劉金浦，郭紅山

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

黃河水院光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制研究

劉金浦，郭紅山

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

分析了最大功率點(diǎn)跟蹤的基本擾動(dòng)觀測法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)算法，即加入步長變化的環(huán)節(jié)，在工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)間時(shí)，設(shè)定擾動(dòng)步長相對較大；在工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)區(qū)間時(shí)，設(shè)定步長相對較小。通過仿真實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，得出該算法既能在穩(wěn)態(tài)時(shí)減小功率損失，又能在外界條件劇烈變化時(shí)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而達(dá)到預(yù)定控制效果。

黃河水院；光伏發(fā)電；最大功率跟蹤控制；擾動(dòng)觀測法；變步長

0 引言

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院（簡稱黃河水院）太陽能電站屬于2010年國家金太陽工程，是開封市第一家光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目。該工程國家補(bǔ)貼2 400萬，河南恒太陽能源科技有限公司投資1 200萬，是以合同能源管理形式利用黃河水院閑置的屋頂建造的2MW太陽能電站。電站利用學(xué)校13座樓頂，共安裝太陽能組件7 916塊，4臺套500 kW逆變器機(jī)組，總面積約3.6萬m2，運(yùn)營周期為25年，預(yù)計(jì)總發(fā)電量為5 446萬kW·h，二氧化碳減排76 251 t。

太陽能電站分為集中式和分布式。在城市中安裝的太陽能電站都是分布式發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電功率在數(shù)千瓦至幾兆瓦。分布式的特點(diǎn)是，極好地適應(yīng)了分散電力需求，延緩了輸配電網(wǎng)升級換代所需的巨額投資。它倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則。黃河水院的光伏電站主要滿足學(xué)校白天用電，用不完的電送入市電網(wǎng)。該光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏電池的輸出特性不穩(wěn)定，易受負(fù)載大小、環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度等因素影響，且太陽能光伏電池在運(yùn)行中輸出的電壓和電流變化很大，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)效率降低。為了充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，讓光伏電池的輸出功率時(shí)刻保持在最大功率點(diǎn)，從而提高發(fā)電效率，必須對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制［1］。本項(xiàng)目用一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法實(shí)現(xiàn)黃河水院太陽能電站的最大功率跟蹤。

1 最大功率跟蹤控制方法選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制就是無論光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載特性如何變化，太陽能電池方陣工作始終跟蹤在最大功率點(diǎn)。這就需要同時(shí)采樣太陽能電池方陣的電壓和電流，計(jì)算出其功率，并通過尋優(yōu)和調(diào)整，使太陽能電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近。

1.1 最大功率跟蹤控制常用方法

最大功率跟蹤控制常用的方法有導(dǎo)納增量法、間歇掃描法、擾動(dòng)觀測法［2］。

1.1.1 導(dǎo)納增量法

導(dǎo)納增量法的基本原理是，通過不斷比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。最大功率處d P/d U=0，其他地方的斜率都不為零。可由此判斷光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)處。這種方法控制精確，響應(yīng)速度快，但對傳感器的精度要求比較高，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)高。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本項(xiàng)目不采用此方法。

1.1.2 間歇掃描法

光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)是在當(dāng)前光照強(qiáng)度和外界環(huán)境溫度下對應(yīng)于某一特定電壓時(shí)輸出功率為最大的工作點(diǎn)，因此可以定時(shí)間歇地掃描一段（一般為0.5～0.9倍的開路電壓）陣列輸出電壓，同時(shí)記錄下不同電壓對應(yīng)的輸出功率值，經(jīng)過比較不同點(diǎn)的太陽能電池陣列的輸出功率，就可以方便地得出最大功率點(diǎn)。該方法需要有連續(xù)輸出的光伏系統(tǒng)，不太適用于黃河水院光伏電站。

1.1.3 擾動(dòng)觀測法

擾動(dòng)觀測法的基本原理是，每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏電池輸出電壓，并觀測所引起的輸出功率的變化方向，從而決定下一步的控制策略。

擾動(dòng)觀測法的控制流程圖如圖1所示，其基本控制過程為：先讓光伏電池按照給定的參考電壓值Un輸出，測量此電壓時(shí)的輸出功率，然后再在這個(gè)電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)電壓擾動(dòng)a，測量疊加擾動(dòng)電壓后的輸出功率P（n＋1）。比較P（n）和P（n＋1）的大小，如果P（n＋1）大于P（n），表明疊加電壓擾動(dòng)后的輸出功率增加，所給電壓擾動(dòng)的方向是使輸出功率增大的方向，則繼續(xù)施加相同方向的擾動(dòng)，下一時(shí)刻電壓為U（n＋2）＝U（n＋1）＋a；如果P（n＋1）小于P（n），表明疊加電壓擾動(dòng)后的輸出功率減小，所給電壓擾動(dòng)方向不是使輸出功率增大的方向，則給反方向的擾動(dòng)，下一時(shí)刻電壓為U（n＋2）＝U（n＋1）-a。這樣循序漸進(jìn)，使輸出功率逐漸逼近光伏電池的最大功率點(diǎn)［3］。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制算法比較簡單，對電量傳感器精度要求不高。因此，本項(xiàng)目采用此方法。

1.2 擾動(dòng)觀測法的改進(jìn)

基本擾動(dòng)觀測法具有穩(wěn)態(tài)精度不夠、光照劇烈變化出現(xiàn)誤判、步長和控制周期選取有沖突等諸多缺陷。因此，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)改進(jìn)的控制方法。

變步長的擾動(dòng)觀測法的控制思想是加入步長變化的環(huán)節(jié)，在工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)間時(shí)，設(shè)定擾動(dòng)步長相對較大，在工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)區(qū)間時(shí)，設(shè)定步長相對較小。這樣，既能在穩(wěn)態(tài)時(shí)減小功率損失，又能在外界條件劇烈變化時(shí)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而達(dá)到預(yù)定控制效果［4］。

