光伏并网逆变器MPPT及双闭环控制技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要并网逆变器是新能源发电系统的重要组成部分。本文以三相单级式隔离型并网逆 变器为研究对象，对并网逆变器的两大核心问题最大功率点跟踪问题和双闭环控 制问题进行了深入研究。本文首先对MPPT控制技术进行研究。通过介绍光伏电池的工作原理及等效模型 得出了光伏电池的输出特性曲线，在此基础上，分析了一些常用的MPPT算法，其中 重点阐述了扰动观测法的实现。而针对扰动观测法会出现振荡和误判现象的缺陷，本 文提出一种改进的扰动观测法，其原理是在传统扰动观测法的基础上结合定电压跟踪 法来改善振荡现象，同时根据电流的变化情况来判断光照强度是否发生了突变，从而 有效地克服误判。仿真结果表明改进的扰动观测法能够快速跟踪最大功率点，并有效 地消除了振荡和误判现象。其次重点研究了电压电流双闭环控制策略。在三相逆变器dq模型的基础上，分析 了控制系统结构，并对电压外环电流内环组成的双闭环控制系统进行了设计，得出了 PI调节器的参数并对其性能做了分析。另外，由于PI控制器对交流量的失调性以及抗 电网扰动能力差，引入一种比例谐振控制器（PR）,对这两种控制器的性能比较之后得 出PR控制器能够更好的消除稳态误差并且抗电网扰动能力强。将PR控制与PI控制 相结合构成了一种新的电压外环PI控制电流内环PR控制的PI-PR控制系统。最后对整个光伏并网逆变系统进行了仿真与实验研究。在MATLAB中搭建了电流 内环PI控制，电压电流双闭环PI控制以及电压外环PI控制电流内环PR控制的系统 仿真模型，仿真结果表明控制系统能够很好的跟随电压电流波形，通过比较两种控制 方式下系统仿真结果发现在PI-PR控制下逆变器有更好的并网效果。论文的实验研究 是基于100KW光伏并网逆变器实验平台，对该实验系统的双闭环控制的软件实现进行 了详细说明，做了逆变器并网实验，实验结果表明本论文电压电流双闭环系统设计的 正确性。关键词：并网逆变器；MPPT；双闭环控制系统；PI控制；PR控制西南交通大学硕士研究生学位论文第n页AbstractGrid inverter is an important part of new energy power generation system.Based on three phase type single-stage isolated grid inverter as the research object,the two core problems of grid inverter,maximum power point tracking and double closed-loop control problems were In-depth studied.MPPT control technology is studied in the first place.Through the introduction of the working principle and the equivalent mode of photovoltaic battery,the output characteristic curve of photovoltaic battery is obtained.On this basis,some commonly used MPPT algorithm is analyzed,which Emphasis on the Implementation method of perturbation and observation method.For the oscillation and misjudgment phenomenon of perturbation and observation method,this paper put forward an improved perturbation and observation method,which principle is on the basis of traditional perturbation and observation method combined with constant voltage tracking method to improve the oscillation phenomenon.At the same time,by the change of