变压器
图1 单级式光伏并网系统电路示意图
Fig. 1 Schematic diagram of a single-state grid-connected
photovoltaic system
在图1所示的单级式并网系统中一般用双闭环控制电网交流电压和电流采样环节电压同步环节PWM 调制环节和驱动单元4部分作为内环控制控制直流到交流的逆变保证系统较好的逆变品质输入功率采样环节和功率点控制环节作为外环控制保证光伏并网系统工作在最大功率点实现最大的功率输出内环控制可采用普通的PWM 滞环比较方式也可以采用对控制实时性要求更高的单周
期控制
[11,13-14]
外环为功率环是系统控制的核心 2 定步长MPPT 算法及其稳定性问题
2.1 太阳能电池输出特性
太阳能电池输出特性为非线性而且受光照强度和环境温度影响如图2所示太阳能电池在任何
I /pu 由强变弱
P /pu 光照强度由强变弱
0.8
0.4
0.4
0.2
0 0 0 0.4 0.8 U /pu 0 0.4 0.8 U /pu
(a) 太阳能电池电压电流特性曲线 (b) 太阳能电池电压功率特性曲线
图2 太阳能电池输出特性曲线(不同光照强度下) Fig. 2 Simulated characteristics of ideal PV panel 万方数据
时刻都存在一个最大功率输出的工作点而且随着光照强度和温度的变化而变化为能让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力就需实时控制太阳能电池的工作点以获得最大功率输出 2.2 定步长MPPT 算法
太阳能电池最大功率点的跟踪实现一般采
用功率差分值作为判据通过对太阳能电池的输出电压和电流进行连续的采样并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值然后减掉上一次采样得到的功率值即为功率差分值当功率达到最大值时满足
∂P PV ∂(U PV I PV ) ∂I ∂U PV
∂U ==U PV PV +I PV =0 PV ∂U PV ∂U PV ∂U PV 即可近似认为
达到最大功率点
如果 U ∂I PV +I ∂U PV PV ∂U PV
>0
PV ∂U PV
说明太阳能电池阵列输出功率增大的方向为电压增
加方向
如果
U ∂I PV ∂U
PV PV ∂U +I PV
PV ∂U PV 说明太阳能电池阵列输出功率增加的方向为电压减
少的方向
[15]
由于在一定的光照强度下太阳能电池的输出功率只与环境温度和端电压有关因此在单级式光伏并网逆变系统中改变太阳能电池的工作点只能通过调整母线电容C 上的电压进行即改变逆变电路的输出有功来进行调节定步长MPPT 算法就是以固定步长修改逆变电路输出有功设定值(P REF ) 从而跟踪太阳能电池最大功率点的
图3给出了应用定步长MPPT 算法的单级式光伏并网逆变系统在稳态下的仿真波形仿真的光伏系统中太阳能电池为300Wp 开路电压约23V 最大功率点电压约17V 母线电容为2200µF
V /压A 2 /电流容电电出0 线30 输母变逆−0.01s/格 t /s 0.01s/格 t /s
/W
V /出功率压池输电0
网电光伏电−0.01s/格 t /s 0.01s/格 t /s
图3 定步长最大功率点时的仿真波形
Fig. 3 Simulation of constant-step MPPT strategy
第6期 吴理博
等 单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究 75
2.3 母线电压崩溃现象
当光伏并网系统仅仅采用定步长跟踪策略进行MPPT 控制时往往会发生母线电压崩溃现象逆变输出有功的调整步长选取得不合适时也会引起这
一现象
由上一小节内容可知跟踪太阳能电池最大功率点的过程就是不断调整逆变电路有功输出从而使太阳能电池实际工作电压在最大功率点左右反复跟踪调整的过程当太阳能电池工作电压大于最大功率点电压时通过增加逆变电路输出功率使其降低当太阳能电池工作电压小于最大功率点电压时通过减小逆变电路输出功率使其增加
但是在后一种情况下如果光照减弱减小后的逆变输出功率仍大于太阳能电池的输出功率就会导致母线电容电压即太阳能电池的工作电压进一步降低参照图2(b)工作点由最大功率点向左移动时太阳能电池输出功率进一步减小又导致母线电压下降直到无法输出给定的逆变电流这就是母线电
压崩溃过程
图4就是仿真得到光强扰动导致的光伏并网系统母线电压崩溃过程波形从图中可以看到光照强度在某一时刻发生20%的阶跃下降0.1s 后恢
复这一扰动导致短时间内输出功率参考值偏离并超出太阳能电池当前最大功率从而引起太阳能电池输出侧母线电压持续下降直至输出电流畸变母线电容输入和输出电流平衡后母线电压才能达到稳定并再次缓慢
跟踪上最大功率点
) 21200
m V //W (800 压/电度容强照400 电线光0 母0.01s/格 t /s 0.01s/格 t /s
W 率/W /值定输出功设率功出光伏电池0
