基于改进滞环比较法的光伏阵列MPPT.pdf

第 4 6卷 第 9期 2 0 1 2年 9月 电 力 电子 技 术 P o w e r E l e ct r o n ics Vo1 46，No9 Se p t e mb e r 201 2 基于改进滞环比较法的光伏阵列 MP P T 沈旦 立 1 , 2 ，李振璧 ，皇淼淼 ，曹金虎 z ( 1 安徽理工大学 ，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 阳光电源股份有限公司，安徽合肥2 3 0 0 8 8 ) 摘要： 常规的定步长滞环比较法具有可较大程度避免振荡和误判现象的特点 在光伏阵列的最大功率点跟踪 ( MP P T ) 系统中具有广阔的应用前景， 然而常规定步长滞环比较法难以获得较高的稳态跟踪精度 。提 出了一种 变步长滞环比较法 ， 并且结合常规的定步长滞环 比较法和扰动观测法进行了对 比实验 ， 实验结果证明了该方 法 的有效性 。 关键词： 光伏阵列 ；最大功率点跟踪；滞环比较法 中圈分类号： T M 6 1 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 0 4 0 3 Ph o t o vo l t a ic Ar r a y M a x imu m Po we r Po int Tr a ck in g Ba s e d o n I mp r o v e d Hy s t e r e s is Co mp a r is o n M e t h o d S HE N D a n 1 i 一 ，L I Z h e n b i ，HUANG Mia o mi a o ，C AO J in h u ( 1 An h u i U n i v e r s i t y o f S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h in a ) Ab s t r a c t ： T h e co n v e n t io n a l fi x e d s t e p h y s t e r e s is co mp a ri s o n me t h o d is w id e l y u s e d in t h e p h o t o v o h a ie a r r a y ma x imu m p o w e r p o in t t r a ck i n g ( MP P T)s y s t e m d u e t o a l a r g e e x t e n t a v o id o s cil l a t i o n a n d the ch a r a ct e ris tics o f t h e p h e n o me n o n o f f als e p o s i t iv e s Ho w e v e r ， the co n v e n t i o n a l fi x e d- s t e p me tho d o f h y s t e r e s i s i s d iff i cu l t t o o b t a i n a h i g h s t e a d y- s t a t e t r a ck in g a ccu r a cy T h is p a p e r p r e s e n t s a v a r ia b l e s t e p s iz e o f the h y s t e r e s is co mp a ri s o n me t h o d co mb in e d wit l l the co n v e n t io n al fix e d s t e p s iz e o f the h y s t e r e s is co mp a r is o n me tho d a n d p e r t u r b a t io n a n d o b s e r v a t io n me tho d f o r co mp a r a ti v e e x p e ri me n t ， t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s d e mo n s t r a t e the e f f e ct iv e n e s s o f the me t h o d Ke y wo r d s： p h o t o v o h a ic a r r a y；ma x imu m p o we r p o in t t r a ck in g；h y s t e res is co mp a r is o n me t h o d 1 引 言 当今社会 ， 随着经济 的迅速增长 ， 各 国对能源 的需求越来越大 。