current to judge whether the light intensity is changed or not,thus overcome misjudgment effectively.The simulation results indicate that the improved perturbation and observation method can rapidly track the maximum power point,as well as eliminate the phenomenon of the oscillation and miscalculation effectively.Secondly,the voltage and cxirrent double closed-loop control strategy is researched.On the basis of three-phase inverter dq model,Structure of control system are analyzed,and the parameters of PI controller is obtained by designing double loop control system.For PI controller cannot control the AC variable and its poor ability of grid interference resistance,a proportional resonant(PR)controller is introduced,comparing the performance of two kinds of controller obtain a result that PR controller has better ability to eliminating steady-state error and resisting the disturbance.Considering the superiority of PR controller,combining PR control and PI control constitute a kind of PI-PR control system,which is combined with voltage outer loop PI control and current inner loop control.Finally simulation and experimental research was carried out for the entire PV system,setting up the system simulation model of current inner loop monocyclic PI control,voltage and current double loop PI control and voltage outer loop PI control current inner loop PR control.The simulation results show that the control system can well follow the voltage and current waveforms.By comparing the simulation results in two kinds of control mode find 西南交通大学硕士研究生学位论文 第in页that PI-PR inverter has a better effect of grid-connected.Experimental study in this paper is based on the experimental platform of 100 kw photovoltaic grid inverter.On this experimental platform,the software implementation of double loop control is explained in detail,and make the inverter grid-connected experiments,the experimental results show that the correctness