输格 t 0
0.01s/格 t /s
/A
2 形/A 流波形0 电流波0
正弦电−畸变−2
格 /s 0.01s/格 t /s
图4 母线电压崩溃过程仿真波形
Fig. 4 Simulation of the DC link voltage collapse progress
万方数据
3 变步长的MPPT 控制算法
针对光伏并网系统中的母线电压崩溃现象本文提出了一种新颖的变步长的MPPT
控制算法这
种算法的改进主要在于功率环的控制改进后的算
法实现了系统的高效
稳定运行
在光照强度比较稳定或者只有较小扰动时变步长的MPPT 算法与定步长算法相
似
都是通过增
加或减少逆变电路的输出有功达到跟踪太阳能电池最大工作点的目的不同的是变步长算法中增加或减少P REF 时采用了不同的步长值增加情况下的步长小减小情况下的步长大这样当P REF 超出当前太阳能电池最大功率时
系统能较快减小P REF
以保证母线电压不至于跌落太多使太阳能电池仍工作在最大功率点附近从而达到系统的稳定
但是在光照强度发生较大扰动或者阶跃变化时用较大的步长减小P REF 仍不能保证系统的稳定在新的算法中系统在前端实时检测太阳能电池输出电压U pv 和电流I pv
计算得到其输出功率P
pv
当
检测到太阳能电池输出功率突然变小的情况则认为光照强度发生阶跃变化系统参照这时的P pv 来设定逆变输出功率P REF 使母线电容上输入输出电流基本平衡这样就避免了母线电压崩溃现象
该变步长的MPPT
控制算法中
每个控制周期
里P REF 的设定流程图如图5所示其中P 为设定的太阳能电池输出功率跌落阈值P 1为输出功率设定值的修改步长K 为大于1的常数仿真中一般取值在2~4之间
图5 变步长MPPT 控制算法中P REF 设定流程图 Fig. 5 Flow process diagram for determination of P REF in
the modified MPPT strategy
76 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷
4 仿真与实验结果
采用与第3节中相同的仿真参数设置应用新算法对光伏并网逆变系统进行了仿真图6是光强发生下降阶跃情况下的仿真波形由图可知采用新的算法后由于控制系统实现了对光照强度阶跃变化的准确检测并快速地修改减小了逆变输出功率参考值从而避免了母线电压崩溃现象在光照强度下降阶跃达到40%的情况下仿真表明系统算法仍
具有较好的稳定性
1200
) 2m V //W 800 压60
(电/度容强400 电30
照线光0 母格 t 0
0.01s/格 t /s
400
W /W
/值出功率定设率200
电池输功出光伏0
输 0
t /s
/A
2 形/A 2 流波形0 电流波0 正弦电−畸变−0.01s/格 t /s 0.01s/格 t /s
图6 变步长MPPT 算法在光强下降阶跃情况的仿真波形 Fig. 6 Simulation of tracking process during step change
of light intensity with the modified MPPT strategy
图7是在并网试验系统上应用上述算法得到的实验
波形其中图7(a)为实验记录的光照强度发生下降阶跃情况下的母线电压波形图7(b)(c)是光照强度变化前后的并网输出电流
格
/V 格/0A 21200ms/格 t /ms 5ms/格 t /ms
(a) 光照强度下降阶跃前后的母线电压波形 (b) 光照较强时的并网输出电流
格/A 15ms/格 t /ms
(c) 光照较弱时的并网输出电流
图7 并网系统实验波形图
Fig. 7 Experimental results of grid-connected system
万方数据
5 结论
本文在研究现有单级式光伏并网逆变系统的控制算法基础上提出了一种新型的改进MPPT 算法通过建立系统仿真模型对系统运行情况进行仿真比较了应用不同算法的控制效果仿真和实验结果表明在改进算法的控制下单级式并网系统可以稳定高效地追踪光伏阵列追踪最大功率点
同时在光照强度环境温度等系统参数突变的情况下能快速寻找新的工作点保持系统稳定表现出很好的动态特
性
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万方数据
编辑
王彦骏
单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
吴理博， 赵争鸣， 刘建政， 王健， 刘树， WU Li-bo， ZHAO Zheng-ming， LIU Jian-zheng， WAMG Jian ， LIU Shu
清华大学电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京市,海淀区,100084中国电机工程学报
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