光伏并网控制综合系统的最大功率点跟踪.docx

光伏并网控制系统最大功率点跟踪（MPPT）方法 12月29日 作者：周建华 李 冰 郭 玲 田苗苗 陈增禄 起源：中国电源博览总第128期 编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中关键技术之一。本文首先介绍了光伏组件输出特征，然后具体分析了3种经典MPPT控制方法，并总结3种方法各自特点和不足。1 引言日本福岛核电站事故以后，多国陆续宣告暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭清洁能源，而且愈加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达成万千瓦。但因为光伏组件本身特征非线性，受环境温度、日照强度、负载等原因影响，均会使其输出最大功率点发生改变，造成光伏组件转换效率很低。而全部光伏发电系统均期望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)问题。本文首先讨论了光伏组件本身P-V,I-V特征，和温度、光照影响；然后具体分析了多个常见MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单比较。2 光伏组件特征A.物理数学模型依据半导体物理学理论，太阳能组件等效物理模型图1所表示。其中：IPH 和日照强度成正比光生电流；I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A；n 二极管因子；q 电子电荷， ；K 玻尔兹曼常数, J/K；T绝对温度（ K）；RS光伏组件等效串联电阻；RP光伏组件等效并联电阻；式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n和太阳辐射强度和组件温度相关，而且确定这些参数也十分困难。B.温度、光照对输出特征影响受外界原因(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出含有显著非线性，图2、图3分别给出其I-V特征曲线和P-V特征曲线。由以上两图可知，光伏组件输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度增强而增大。光照强度改变对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）改变也不大，图3-A所表示。温度对光伏组件输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，所以温度对光伏组件最大输出功率有显著影响，从图2-B曲线峰值改变能够看出。C.实测得光伏组件输出特征作者制作了一套简易光伏组件输出特征测试系统。主电路采取Buck-Boost电路和电阻串联作为光伏组件负载，由自制ARM控制板采集光伏组件电压和电流，并经过定时自动扫描Buck-Boost电路占空比，以测得在不一样条件下输出特征。图4是采取英国Bp企业Bp3230T光伏组件，于8月9日测得一组数据。图4-A中五条曲线MPP趋势和图3-A中MPP趋势相反；这是因为图4-A实测条件下，伴随光照增强同时温度也在增加，使得PV组件开路电压UOC随温度升高而降低所致。3.常见MPPT控制方法从图3中可看出,光伏组件是一个非线性较强直流电源，其输出最大功率点伴随光照、温度改变而改变，但任意一条特征曲线全部存在唯一最大功率点，并对应唯一光伏组件输出电压。从第2节中可知：光照强度越强，光伏组件输出功率也越大；相反温度越高，太阳能电池输出功率越小。所以，实际应用中为了提升光伏组件光电转换效率，就要对太阳能电池最大功率点进行跟踪。MPPT实质是一个寻优过程，即经过调整光伏组件输出电压，使其能在多种不一样光照、温度下实际工作点趋近目前光伏组件输出全局最大功率点。A.恒定电压法3（Constant Voltage Tracking，CVT） 假如忽略温度影响, 当光照强度大时，光伏组件短路电流Isc增大，开路电压Uoc略有增加。从图3-A可看出，光伏组件在不一样光照下MPP近似在某一恒定电压值Um 周围。假如保持光伏组件输出端电压为常数且等于某一光照强度下对应于最大功率点电压，就能够大致确保在目前环境下组件输出最大功率，这就是恒定电压跟踪法(CVT)理论依据。采取CVT作为MPPT控制方法，其实现简单、方便、可靠性高，系统不会出现振荡。不过，CVT控制方法忽略了温度对阵列开路电压影响，实际上光伏组件开路电压全部在较大程度上受结温影响，图3-B显示不一样温度条件下光伏组件输出P-V特征。尤其是内陆地域冬夏，甚至早午晚温差较大，理论和实地运行数据均表明，当温度从-20 改变到+40时，其最大功率点电压（Um）偏移能达Uoc值30%以上。假如采取CVT 控制方法将电压给定值控制在夏季最大功率点处，冬季时，光伏组建输出功率损失将会超出20%。折衷处理方法是只能在冬、夏两季调整CVT 电压给定值。B.扰动观察法3(Perturb and Observe methods，P&O)扰动观察法属现在MPPT控制常见方法之一，原理是给定光伏组件输出电压一个扰动(U+U)，再比较扰动前后功率值，若输出功率增加，则表明电压扰动方向正确，继续根据(U+U)方向扰动；若输出功率减小，则往(U-U)方向扰动。该方法优点是其控制思想简单，缺点是选择跟踪步长U对跟踪精度和速度影响较大，跟踪最终止果只能在组件输出最大功率点周围振荡，会造成部分功率损失。另外，假如光照强度忽然发生改变，在运行过程中控制算法会发生误判现象，使系统短时间朝远离最大功率点。若光伏组件工作环境忽然改变时，将可能出现两个或更多局部最大功率点，在这种情况下，P&O控制方法不能快速跟踪，而且可能只收敛至局部最大功率点，并非光伏组件在目前环境下全局最大功率点。改善P&O控制方法关键是变步长跟踪。通长是依据前后两次功率差大小改变步长4,5等。C.增量电导法3,4(Incremental Conductance methods，IncCond)增量电导法基础原理是经过比较光伏阵列输出增量电导率和瞬时电导，实现光伏组件最大功率点跟踪。图3-A所表示光伏阵列P-V曲线可知最大Pmax处斜率为零。光伏组件输出功率为增量电导法含有良好跟踪响应速度和较高稳定性。和扰动观察法相比较，能适应光伏组件工作环境改变较快场所。D.作者使用一个新方法对于单相并网逆变器，因为单相并网逆变器输出为100Hz功率流，所以会造成PV组件两端电压一样包含一个100Hz波动分量，经过增大直流母线上电容能够减小，不过无法消除这个波动，可能出现五种情况：MPP左侧、包含MPP但MPP偏右、包含MPP且MPP在PV组件波动电压代数中点、包含MPP但MPP偏左、MPP右侧。PV组件输出功率在时域会对应五种不一样波形。依据5种不一样时域功率波形调整PV组件工作点从而实现MPPT控制。此方法不会发生振荡，能适应外界环境改变较快场所。3、总结PV组件光电转换特征含有非线性，而且受光照强度和和温度等参数影响。现在常见MPPT算法关键有恒定电压法、扰动观察法和增量电导法。恒定电压法实现简单，不过实际使用较少。扰动观察法和增量电导跟踪精度高，应用较多。前者有可能在最大功率点周围振荡，光照强度忽然改变时可能会发生误判。后者跟踪速度和稳定性相对很好，但作者认为这两种方法本质上是一致。作者使用一个新型MPPT控制方法，实时性很好，且可避免误判。