of the voltage current double loop system.Key Words:Grid-connected inverte；MPPT；Double closed-loop control system；PI controller；PR controller西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目 录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 课题研究的背景及意义.11.2 课题的国内外研究现状.21.2.1 最大功率点跟踪研究现状.21.2.2 双闭环技术研究现状.21.3 光伏产业市场发展前景.31.4 本论文主要研究工作.5第2章MPPT算法研究.62.1 光伏电池的研究.62.1.1 光伏电池的工作原理及等效模型.62.1.2 光伏电池仿真模型的建立.82.2 MPPT的基本工作原理.92.3 常见MPPT方法.102.3.1 定电压跟踪法.102.3.2 电导增量法.102.3.3 扰动观测法.112.4 扰动观测法的振荡与误判问题.122.4.1 扰动观测法的振荡分析.122.4.2 扰动观测法的误判分析.142.5 扰动观测法的改进.152.6 本章小结.17第3章 双闭环控制策略研究.183.1 并网逆变器的输出控制方式.183.1.1 电压控制方式.183.1.2 电流控制方式.183.2 三相逆变器的数学模型.193.2.1 三相逆变器的一般数学模型.193.2.2 三相逆变器的dq模型.213.3 三相逆变器控制系统设计.23西南交通大学硕士研究生学位论文第V页3.3.1 双闭环控制策略.243.3.2 双闭环控制系统结构.243.3.3 电流内环控制系统设计.253.3.4 电压外环控制系统设计.283.4 引入比例谐振控制的双闭环控制.303.4.1 比例谐振控制器分析.313.4.2 PR控制和PI控制的性能比较.313.4.3 比例谐振控制下双闭环控制系统结构.363.5 本章小结.37第4章光伏系统的建模与仿真.384.1 电流内环仿真分析.384.2 电压电流双闭环PI控制仿真模型的建立.414.3 电压电流双闭环PI控制下MPPT算法的仿真.434.4 电压电流双闭环PR控制仿真模型的建立.444.5 本章小结.53第5章 光伏系统实验分析.545.1 系统控制核心.545.2 系统软件设计.555.3 实验分析.565.4 本章小结.58结论.59致谢.60参考文献.61攻读硕士学位期间发表的论文.65西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1.1 课题研究的背景及意义能源是人类经济和活动的主要动力来源。在20世纪的世界能源结构中，一次性能 源主要有煤炭、石油、天然气等化石能源。然而化石能源的储量是有限的，随着经济 的发展、人口的增加以及人们生活质量的提高，化石能源消费总量将慢慢达到极限。国际能源机构预测,全世界煤炭只能用220年,油气开采峰值位于2012年,并将在30-60 年消耗殆尽口】。据估计我国的煤炭只可开采80年，天然气可开采30年，石油可开采 20年，新能源危机正逐步展现在人们面前。另外，化石能源的大量使用，会向空气中 排放大量的有害气体，严重破坏了地球的生态环境，造成了海平面上升、酸雨、温室 效应等等危害，这威胁到了人类的身心健康以及社会的可持续发展。以上两点促使了各国在积极探索可再生新能源，风力、水能以及太阳能等新能源 发电已经在世界各国特别是发达国家逐渐开展起来。其中由于太阳中蕴藏着人类取之 不尽、用之不竭的能源，地球每天从太阳中接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的 总能量的200倍。从环境角度看，与其他能源相比，太阳能并不会产生任何有毒，有 害气体，因而不会对环境造成污染，这符合可持续发展的主题。另外，我国总面积 2/3以上地区都有丰富的日照，太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万KW,如果把 地球表面的0.1%的太阳能转化为电能，并假定转化率仅为5%,那么每年发电量仍可 达5.6xlO12KWh,这是全球能耗的40倍。