姚陽陽，潘巧波,2

(1. 東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院， 吉林 吉林132012；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080)

串并聯(lián)獨立光伏系統(tǒng)最大功率追蹤控制策略

姚陽陽1，潘巧波1,2

(1. 東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院， 吉林 吉林132012；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080)

針對光伏發(fā)電輸出電壓低的問題，設(shè)計一種基于多個光伏陣列串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括直流負載和蓄電池的串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。以獨立發(fā)電系統(tǒng)為控制對象，提出一種以電導(dǎo)增量法為基礎(chǔ)的優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率追蹤控制?；贛ATLAB/Simulink仿真實驗平臺，建立串并聯(lián)獨立光伏系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗證了所提控制策略在實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出及獨立可靠穩(wěn)定運行上是可行和有效的。

光伏發(fā)電；光伏陣列；串并聯(lián)；最大功率追蹤；電導(dǎo)增量法

光伏發(fā)電以其清潔、能耗低、靈活等優(yōu)勢受到世界各國的廣泛關(guān)注[1-2]，但光伏發(fā)電技術(shù)還存在諸多問題。由于光伏陣列(photovoltaic array，PV)輸出具有非線性特性，而且受太陽輻射強度、氣溫條件和外界負荷等因素的影響，因此對其輸出的控制尤為必要，而通過對PV輸出電壓的控制來實現(xiàn)最大功率輸出，是光伏發(fā)電控制的基本目標(biāo)；另外，光伏發(fā)電具有間歇性和不確定性，直接并網(wǎng)會對配電網(wǎng)的調(diào)峰和系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生較為顯著的影響。

文獻[3]提出一種求取PV等效電阻的方法，推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型，并針對擾動觀測方法的不足，提出一種變步長策略，加快了系統(tǒng)跟蹤速度。文獻[4]提出一種固定電壓法與電導(dǎo)增量法相結(jié)合的占空比擾動最大功率追蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制策略，在不同運行點采用不同的跟蹤方法，實現(xiàn)了準(zhǔn)確、快速的功率跟蹤效果。文獻[5]提出一種無電流檢測的MPPT控制方法，該方法的運用有效地降低了系統(tǒng)的成本，具有較好的經(jīng)濟效益。文獻[6-7]將模糊控制的思想運用到PV的MPPT控制上，仿真結(jié)果顯示相較于傳統(tǒng)控制策略，在快速MPPT及發(fā)電效率的提升上均取得較好的結(jié)果。

上述文獻局限于對單個PV的MPPT控制及改進算法的研究，對于獨立發(fā)電系統(tǒng)中PV的連接形式及MPPT控制方法關(guān)注得較少。本文構(gòu)建一種光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)，通過對多個PV的串并聯(lián)連接，以提升光伏發(fā)電的輸出電壓及發(fā)電效率。另外以單個PV及串并聯(lián)光伏系統(tǒng)整體的最大功率輸出為控制目標(biāo)，基于光伏系統(tǒng)中Boost升壓斬波硬件電路，提出一種MPPT控制策略。

1 光伏電池的輸出特性

PV是光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件，可以把它視作一個半導(dǎo)體光電二極管，利用硅基半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)實現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)化。諸多外部環(huán)境因素的變化都會影響PV的性能指標(biāo)，所以PV輸出特性具有很強的非線性。根據(jù)電子電路原理可得其數(shù)學(xué)表達式為[8-9]

(1)

式中：I、U分別為輸出電流和輸出電壓；Iph為光生電流；I0為反向飽和電流；n為與PN結(jié)材料特性相關(guān)的參數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為環(huán)境熱力學(xué)溫度；q為電荷電量，其值為1.610～19.000 C；Rs、Rsh分別為等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻。

將式(1)轉(zhuǎn)化為工程化數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink仿真軟件來建立PV的實驗?zāi)Ｐ?，通過設(shè)置不同的仿真算例，對該模型的正確性和可行性進行驗證。電池溫度θ取20～35 ℃，間隔為5 ℃；太陽輻射強度S取600～1 200 W/m2，間隔為200 W/m2。PV輸出特性曲線如圖1所示，其中P為輸出功率。

a—S=1 200 W/m2，b—S=1 000 W/m2，c—S=800 W/m2，d—S=600 W/m2，e—θ=35 ℃，f—θ=30 ℃, g—θ=25 ℃，h—θ=20 ℃。圖1 PV輸出特性曲線

通過仿真驗證了PV模型的正確性，進而可得PV的最大功率點

式中Im、Um分別為PV處于最大功率點時對應(yīng)的輸出電流和輸出電壓。

2 串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)包括PV陣列、Boost升壓斬波電路、MPPT控制器、蓄電池和直流負載等，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

