劉江濤, 黃 明, 王海云, 李保全, 劉新偉

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司 武隆縣供電分公司，重慶 408500； 2. 新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008)

基于預(yù)測電流控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法

劉江濤1, 黃 明1, 王海云2, 李保全1, 劉新偉1

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司 武隆縣供電分公司，重慶 408500； 2. 新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008)

針對光伏發(fā)電的突變性及晝發(fā)夜停特性提出一種新型的基于預(yù)測電流控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法。根據(jù)實(shí)際情況考慮光伏陣列的非線性特性，最大功率點(diǎn)周圍光伏電壓的振蕩及逆變器、濾波器的設(shè)計(jì)等。為了確保系統(tǒng)采用控制算法的穩(wěn)定性，MPPT的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，在此基礎(chǔ)上通過改進(jìn)算法從光伏系統(tǒng)的電壓與電流預(yù)測基準(zhǔn)電流進(jìn)而控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。通過與傳統(tǒng)的波動(dòng)相關(guān)控制方法對比給出了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明：在光照發(fā)生突變時(shí)，與傳統(tǒng)的波動(dòng)相關(guān)控制法相比，提出的改進(jìn)算法的跟蹤速度較之提升9.3%，并能夠準(zhǔn)確跟蹤光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)，且性能穩(wěn)定可靠。

光伏； 并網(wǎng)； 最大功率點(diǎn)跟蹤； 預(yù)測電流控制

0 引 言

近年，光伏發(fā)電作為清潔能源迎來發(fā)展的黃金時(shí)期，但光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，大面積“棄光停發(fā)”的尷尬局面長期存在，如何行之有效的利用光伏能源一直困擾著廣大專家學(xué)者。由于光伏發(fā)電的突變性以及晝發(fā)夜停特性，傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能時(shí)常受到速度與準(zhǔn)確度的雙重困擾[1]。為了穩(wěn)定可靠的獲取太陽能并使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大功率，提出一種高效、簡單可靠的MPPT算法迫在眉睫。眾所周知，光伏陣列的非線性特性一直是阻礙MPPT算法發(fā)展的瓶頸。光伏陣列的非線性特性主要取決于溫度、光照幅度、運(yùn)行電壓以及最大功率點(diǎn)周圍光伏電壓的振蕩。

國內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對光伏陣列的MPPT算法這一熱點(diǎn)問題展開了一系列深入研究。但目前的研究大多為非真正意義上的MPPT，且與實(shí)際應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。文獻(xiàn)[1-2]采用簡單實(shí)用電路結(jié)構(gòu)的開路電壓比例系數(shù)法。文獻(xiàn)[3-5]針對光伏發(fā)電的突變性采用高效簡單的波動(dòng)相關(guān)控制法，但其具有需要變流器持續(xù)工作的弊端。文獻(xiàn)[6]研究了不同光照環(huán)境下采用滑?？刂品ǖ腗PPT對光伏并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及其出力的影響，雖然顯著提高了光伏系統(tǒng)MPPT速度，但變量Δu的引入會(huì)影響系統(tǒng)跟蹤的穩(wěn)定性與可靠性。

綜上所述，至今針對真正意義上的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT，并與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的簡單穩(wěn)定可靠的控制方法鮮有研究。考慮到光伏陣列的非線性特性，本文采用盡可能接近實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模，通過對光伏系統(tǒng)電壓與電流的跟蹤，進(jìn)而預(yù)測出基準(zhǔn)電流，對不同邊際條件、不同場景下光伏的電壓、電流及其出力進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，達(dá)到對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠控制的效果。

1 建立光伏系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)的基于波動(dòng)相關(guān)控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT算法主要依賴直流側(cè)電壓控制器跟蹤最大功率點(diǎn)，并通過維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定產(chǎn)生基準(zhǔn)電流到控制器得以實(shí)現(xiàn)。圖1給出了傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT結(jié)構(gòu)圖