基于以上优点，太阳能光伏发电技术在新能 源领域中倍受瞩目，被认为是世界上最优的新能源技术，因此国家对光伏发电十分重 视，进行大量的投资，积极拓展市场，先后颁布了可再生能源法和电力法l41o 据国际权威机构预测，在不久的将来，全球太阳能利用量占世界能源总利用量的1/5 左右，太阳能即将成为人类基础能源的重要组成部分叫 并逐渐完成从补充能源向替代 能源的过渡。光伏并网发电系统，是指光伏发电系统与电网相联，共同承担供电任务。它是光 伏发电进入大规模商业化应用的必由之路。光伏并网发电系统具有许多优越性，可概 括为以下几点：(1)利用清洁的太阳能，不消耗化石能源，将不会有温室气体和污染物的产生，符合 可持续发展战略。(2)光伏发电系统所发电能直接馈入电网，省掉蓄电池，在投资上比独立光伏发电系 统减少25%30%,大大降低了发电成本。同时，省掉蓄电池还可避免蓄电池的二次 污染并提高系统的平均无故障时间。西南交通大学硕士研究生学位论文第2页(3)采用分布式发电，就近就地分散供电，可以灵活的进出电网，这有利于增强电力 系统的抗风险能力，并且可以降低线路损耗。但是并网光伏发电也存在一些缺点，比如并网光伏发电成本相对较高，在没有国 家支持的情况下，要全面普及有一定的难度；其次，光伏并网发电容易受到温度、光 照强度等各种因素的制约；再者，光伏电池的光电转换效率低，因此对光伏并网发电 系统的效率有较高的要求。但是，并网光伏发电不可否认的具有巨大的潜力与广阔的 前景。因此，并网光伏发电系统的研究受到了学术界与工业界的极大重视，可以推测，并网太阳能光伏发电必将在未来低碳社会中占据重要地位7间。1.2 课题的国内外研究现状对于光伏并网发电系统国内外已经做了不少的相关研究，包括最大功率点跟踪(MPPT)控制技术，并网控制技术、锁相技术、孤岛检测技术等等。而作为光伏并网 发电系统中两个关键环节MPPT环节和并网控制环节，更是成为国内外相关学者的研 究热点。1.2.1 最大功率点跟踪研究现状过去的几十年，国内外对最大功率点跟踪技术的实现方法进行了大量的研究，并 且取得比较好的成果，提出了多种MPPT控制算法倒。最早出现的控制算法是日本学 者提出的恒电压法“力 其后在1989年提出了扰动观测法，在对扰动观测法的研究 基础上，许多学者又进行了展开研究，各种改进的扰动观测法随之出现，主要有自适 应占空比扰动观察法口4、有变步长扰动观察法9等；进一步分析发现，光伏电池 在最大功率点在/成7=0,基于这一规律，在1995年，提出了电导增量法口叫 根据 功率尸对电压U的导数来判断最大功率点，其后又有一些对电导增量法的改进算法，如变步长电导增量法刘、零均值电导增量口等；另外，国内外学者还提出了一些 算法如模糊控制法1234】、神经元网络法磔匐等。以上各种算法都有其优缺点，随着理 论研究的不断深入，基本的MPPT算法已经成型，现在大多数学者做的就是在已有的 基本MPPT算法的基础上，针对各种MPPT算法的缺陷，进行一些改进，使其控制效 果更佳优异。1.2.2 双闭环技术研究现状早期，在逆变控制上使用的是方波逆变器】，其结构简单，但谐波含量大使得滤 波电路非常复杂；其后出现了阶梯波合成逆变器3，它在谐波含量这一块得到了改善，但这种逆变器没有调压能力，必须通过改变直流输入来实现调压；随后学者们将PWM 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页技术引入到逆变器的控制上从而大大提高了逆变器的输出性能,而随着PWM技术【29加】的引入，对逆变器输出波形的要求也越来越高，各种基于PWM逆变器的控制方案也 随之产生,其中双闭环控制卬网方案应用最为广泛。双闭环控制就是电压外环与电流内环结合而成的，在双闭环控制方案提出之前，人们通常是使用电压单环对逆变器进行控制，但由于电压单环控制对于交流侧电流的 调节效果不好，抗扰动能力差等缺点，人们开始考虑在电压环基础上增加电流内环，利用电流内环良好的抗扰性能及其对交流电流的快速跟随性，很好的改善了逆变器的 动态性能及输出波形。在双闭环控制方法中，PI控制网是最成熟且最广泛的策略，发展至今已有70多年 的历史。它利用比例控制器P和积分控制器I的控制规律，使控制器的输出很好的跟 随了输入。这种方法原理简单，有不错的动态性能，且控制参数比较容易整定，因此 成为工程上比较成熟的算法。但是传统PI控制不能直接对交流量进行控制，在并网控 制上，通常需要将交流电流进行dq分解成直流量再进行PI控制这一过程还夹杂着前 馈解耦，这加大了控制器设计的难度，另外PI控制抗电网干扰能力差。为解决以上问题，可以在双闭环控制中使用比例谐振（Proportional Resonant,PR）控制器，PR控制器理论成熟于20世纪90年代，最先在有源滤波器及谐波补偿控制的 设计当中使用皿】。