低碳生活越来越受到各 国的重 视【 1 J 。光伏技术 由于其具有无 污染且零排放 等优 点 ， 近年来得到 了显著发展 。在光伏发 电系统 中， 光伏 阵列将太 阳能转化为直流 电能 再 由逆变器 将 直流 电能变换为 负载所 需 的各种 形式 的电能 。 由于光伏 阵列输 出电压特性呈非线性 。具有最大 功率点 ( M P P ) 。 而且 其 MP P会 随光照和环境温 度 等因素 的变化而变化 。 为提 高系统 能量利用率 。 必 须采用适 当的算法控制逆变器 捕捉 即时的 MP P 以保证 系统每 时每刻运行在 MP P 。 常用的 M P P T算法包括 ： 固定电压法、 短路电 流法 、 扰动观测法等 ， 其 中扰动观测法简洁且易实 现 它相对于 固定 电压法和短路 电流法有更高的 精度 。 故得到 了广泛的应用 ， 但扰动观测法难 以保 定稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 3 1 作者 简介 ： 沈旦 立 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 浙 江杭 州人 ， 硕 士研 究 生 ， 研 究 方 向 为 电 力 电 子 应 用 技 术 及 光 伏 发 电技 术 。 4 证使用过程中出现的振 荡和误 判现象 故为 了解 决此难题 ， 这里提 出滞环 比较法 ， 该方法既可解决 在 MP P附近 的振 荡 问题 又可解决 由于外 部环境 连续变化而产 生的误判 问题 。同时这里还提出变 步长 的方式结合 B o o s t 硬件 电路 ， 与定步长滞 环 比 较法和扰动观测 法进行 了对 比实验 验证了改进 算法 的有效性。 2原 理与 设计 2 1光伏 电池等效 电路分析 为更好地分析光伏阵列 与系统达到最佳阻抗 匹配 可通过建 立数学模 型来 分析光伏 电池 各项 参数的变化规律【 2 。光伏 电池的理论模型等效 电路 如 图 1 a所示 。由图可得输出特性方程为 ： ， L = 一 m 一 【 ， l ) R ( 1 ) ， L ， 0 (e x p f 】 _ 1 】一 ( 2 ) 式 中 ： ， D h 为光 生 电流 ； ， 0 为 电池 反 向饱和 电流 ； q为 电子 电 量 ； T为绝 对温度 ； K为波 尔兹 曼常数 ； A为 理想 因子 。 但一般在讨论实际等效 电路 时可 忽略并联 电阻 R 。对 光伏 电池的等效 电路进行 分析发现 ： 基 于 改 进 滞 环 比较 法 的 光 伏 阵 列 MP 串联 电阻 R 。 越大 ， 则 短路 电流越 小 ， 但不会 对 开 路 电压造 成大 的影响 ； R 越 大 ， 则开路 电压 会变 小 ， 但不会对短路 电流造成大 的影 响。由于 R 为 数千 欧姆 ， 而 。 一般小于 1 Q， 因此 ， 在 下面 的讨 论中将忽略 尺 ， 得到光伏 电池 的简化等效 电路如 图 1 b所示。 由图 1 b可得输 出特性方程为 ： ， L= 一 ， 0 e x p 一 1 )( 3 ) ， p f 昂 “ v D I ， c 。 l ( a ) 等 效 电路 图 ( b ) 等效 简 化 电路 图 1 光伏 电池 等效 电路与 简化 电路 图 F ig 1 E q u iv a l e n t a n d s imp l ifi ca t io n c ir cu it o f P V ce l l 2 2光伏 特 性 受 环 境 的 影 响 变化 研究表 明 ， 除光伏 电池板本 身材料 工艺外 ， 影 响输 出 MP P的主 要 因素还有 光照 强度和环 境温 度【 。因此 ， 需首先 了解光照 s 和温度 对 光伏 电 池的影响 ， 如 图 2所示 。 