光伏電池板的P－U曲線可以分為3段，如圖2所示。在Ⅰ段，曲線近似為一斜率為正值的直線；在Ⅱ段，曲線近似為以最大功率點(diǎn)為中心對稱的正弦波；在Ⅲ段，曲線近似為一斜率為負(fù)值的直線。根據(jù)變步長擾動(dòng)觀測法的控制思想，在Ⅰ段和Ⅲ段選用大步長，而在Ⅱ段采用小步長，就可以在跟蹤速度與減小穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率損失之間取得一個(gè)較好的折中［5］。

圖2 光伏電池板的P－U曲線Fig.2 P－U curve of photovoltaic battery

1.3 改進(jìn)算法

由圖3可知，無論當(dāng)下的功率點(diǎn)位于P－U曲線的哪一段，都可以根據(jù)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)，換算出當(dāng)前系統(tǒng)的電壓、電流和功率參數(shù)，設(shè)定合適的擾動(dòng)步長，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximun Power Point Tracking，簡稱MPPT）控制?；谝陨峡刂?，采用兩級變速方式實(shí)現(xiàn)MPPT：在Ⅰ段和Ⅲ段采用第一級步長Sp1適當(dāng)較大，用以快速接近最大功率點(diǎn)附近區(qū)域，減少搜索時(shí)間；在Ⅱ段第二級步長Sp2適當(dāng)較小，用以高精度逼近最大功率點(diǎn)。

2 改進(jìn)擾動(dòng)觀測法的仿真

2.1 仿真模型建立

由變步長擾動(dòng)觀測法的控制思路，可在MATLAB／Simulink仿真環(huán)境下，建立改進(jìn)擾動(dòng)觀測法算法的MPPT系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。在模型中，系統(tǒng)控制器根據(jù)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)，換算出當(dāng)前系統(tǒng)的電壓、電流和功率參數(shù)，并判斷當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行于光伏電池板P－U曲線的Ⅰ段、Ⅲ段，還是Ⅱ段，據(jù)此來設(shè)定合適的擾動(dòng)步長，控制系統(tǒng)占空比數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT控制。

圖3 改進(jìn)算法控制流程圖Fig.3 Im p roved algorithm control flow

圖4 改進(jìn)算法MPPT控制模型Fig.4 Imp roved algorithm MPPT control model

2.2 仿真結(jié)果

基于以上控制模型，在T＝25℃的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，改變光照強(qiáng)度（從1 000W／m2到1 400W／m2）作為在不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)光照擾動(dòng)，得到仿真波形如圖5和圖6所示。從波形對比中可以發(fā)現(xiàn)，在控制周期內(nèi)，基本擾動(dòng)觀測控制方法會(huì)因外界條件的劇烈變化而出現(xiàn)誤判斷甚至電壓崩潰的現(xiàn)象；改進(jìn)算法后的系統(tǒng)開始運(yùn)行后，很快穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，當(dāng)光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，能快速準(zhǔn)確運(yùn)行在新的最大

圖5 擾動(dòng)觀測算法的仿真波形Fig.5 Simulation curve of DOM

圖6 改進(jìn)算法的仿真波形Fig.6 Simulation curve of im proved algorithm

3 結(jié)語

將改進(jìn)擾動(dòng)觀測算法與常規(guī)的擾動(dòng)觀測法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，使用改進(jìn)的擾動(dòng)觀測法，步長控制器可以根據(jù)系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)，在特定情況下采用不同的控制步長，以有效地減小誤判斷，保證MPPT控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到較為理想的控制效果。

［1］W ei D X，Ozog N，Dunford W G.Topology study of photovoltaic interface for maximum pow er point tracking［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（3）：1696－1704.功率點(diǎn)處，在一定程度上解決了干擾觀測法在最大功率點(diǎn)附件反復(fù)振蕩擾動(dòng)和光照劇烈變化出現(xiàn)誤判斷的問題［6］。

［2］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：125－135.

［3］陳卉，王明春.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤研究［J］.發(fā)電設(shè)備，2013，27（5）：326-329.

［4］楊海柱，金新民.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的一種改進(jìn)措施及其仿真和實(shí)驗(yàn)研究［J］.電工電能新技術(shù)，2006（1）：63-67.

［5］趙爭鳴，陳劍，孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：60－66.

［6］程啟明，程尹曼.光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法的發(fā)展研究［J］.華東電力，2009（8）：1300-1306.

[責(zé)任編輯 胡修池]

Research on 2MW Photovoltaic Power Generation System MPPT of Yellow River Conservancy Technical Institute

LIU Jin－pu，GUO Hong－shan
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

In the Yellow River Conservancy Technical Institute MPPT control of photovoltaic power systems，it makes the photovoltaic battery has the highest utilization rate and improves the efficiency of power generation.It analyzes the basic principle and advantages and disadvantages of DOM（Disturbance Observation Method），and proposes an improved algorithm.The setting perturbation step is relatively large，when the working point goes away from the range of MPP；the setting step is relatively small，when the working point goes close to the range of MPP.Improved algorithm is verified through simulation experiments，it is concluded that when external conditions change drastically，the improved algorithm can not only reduce the loss of power，but also can improve dynamic response and stability of the system，then gets the expected control effect.

Photovoltaic power generation；MPPT；DOM；variable step size

TM614

A

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.014

2016-01-27

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金項(xiàng)目：2MW光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制研究（2014QNKY012）。

劉金浦（1979-），女，河南南陽人，講師，碩士，從事電氣自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)與科研工作。