在三相电流的控制之中得到应用是2004以后因阴】。通过比例谐振控 制器，可以直接对交流电流进行控制，系统抗干扰能力显著增强，稳态性能得到了改 善。1.3 光伏产业市场发展前景近年来，光伏技术正飞速发展，具体表现在光伏电池组件的寿命不断增长、光伏 装机容量增加、发电成本降低、大型光伏电站越来越多等方面，随着光伏技术的不断 成熟，光伏产业的市场价值也越来越高，具体表现在以下几方面。从光伏产业的发展趋势上看，其拥有广阔的发展空间。首先，在装机容量上，光 伏装机容量在过去几年内不断增大，根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计，从 2002年至2010年，我国光伏装机容量从20.3MW增加到500MW,增长了 23.6倍，年均增长41.3%；光伏发电累计容量从45MW增加到79 7.5MW,增加了 16.3倍。根据 半导体设备暨材料协会（SEMI）的统计，2011年国内新增光伏装机容量2.7GW,占到 2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。其次，光伏发电在电力供应中的比重也将 持续上升。根据欧盟委员会联合研究中心（JRC）的预测，到2030年可再生能源在总 能源结构中的比重将达到30%以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中的比重将 达到10%以上；2040年可再生能源占总能源50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页比重达到20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能 光伏发电占到60%以上。可见，随着新能源技术不断成熟，太阳能等新能源在各国能 源结构中的比重将越来越大河。从国家的政策上看，我国从2009年开始实施金太阳示范工程和太阳能光电建筑应 用示范项目，在2012年12月19日温家宝总理主持召开的国务院常务会议上，确定了 促进光伏产业健康发展的5大政策措施。即：（-）加快产业结构调整和技术进步。善 加利用市场“倒逼机制。鼓励企业兼并重组，淘汰落后产能，提高技术和装备水平。严格控制新上单纯扩大产能的多晶硅、光伏电池及组件项目o（二）规范产业发展秩序。加强光伏发电规划与配套电网规划的协调，建立简捷高效的并网服务体系。建立健全 技术标准体系，加强市场监管，对关键设备实行强制检测认证制度。（三）积极开拓国 内光伏应用市场。着力推进分布式光伏发电，鼓励单位、社区和家庭安装、使用光伏 发电系统，有序推进光伏电站建设。加强国际合作，巩固和拓展国际市场。（四）完善 支持政策。根据资源条件制定光伏电站分区域上网标杆电价，对分布式光伏发电实行 按照电量补贴的政策，根据成本变化合理调减上网电价和补贴标准。完善中央财政资 金支持光伏发展的机制，光伏电站项目执行与风电相同的增值税优惠政策。（五）充分 发挥市场机制作用，减少政府干预，禁止地方保护。完善电价定价机制和补贴效果考 核机制，提高政策效应。发挥行业组织作用，加强行业自律，引导产业健康发展。会 议要求各有关部门抓紧制定完善配套政策，确保落实到位叫】。这说明我国已经明确了 光伏行业的大方向，光伏行业将未来的日子里快速发展。从光伏发电的成本上看，其呈现下降趋势口叫 依赖于各种光伏产业的促进政策，各国在不断加强对光伏技术的研发力度，光电价格竞争力不断上升。太阳能电池硅片 厚度已经从20世纪的450500 um下降到目前160180 u m,改进硅切片技术在降低 电池片厚度的同时还提高了产品光电转换率，这不仅大幅减少光伏系统硅材料用料，降低生产成本，还提高光伏系统发电效率，降低运行成本。同时，硅料生产的技术进 步降低了产业中上游环节的成本，改良型西门子法、新硅烷法、硫化床法、冶金法等 新技术被广泛采用，与传统西门子法比较，采用这些新技术的企业将硅料生产成本降 低了 3 0%5 0%,使得多晶硅价格在近几年有较大幅度的下降。随着光伏性价比的 不断提高，发电成本在不断下降，这就使得光伏产品更加容易在市场上得到广泛使用。实际上，在主要依赖于火力发电的情况下，我国还有部分地方存在缺电甚至无电 的情况，能源供需矛盾仍然比较大，另一方面，虽然较之于国外，我国光伏应用市场 起步较晚，且发展较慢，但随着市场的成熟，我国已经形成了比较完整的光伏制造业 产业链，并在不断的延伸和完善，可以断定，在未来的日子里，国内光伏市场将步入 快速发展时期。