SI ( a ) 在相 同环 同 下的， 曲线 ( b ) 在相 同 同丌的， - 曲线 图 2 光伏 电池 输 出特 性 曲线示意 图 F ig 2 O u t p u t ch a r a ct e r is t i c cu r v e s s ch e me a t i c d i a g r a m o f P V ce l l 2 3 MP PT控 制方 案 2 3 1扰 动 观 测 法 扰动观测法 是光伏 MP P T系 统 中应用最广 泛 的控制策略之一。算法基本思想【 4 】 ： 扰动光伏 电池 的输 出电压 ， 然后观测光伏 电池输 出功率 的变化 。 根据功率变化的趋 势改变 电压的扰动方 向从而 使光伏 电池工作在 MP P 。由算法原理可知 ：扰动 观测法具有简单可靠且易实现 的优点 但它是一 种 自寻优搜索控制方法 。即不直接检测外界环境 因素 的变化 ， 而是通过直接测量所得 的信号 判断 MP P的位 置 ，从而进 行追 踪 。这 样就 会 出现 在 MP P附近 的振荡现象和 因外部环境动态变化而产 生 的误判现象。 2 3 2滞 环 比 较 法 为抑制振 荡 ， 引入滞环控 制策略 ， 当功率在所 设的环 宽内出现波动 时 光伏 电池工作 点保 持不 变 ，只有 当功率波动超 出所设 的环 宽时才 改变工 作电压。误判实 际就是一种外 部环境变化 的动态 振荡过程 ， 故滞环控制可有效地克服误判和振荡 。 滞环 比较法f 5 】 的基本原理 ： 设定一个 当前 工作 点 a ， 依据 扰动 的方 向扰动 一个步长至 c 点 ， 之 后 再反方 向扰动两个步长至 b点 通过测得 3点功 率值 ， ， 进行 比较判 断确定扰动方 向。通 过 双 向扰 动来确保扰动 的可靠性 以避 免误差 有效 地抑制了误判现象 。 2 3 3 变 步 长滞 环 比较 法 为 了能更加有效 的逼近 MP P，在 外界环 境处 于相对稳定的状态 时 ，功率 处于相对稳 定的状态 下 ， 实施变步长 的功率追踪。该方法不仅能有效避 免振荡和误判 问题 ， 又提高了光伏电池利用率 。自 适应变步长滞环 比较法 的 MP P T流程如 图 3所示。 图 3 流程 图 Fig 3 The flo wch a 滞环 比较法 由于迟滞效应 ， 具有在 MP P附近 防止误判 的功能 ，但 由于变步长滞环 比较法的环 宽即为扰动步长 ， 当环 宽小于一定值 时 同样会产 生误判现象 ， 这样就 失去 了防止误判的作用 。 为避 免误判产生 。这里提 出的 自适应方法可 以很好地 解决环 宽减小与避免误判 间的矛盾 再适 当采用 多次判断方法 ， 就 可以更好地避免误判。 自适应滞环 比较法的基本 思想【 6 ： 设定一个指 定大 小的环宽 ，在外界环境稳定 时，环宽逐渐减 小， 在指定环宽范围 内。 环宽随环境 的连续变化不 断的缩小和放大 ，以达到避免误判又提高 了效率 5 第 4 6卷 第 9期 2 0 1 2年 9月 电力 电 子技 术 P o we r E l e ct r o n ics Vo 1 4 6，No 9 S e p t e mb e r 2 0 1 2 的作用 。配合多次判断 ， 必然会产 生延迟 ， 势必对 MP P T的稳态精度产生影响 。 但只要合理采用 自适 应和 多次判断 的方法 ， 不仅 能较好地提高效率 ， 同 时可 以最大 限度地避免误判 。 3仿 真 与实验 3 1仿 真 与 结 果 仿真基于 B o o s t 硬件 电路 。 做变 步长 滞环 比较 法、 定步长滞环 比较法和扰动观测法对 比仿真 。 电 路硬件参 数 ： 母线 电容 压 降为 4 O V。 电池 板最 大 功率不超过 7 5 W。采用 MO S F E T作为开关器件 ， 在标准测试条件下进行 ， 光伏电池的温度为 2 5 c c ， 光 照 强度 1 0 0 0 W m 2 开路 电压 2 1 6 V， 短路 电 流 4 8 A 。 测试采用静态的跟踪过程 ， 实时观测、 追 踪 电压和最大功率的变化。变步长滞环 比较法实验 结果如 图 4所示。在 2 5 o C， S = 1 0 0 0 W m 条 件 下 ， U= 1 6 5 V， ， = 1 5 A， P ro = = 7 4 2 5 W 。 