本文將通過向電網(wǎng)中注入阻性電流獲取線路頻率，并控制逆變器獲得統(tǒng)一功率因數(shù)。綜合考慮諸多因素，本文采用兼具經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性的電流控制器；同時(shí)為了消除靜態(tài)誤差與電網(wǎng)諧波對試驗(yàn)的干擾，還選用了比例諧振控制器[7-8]。

光伏陣列由串聯(lián)光伏電池組成，通過分析I-U特性曲線得出光伏出力的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：u0、α0、α2、α4——光伏瞬時(shí)功率近似系數(shù)。

由于給定運(yùn)行條件下上述系數(shù)保持恒定，故此種情況下輻射及溫度變化可忽略不計(jì)?？紤]穩(wěn)態(tài)時(shí)光伏系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的最大功率并對式(2)求導(dǎo)得出：

(2)

鑒于傳統(tǒng)的電壓控制器線性化周圍的最大功率點(diǎn)易產(chǎn)生小信號(hào)干擾；一般來說，對于直流電壓附近最大功率點(diǎn)產(chǎn)生較大波動(dòng)的系統(tǒng)模型應(yīng)采用式(3)中的數(shù)學(xué)模型，而不是高度非線性化的數(shù)學(xué)模型。

光伏模型產(chǎn)生最大功率PMPP時(shí)光伏出力可等效為

(3)

u0、α0、α2、α4的值取決于光伏陣列的工藝以及環(huán)境條件。對于一個(gè)由NS個(gè)模塊串聯(lián)以及Np個(gè)模塊并聯(lián)的光伏系統(tǒng)，u0、α0、α2、α4可以通過式(4)近似得到：

(4)

式中：P1——單一光伏電池的功率。

圖2給出了不同算法下的P-U曲線對比。采用本文提出的方法較之前算法的收斂速度整體提升了9%，因此更加實(shí)用于MPPT。

圖2 采用不同算法的近似P-U曲線

2 控制器設(shè)計(jì)

圖3 兩種條件下P-U特性曲線對比

本文提出基于式(3)中數(shù)學(xué)模型作為光伏模型的非線性控制器。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于式(3)中非線性模型的控制系統(tǒng)框圖

非線性控制器由基于預(yù)測電流的MPPT控制策略與電流控制器組成。本文提出的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 本文提出的光伏系統(tǒng)MPPT結(jié)構(gòu)圖

3 基于預(yù)測電流控制的MPPT算法

考慮到光伏發(fā)電晝發(fā)夜停的現(xiàn)象以及光伏陣列的非線性特性，本文提出一種新型的基于預(yù)測電流控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT算法。此算法改進(jìn)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)預(yù)測電流的控制。采用改進(jìn)后算法不僅跟蹤收斂速度大幅提升而且使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。

本文將針對影響預(yù)測電流控制的電網(wǎng)電流波動(dòng)以及控制變量的靜態(tài)誤差，進(jìn)行逐一改進(jìn)。基于預(yù)測電流控制的MPPT算法與傳統(tǒng)的基于相關(guān)波動(dòng)控制算法原理較為相似，均采用電流控制器控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸入輸出電流保持平衡達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。不同之處在于傳統(tǒng)算法主要采用直流側(cè)電壓控制器跟蹤最大功率點(diǎn)；而本文采用的算法略去電壓控制器，主要依靠預(yù)測電流控制算法,并結(jié)合電流控制器對光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

4 仿真結(jié)果

采用新算法設(shè)置仿真參數(shù)并對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在光電時(shí)域局限下對2 MW小型光伏電站進(jìn)行研究，并在圖6給出了光照強(qiáng)度在2 s時(shí)間內(nèi)從1 000 W/m2下降到700 W/m2，相同條件下針對傳統(tǒng)算法與新算法進(jìn)行仿真的波形。

圖6 本文提出的預(yù)測電流控制MPPT算法與傳統(tǒng)波動(dòng)相關(guān)控制MPPT算法在不同條件下光伏出力、光伏電壓以及電網(wǎng)電流的仿真結(jié)果