西南交通大学硕士研究生学位论文第5页1.4 本论文主要研究工作本论文的完成是基于100KW光伏并网逆变器研究项目，系统整体设计是在四川德 能科技有限公司进行的，各个模块的研究实现由本人和实验室同学以及公司同事共同 完成，其中算法在TI公司的TMSF2812DSP中进行验证。本文就光伏并网逆变系统中 的核心问题最大功率点跟踪的实现以及双闭环控制策略，进行了深入的分析与研 究。论文主要研究工作安排如下：第一章为绪论，介绍光伏发电的背景及意义，光伏发电技术的国内外研究现状，并展望了光伏产业的市场发展前景。第二章先是分析了光伏电池的工作原理及等效模型，根据光伏电池的等效模型建 立了光伏电池的输出电流/与电压V的特性关系方程，通过此关系式建立了光伏电池 MATLAB仿真模型,接着描述了最大功率点跟踪的基本原理,介绍了几种常见的MPPT 方法，然后重点分析了扰动观测法的实现以及其振荡和误判，在此基础上，提出一种 改进的扰动观测法来消除振荡和误判现象对系统的影响。第三章是对双闭环控制策略的研究。首先介绍了并网逆变器的两种输出控制方式，分析比较其优缺点从而选择了一种适合于本系统的输出控制方式；其后根据三相逆变 器的拓扑结构，利用电路基本定律，建立三相逆变器的一般数学模型，再通过坐标变 换建立了三相逆变器的dq模型以方便控制系统设计：在三相逆变器的dq模型的基础 上，对三相逆变器控制系统进行了设计，详细阐述了三相逆变器电压外环、电流内环 的设计方法并对其稳定性进行了仿真分析；最后，针对交流量的控制引入了一种比例 谐振(PR)控制器，通过与传统PI控制器的分析比较显示其优越性，并提出了一种基 于电压外环PI控制、电流内环PR控制的PI-PR双闭环控制方法。第四章是在前面几章的研究基础上，对整个光伏并网逆变系统进行了仿真分析。通过对电流单环PI控制仿真模型的调试，得出电流内环PI参数，再加入电压外环，建 立电压电流双闭环PI控制的仿真模型，该模型下系统能够很好的跟踪电压电流波形。接着在系统模型下对传统扰动观测法和改进扰动观测的法实现效果进行了仿真比较，仿真结果显示了改进扰动观测法的优越性。最后对前面引入的PI-PR双闭环控制系统 进行建模仿真，与电压电流双闭环PI控制的比较中发现，所设计的PIPR双闭环控制 系统有更好的并网效果。第五章为光伏系统的实验研究。在前面理论研究的基础上，开发了实验样机，重 点验证前面双闭环控制策略的实现效果。给出了电压电流双闭环控制的软件流程图，在搭建的100KW光伏并网逆变器实验平台上做了并网实验，实验结果表明所设计的双 闭环控制策略的可行性。西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章MPPT算法研究由于目前光伏电池的价格比较高但转换效率偏低，光伏发电的初期投入相当大，所 以我们要尽可能的提高光伏发电的效率。本章先对光伏电池的工作原理及等效模型进 行研究，得出其输出特性曲线。在光伏电池研究的基础上，考虑到光伏阵列的输出特 性易受外界环境（温度、光照强度）影响这一特点，可以采取一些控制方法来实时调 整光伏电池的工作点，使光伏电池始终工作在最大功率点附近，以此来提高光伏发电 的效率，这就是所谓的最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）o在对MPPT技术进行研究的时候，关键是确定一个好的算法，本章介绍了光伏系 统最大功率点跟踪的原理，分析了几种常见的MPPT方法，并重点研究了扰动观测法 的实现，另外针对扰动观测法的振荡和误判现象，本章提出了一种改进的扰动观测法，其原理是在传统扰动观测法的基础上结合定电压跟踪法来改善振荡现象，同时根据电 流的变化情况来判断光照强度是否发生了突变，从而有效地克服误判。2.1 光伏电池研究光伏电池是光伏并网系统最为重要的组成部分之一，本节将对光伏电池的工作原 理、等效模型进行详细的研究，并建立光伏电池的MATLAB仿真模型。2.1.1 光伏电池的工作原理及等效模型在光伏发电中，光伏电池是作为一种能量转换器也】来使用，借助于光伏电池，太 阳能这一辐射能才能转换为电能被我们利用。光伏电池的制作是基于半导体材料的光 伏效应，所谓光伏效应旬，是指当光照射到半导体上时，半导体会随着其内部的电荷 分布的变化而产生电动势和电流。虽然不同厂家，不同型号的光伏电池的输出特性曲线会有有所不同，但不同光伏 电池的电压电流始终遵循一定的等式关系。这一规律为我们在进行仿真时模拟光伏电 池的输出奠定了基础。