在圖2中，通過控制器產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，基于對Boost升壓電路的控制，調(diào)節(jié)PV輸出電壓以實現(xiàn)PV在環(huán)境條件變化時的MPPT控制。其中蓄電池起到穩(wěn)定系統(tǒng)工作電壓和電能儲備的作用，并在PV供電能力減弱的情況下作為備用電能給直流負載供電，以實現(xiàn)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)、可靠、穩(wěn)定運行。

2.2 MPPT控制策略

近年來，光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制技術(shù)得到長足的發(fā)展，較為常見的有恒定電壓法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等[10-11]。

2.2.1 恒定電壓法

早期的MPPT采用恒定電壓法，雖然能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作以及在很大程度上節(jié)約控制成本，但沒有實現(xiàn)真正意義上的最大功率點控制，在能量轉(zhuǎn)化過程中造成大量損耗。

2.2.2 擾動觀察法

擾動觀察法是目前較為常用的MPPT算法之一。由PV的P-U特性曲線可知：當(dāng)PV工作在最大功率點時，斜率為0，dP/dU=0；當(dāng)PV工作在最大功率點左側(cè)時，dP/dU>0。通過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號，周期性地接入一個或負或正的擾動信號，觀測擾動前后輸出功率的強弱，若較之前強則施加與上周期相同的信號，若變?nèi)鮿t施加相反的擾動信號，經(jīng)過幾個周期的反復(fù)調(diào)制，以實現(xiàn)輸出功率最大化。

2.2.3 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是目前理論與實踐中較常見的MPPT算法，此算法是通過比較PV的增量電導(dǎo)和瞬時電導(dǎo)來實現(xiàn)的。通過PV的P-U特性曲線可知，在曲線最高點處斜率為0，所以當(dāng)P=Pm，U=Um時，

(2)

由式(2)可知，當(dāng)PV電池輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)互為相反數(shù)時，其工作在最大功率點。故將式(2)作為PV是否工作在最大功率點的判別條件，此跟蹤方法的流程如圖3所示。

U(k)、I(k)—當(dāng)前周期的輸出電壓、輸出電流檢測值；U(k-1)、I(k-1)—上一周期的輸出電壓、輸出電流采樣值；ΔUm—算法的步長，即每次PV輸出電壓的改變量；Uref—輸出電壓目標(biāo)值。圖3 電導(dǎo)增量法流程

電導(dǎo)增量法的優(yōu)點是：輸出電壓控制精確，跟蹤速度較快；適用于天氣環(huán)境變化較快的場所；基本可以消除擾動觀察法中因電壓波動而造成的最大功率點振蕩的現(xiàn)象。

2.3 串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由串并聯(lián)PV陣列、Boost斬波電路、MPPT控制器、蓄電池和負載構(gòu)成，其主要拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。串并聯(lián)PV陣列可看作先由N個PV陣列串聯(lián)成一組，然后再由相同特性的M個支路并聯(lián)而成。控制部分則主要有MPPT控制及斬波電路，串并聯(lián)PV陣列的輸出電流與輸出電壓經(jīng)MPPT控制器輸出PWM信號，PWM信號控制Boost斬波電路，最終輸出穩(wěn)定的直流電壓。

圖4 串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

基于電路分析，PV陣列串聯(lián)可以升壓，PV陣列并聯(lián)可以增流，所以為了升壓增流，提高輸出功率，提出了PV的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。電導(dǎo)增量法能夠?qū)崿F(xiàn)單個PV的MPPT控制，此方法優(yōu)點明顯而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，因此針對串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出改進的電導(dǎo)增量法，控制流程如圖5所示。另外當(dāng)每個串聯(lián)支路有N個PV陣列組成時，MPPT控制器增加一個比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)Kp=1/N，以實現(xiàn)串并聯(lián)系統(tǒng)MPPT控制，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

圖5 改進的電導(dǎo)增量法流程

對比圖3、圖5可知，改進的電導(dǎo)增量法步驟明顯減少，從而減少了運算時間，解決了跟蹤時間長的問題，并且實現(xiàn)了串并聯(lián)PV陣列的MPPT控制。另外，不但實現(xiàn)了升壓增流，增大發(fā)電功率，而且滿足了更高等級無變壓器并網(wǎng)，減少了電纜及匯流設(shè)備的數(shù)量，降低了逆變器、直流設(shè)備的損耗以及匯流設(shè)備、變壓器的成本，提高了光伏發(fā)電效率，適應(yīng)分布式、大型光伏電站及未來中、高電壓直流輸電的需求。