5 結(jié) 語

算例采用接近真正意義上MPPT算法，在實(shí)際應(yīng)用中具有普遍性，另外研究傳統(tǒng)算法在同等條件下的性能發(fā)現(xiàn)本文提出的解決方案具有一定的實(shí)用性。根據(jù)仿真結(jié)果分析該算法不僅能有效跟蹤負(fù)荷，而且能對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)行穩(wěn)定可靠的控制。

本文對不同邊際條件、不同場景下光伏的電壓、電流及其出力在采用傳統(tǒng)算法與采用新算法的最大功率跟蹤點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤預(yù)測，分析兩種算法下光伏系統(tǒng)負(fù)荷跟蹤度和出力性能。綜上所述：

[1] BRITO M D, GALOTTO L, SAMPAIO L, et al. Evaluation of the main MPPT techniques for photovoltaic applications[J]. IEEE Trans Ind Electron, 2013, 60(3): 1156-1167.

[2] MEZA C, NEGRONI J, BIEL D, et al. Energy-balance modeling and discrete control for single-phase grid-connected PV central inverters[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2008, 55(7): 2734-2743.

[3] 吳理博,趙爭鳴,劉建政,等.單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤算法穩(wěn)定性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),200626,(6): 73-77.

[4] 周林,武劍,栗秋華,等.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù),2008(6): 1145-1154.

[5] 趙敏.光伏并網(wǎng)發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究[D].重慶: 重慶大學(xué),2009.

[6] BERES R, WANG X, BLAABJERG F, et al. A review of passive filters for grid-connected voltage source converters[C]∥ In Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE, 2014: 2208-2215.

[7] CASTILLA M, MIRET J, MATAS J, et al. Linear current control scheme with series resonant harmonic compensator for single-phase grid-connected photovoltaic inverters[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2008, 55(7): 2724-2733.

[8] VILLALVA M, GAZOLI J, FILHO E. Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2009, 24(5): 1198-1208.

[9] THOTTUVELIL V, CHIN D, VERGHESE G C. Hierarchical approaches to modeling high-power-factor AC-DC converters[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 1991, 6(2): 179-187.

[10] 蔡曉峰.基于輸出電流的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[11] CHAVARRIA J, BIEL D, GUINJOAN F, et al. Energy-balance control of PV cascaded multilevel grid-connected inverters under level-shifted and phase-shifted PWMs[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2013, 60(1): 98-111.

Computed Current Control Method for Maximum Power Point Tracking of Grid-Connected Photovoltaic System

LIUJiangtao1,HUANGMing1,WANGHaiyun2,LIBaoquan1,LIUXinwei1

(1. Wulong Power Supply Branch, STATE GRID Chongqing Electric Power Company,Chongqing 408500, China;2. College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008, China)

A new maximum power point tracking (MPPT) topology for a grid-connected PV system considering the sudden changes in environmeons was proposed. Considering the non-linear characteristics of photovoltaic array according to actual condition, maximum power point of PV voltage oscillation around as well as the design of the inverter and filter and so on. In order to ensure the stability of the system adopts the control algorithm, the design of the maximum power point tracking arised at the historic moment, through the improved algorithm from photovoltaic system reference current and voltage and current predictive control photovoltaic (PV) grid-connected system. Based on compared with the ripple correlation control (RCC) method of the traditional and the simulation results were given. The simulation results showed that: Compared with the ripple correlation control (RCC) method when the solar radiation generate the sudden changes, the proposed improved algorithm of tracking speed increased 9.3%, the new algorithm not only could accurately track the maximum power point of photovoltaic (PV) grid-connected system, but also had the stable and reliable performance.

photovoltaic (PV); grid-connected; maximum power point tracking (MPPT); computed current control

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267017);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1285)

劉江濤(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榍鍧嵞茉醇捌洳⒕W(wǎng)技術(shù)。 黃 明(1969—)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)綜合自動(dòng)化和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)05- 0098- 04

2016 -09 -20