电池单元是一个非线性的电路器件，它的等效电路模型如图24所示。光伏电池 可以看成是由理想电流源、反向并联二极管D、并联电阻（和串联电阻凡组成。其输出电流/与电压P的特性关系如等式（21）所示。1=，q(V+/4)AKT西南交通大学硕士研究生学位论文第7页（2-1）式中，/曲为光生电流，却为二极管反向饱和电流，4为二极管特性因子，K为 玻耳兹曼常数，T为环境温度，凡和（分别为光伏电池的串并联电阻。图2-1光伏电池的等效模型虽然式（21）给出了准确的光伏电池关系式，但是等式中用到的参数A&、（并不知道，但厂商通常会提供标准测试条件（STC）下测出的Q、l、（、匕、匕值。因此，可以对（21）进行等价变形，使等式中的未知量与厂商提供的已知量对 应起来。在等式变换之前，先对式（21）进行两项近似：1,忽略匕誉项，因为（很大，通常情况下此项值远远小于 Rp2,设定/加=心门 因为通常情况下均远远小于二极管正向导通电阻。在上述两项近似的前提下，代入开路电压嚓和最大功率点电压嚏，分别为/=0 时，-=嚷以及，=/.时f=乙，从而解出/=15cll-Glexp/-1）（2-2）其中Vmpp)-i-iT)ln(l-把)参数G，仅由喉、小、%p、/卬尸决定，而这些量都可以从光伏电池的产品 规格书中得到，故由式（22）可以准确计算出光伏电池的关系式。由于嚷、&、Vg会随着光照强度与温度的变化而变化，因此，G，。2也会时刻变化。但不 管环境如何变化，等式（22）都是成立的，这也为后面的研究提供了基础【42】。西南交通大学硕士研究生学位论文第8页2.1.2 光伏电池仿真模型的建立根据光伏电池的输出电流/与电压）的特性关系方程，设置&=4.9 A、嚷=43.2V、/叼尸=4.51A、%尸=34.4V,对光伏电池进行建模得如图2.2所示的光 伏电池的仿真模型。Discrete,=Ie-00.powerguiClock图22光伏电池的仿真模型仿真模型输出的U-1曲线和U-P曲线如图23,图2-4所示，从仿真波形可以看 出，此仿真模型很好的模拟了光伏电池的输出特性。图23光伏电池曲线西南交通大学硕士研究生学位论文第9页图2Y光伏电池U-P曲线2.2 MPPT的基本工作原理在光伏并网发电系统中，效率问题至关重要，而要提高整个系统的发电效率，关 键在于提高光伏电池的输出效率，也就是要使光伏电池保持最大功率输出，即始终工 作在最大功率点。从2.1节对光伏电池的研究可知，光伏电池是非线性电源，其输出功 率会随着光伏电池工作电压的变化而变化，同时受光照强度和温度的影响也比较大，因此，我们进行最大功率点跟踪的时候要考虑到外界环境的变化，这也给我们进行最 大功率点跟踪带来了一定困难。进一步对光伏电池的输出特性曲线进行分析发现，在光照强度和温度一定的情况 下，总存在着一个光伏电池的最大功率点。因此，我们要做的就是找到这个最大功率 点，并且让光伏电池能够稳定工作在这个最大功率点。最大功率点跟踪从本质上来说 是一个自寻优过程，在具体控制上，改变光伏电池的工作点是通过控制光伏电池端电 压的方式来实现的。从前一节得出的光伏电池的尸曲线可知，光伏电池存在一功率 峰值，假设光伏电池工作在最大功率点时电压为U/光伏电池的工作点电压为U,当 Uv时，随着U的上升光伏电池的输出功率增大，而当时，随着。的上升光 伏电池的输出功率是下降的。综上，最大功率跟踪的过程可以归结为：在判断出光伏 电池所处工作区域后，通过改变光伏电池端电压的方法，不断调整使光伏电池的工作 点逐渐向最大功率点靠拢，并最终达到最大功率点跟踪的目的。西南交通大学硕士研究生学位论文第10页2.3 常见MPPT方法过去几十年，国内外学者在对光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）控制技术的研究上 作了大量的工作，提出了多种MPPT算法，总的来说可分为开环MPPT方法和闭环 MPPT方法。外界环境的变化会对光伏电池输出特性曲线造成影响，这其中存在着某些规律，比 如通过分析比较最大功率点电压。”，和光伏电池的开路电压外,我们就会发现，它 们之间存在着近似关系，像这样的规律还有不少，而在这些规律的基础上，可以得出 一些开环MPPT方法。这一类方法实现简单，能够快速工作到最大功率点，但并不能 准确的跟踪到最大功率点，这就使得工作效率很低。因此，实际中往往不能单独使用（太阳能光伏并网发电及其逆变控制）o闭环MPPT方法是通过实时测量光伏电池输出电压与电流，并在闭环控制下实现 的MPPT方法，主要包括电导增量法、扰动观测法等。