3 仿真分析

為了驗證所提控制策略對串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)MPPT控制的有效性，基于光伏數(shù)學(xué)模型在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立仿真模型。PV主要參數(shù)設(shè)置如下：開路電壓U0=44.2 V，短路電流Is=5.2 A，太陽輻射強度參考值Sref=1 000 W/m2，電池溫度參考值θref=25 ℃，最大功率點對應(yīng)電壓Um=35.2 V，最大功率點對應(yīng)電流Im=4.95 A，串并聯(lián)參數(shù)N=M=3。設(shè)置仿真時間1 s，太陽輻射強度S從900 W/m2階躍變化到1 100 W/m2，電池溫度θ從20 ℃階躍變化到30 ℃。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 串并聯(lián)獨立光伏系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果

由圖6可知，系統(tǒng)總輸出電流、總輸出電壓約是單個PV輸出電流、輸出電壓的3倍，總輸出功率約是單個PV輸出功率的9倍，從而實現(xiàn)了單個PV的MPPT控制。

對單個PV電池進行獨立仿真實驗，仿真參數(shù)、太陽輻射強度和電池溫度的設(shè)置不變，仿真實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 單個PV仿真實驗結(jié)果

對比圖7與圖6(b)可知，在相同的仿真條件下，對單個PV實現(xiàn)MPPT控制的效果與串并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單個PV輸出基本一致?；陔妼?dǎo)增量法改進控制策略，不僅實現(xiàn)了串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)自身整體的MPPT控制，也實現(xiàn)了串并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單個PV的最大功率輸出。串并聯(lián)PV、蓄電池、直流負載與公共直流母線連接，實現(xiàn)電能的相互傳遞，仿真結(jié)果得到的直流母線電壓波形如圖8所示。

圖8 直流母線電壓波形

由圖8可知，在外在條件變化時，直流母線電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值220 V上，符合獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。

綜上，采用串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電的形式，基于電導(dǎo)增量法改進控制策略能實現(xiàn)升壓升流及提高輸出功率的功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制，在此基礎(chǔ)上單個PV依然能實現(xiàn)最大功率輸出，輸入-輸出特性正常且工作穩(wěn)定。另外，通過對獨立系統(tǒng)中蓄電池和直流負載的協(xié)調(diào)控制，直流母線電壓穩(wěn)定在額定值，實現(xiàn)了電能的穩(wěn)定傳輸和獨立系統(tǒng)的可靠運行。

4 結(jié)論

a)設(shè)計了一種由多個PV組成的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其簡單易實現(xiàn)，有效提升了光伏發(fā)電的輸出功率和電能品質(zhì)，在一定程度上節(jié)省了斬波電路、匯流設(shè)備等硬件設(shè)施的成本。另外與蓄電池及直流負載等組成串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過合理的協(xié)調(diào)控制能實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立、穩(wěn)定、可靠運行。

b)提出以電導(dǎo)增量法為基礎(chǔ)的MPPT改進控制策略，以串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)為控制對象，利用MATLAB/Simulink仿真平臺，建立光伏微網(wǎng)仿真模型，設(shè)置不同的仿真算例，結(jié)果表明所提控制策略能很好地實現(xiàn)串并聯(lián)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT，并且對串并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單個PV有同樣的控制效果，仿真結(jié)果驗證了所提控制策略是可行和有效的。

c)所研究的MPPT改進算法，只是完成了仿真驗證，還需要進一步在實際運行中驗證其穩(wěn)定性和可靠性。與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，以微電網(wǎng)的形式并入大電網(wǎng)，可以給光伏發(fā)電帶來較大的經(jīng)濟效益，然而二者的互連也有許多技術(shù)上的問題亟待解決。

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(編輯 李麗娟)

Control Strategy for Maximum Power Point Tracking of Series-parallel Independent Photovoltaic System

YAO Yangyang1, PAN Qiaobo1,2

(1.School of Automation Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin, Jilin 132012, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In allusion to the problem of low output voltage of photovoltaic generation, this paper designs a kind of series-parallel structure based on multiple photovoltaic arrays (PV) including series-parallel independent photovoltaic generation system of DC load and batteries. Taking the independent generation system for a control member, it presents an optimized control strategy based on incremental conductance (INC) algorithm so as to realize control for maximum power point tracking (MPPT). On the basis of MATLAB/Simulink simulation experimental platform, it establishes a model for series-parallel independent photovoltaic system and simulation result indicates feasibility and effectiveness of the proposed control strategy in realizing MPPT and independent and reliable stable operation of the system.

photovoltaic generation; photovoltaic array; series and parallel; maximum power point tracking; incremental conductance algorithm

2016-07-06

青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點實驗室項目(2014-Z-Y34A)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.006

TM615

A

1007-290X(2016)12-0027-05

姚陽陽(1988)，男，河北滄州人。工學(xué)碩士，研究方向為電力電子與新能源發(fā)電。

潘巧波(1993)，男，浙江金華人。工學(xué)碩士，研究方向為微電網(wǎng)控制、電力電子與新能源發(fā)電。