23.1定电压跟踪法由于在温度变化不大的情况下，光伏电池的最大功率点受光照强度的影响不大，几乎工作在一个点左右。因此，可找到这一工作点电压，就可以近似看成光伏电池工 作在最大功率点，这种MPPT方法就是定电压跟踪法依】。进一步研究表明，光伏电池的最大功率点电压。呐与光伏电池的开路电压心之 间存在以下关系：Uw W0c（2-4）其中，片为比例系数，一般取0.8左右。定电压跟踪法控制简单，易于实现，但它的控制精度不高，受温度的影响很大，故 不能准确跟踪最大功率点。实际中，通常把定电压跟踪法与其他闭环MPPT方法组合 使用。232电导增量法电导增量法网是通过比较光伏阵列的电导和电导变化率之间的关系，从而得到最 大功率点的一种方法。前面分析可知，光伏电池P-U特性曲线是一阶连续可导的单峰曲线，光伏电池输 出功率为P=UI(2-5)等式两边分别对电压U求导，有西南交通大学硕士研究生学位论文第11页也=I+U生 dU dU在光伏电池最大功率点处，有 dPldU=Q式（27）代入式（26）得di I=dU U(2-6)(2-7)(28)式（28）即为光伏电池工作在最大功率点需满足的条件。电导增量法的具体判 据如式（29）所示。A最大功率点左侧 dU U=-上 最大功率点 aU U 4,将不改变扰动方向，从而继 续向最大功率点靠近。但是当电压扰动至%时光照强度突然变小，系统将工作在4处,此时就出现了A4的情况，系统将改变扰动方向，从而向远离最大功率点的方向运 动，造成控制系统的误判。如果光照强度持续减小，将会不断误判，使工作点不断左 移，这将导致功率的持续下降。2.5 扰动观测法的改进前面分析了扰动观测法的振荡和误判问题，这些都使得系统不能准确的跟踪到最 大功率点，从而导致了能量的损失。基于这两个问题，本节对扰动观测法进行一些改 进，提出一种新的MPPT控制方法来消除振荡误判问题的影响。由前面对定电压跟踪法的分析可知，光伏电池的最大功率点电压。喧与光伏电池 的开路电压外之间存在近似的线性关系U”a 0.8U，因此 若把=0.8。0c作为 首个MPP电压，然后再以小步长对最大功率点进行跟踪。这种方法通过定电压跟踪法 是系统快速工作在最大功率点附近，再通过小步长控制可以大大减小振荡幅度，从而 很好的抑制了振荡问题。下面提出一种克服误判问题的方法。由前面分析可知，误判问题主要是因为外界光照强度的变化引起的，要克服误判 问题，首先要能够正确判断MPPT计算的下一个采样周期和前一个采样周期相比是否 发生了光照强度的剧烈变化，因此，我们在相同温度不同光照强度条件下对MPPT控 制方法进行分析。必z舞wm m簿端电压标幺值图2-9相同温度不同光照强度下电池特性曲线西南交通大学硕士研究生学位论文第16页图29为相同温度不同光照强度下U-1特性曲线，通过观察发现，同一光照强度 下，最大功率点附近的电流的变化量并不大，但是当光照强度发生改变时，电流变化 量很大。基于这一规律，提出一种新的克服误判问题的方法。我们先通过比较电流的 变化率的大小来大致判断光照强度是否发生了大的变化，当光照强度没有变化时，继 续用扰动观测法对最大功率点进行跟踪。而当光照强度变化很大的情况下，光伏电池 输出的P-U曲线发生了变化，因此要把上一次采样环境下得到的功率折算到当前采样 环境下的功率，考虑到光照强度变化前后同一工作点电压下电流变化明显，且光照强 度不变的情况下最大功率点附近电流变化不大，当假设前次采样的时候光照强度和当 前采样时一样，那么前次采样电流应近似等于当前采样电流，而用前次采样电压 与当前采样电流/（局的乘积尸口-1）就可以看成是前次采样功率P（l）,用折 算后的功率尸（七-1）与当前采样功率尸（与进行比较，就可以看成是在同一光照条件下的 功率比较，接着继续进行扰动观测法下面的步骤以完成整个最大功率点跟踪过程。改进的扰动观测法的流程图如下：检测U、I%=0.叼8 Up=返回图2-10改进的扰动观测法的流程图西南交通大学硕士研究生学位论文第17页2.6 本章小结本章对MPPT控制方法进行了分析，介绍了几种常见的MPPT算法，并具体分析 了扰动观测法，并根据其振荡和误判问题，提出了一种改进的扰动观测法，该方法可 以很好的解决扰动观测法存在的振荡和误判现象，最后建立了 MATLAB仿真模型，通 过仿真验证了改进扰动观测法在控制效果上的优越性。西南交通大学硕士研究生学位论文第18页第3章双闭环控制策略研究电压电流双闭环反馈控制的是目前先进的控制技术之一。其中，外环为输出电压 反馈，作用是控制直流侧电压，其输出作为内环给定；内环为交流侧电感电流反馈，电流环设计为电流跟随器性质。由于电压电流双闭环控制