7 4 2 7 4 7 3 8 7 3 6 _l 1 0 2 0 2 4 0 2 8 0 】 8 0 2 0 2 2 0 2 4 0 2 6 02 8 ( a ) 电t压 s 变化 ( b ) 最大t功l s 率变化 图 4 变步长滞环比较法仿真波形 F ig 4 A v a r ia b l e s t e p s iz e o f t h e h y s t e r e s is co mp a r is o n me t h o d s imul a t io n wa ve f o r ms 定 步长滞环 比较法 的仿真 结果如 图 5所 示 。 与变步长滞环 比较法相 比， 在相 同条件下 ， 在 MP P 步长始终保持不变 ， 且输 出功率也保持不变。 莲匿 ( a ) 电 压变 化 ( b ) 最 人 功 率变 化 图 5 定步长滞环 比较法仿真波形 F ig 5 A fi x e d s t e p s iz e o f t h e h y s t e r e s is co mp a ri s o n me tho d s im u l a t io nw a v e f o r r r l s 图 4与 图 5主要 区别 是在 图 4中很 明显 出现 了步长逐渐减 小 ， 而在 图 5中 ， 步长不变 ， 虽然可 以保证 良好 的迟滞效应 ， 可应对环境 的连续变化 。 但 无法 保证在 环境 相对 稳定 时 MP P的扰动 误差 精度 。而变步长滞环 比较法克服 了定步长滞环 比 较法的扰动误差精度 问题 。同时也保 留了定步长 滞环 比较法 的滞环效应。 而扰动法在静态追踪 时， 由于环境变化相对稳定 ， 也不会 出现误判现象 ， 追 踪效果非常理想 。 仿真结果表 明， 与变步长滞环 比 6 较法一样 ， 扰动观测法在静态变步长 的状态下 ， 也 有很高的利用效率 。仿真结果如 图 6所示 。 图 6 变 步长扰 动观 测法仿 真波 形 F i g 6 A v a ri a b l e s t e p s i z e o f p e r t u r b a t i o n o b s e r v a t io n me t h o d s imu l a t io n wa v e f o 17 f l s 3 2 实 验 实验 基于 4 k W 小功率 光伏 逆变 器平 台 。 采 用 C h r o m a直流源进行模拟光伏 电池和测试实验 。 做滞 环比较法和扰动观测法 的静态和动态对 比实 验。电路硬件参数 ： 母线 电容压降为 5 2 0 V， 母线 电 容 为 2 8 0 0 F， 电感 为 1 5 m H， 采用 频率较 高 的 MO S F E T作为开关器件 。 静态测试 ： 设定光伏电池的开路电压为 5 0 0 V， 短路 电流 1 1 A， 实验结果如 图 7所示。可见 ， 无论 是扰动观测法还是滞环 比较法都具有较好 的追踪 效果 ， 且 MP P的电压 = 4 0 0 V， 电流 = 1 O A。 不同的是变步长滞环比较法不仅电压、 电流更加稳 定 ， 而且追踪速度也更快。 萋匡 萋匿 t ( 2 0 0 s 格)t l ( 2 0 0 s 格 ) ( a ) 扰动 观 察法 ( b ) 变步 长滞环 比较法 图7 静态追踪实验波形 F ig 7 S t a t ic t r a ck in g e x p e ri me n t a l w a v e f o r ms 动态测试实验是为 了检验在变 化的外界环境 下 光 伏 逆 变 器 MP P速 率 。 测 试 引 入 E N 5 0 5 3 0： 2 0 1 0标 准【 7 。 动态 测试变 化 的光照条 件是 由一个 渐变顺序的辐射梯度 以及不 同辐射水平 的光照组 成 的。具体 而言 ，辐射梯度 变化 范围对 应 3 0 1 0 0 的功率变化范 围 也就 是功率在此范 围内从 小到大 ， 再从大 到小来回变化 。设置 1 0 0 0 W m 为额定参考光照水平 。 在相 同的条件下 ， 这里所采 用 的变步长滞环 比较法 比扰动观测法和 定步长滞 环 比较法动态效率有较 大的提 高 ，而 且扰动 时间 也有所减小。 实验波形如图 8所示 ， 光照变化速率 为 1 0 0 W m 。 通过实验对 比可知 ：扰动观测法在实施动态 追踪时 。 由于光照 的连续变化产 生的误判 ， 导致 电 压发生偏离现象 ，电流产生较强波动 ， ( 下转第1 5 页) 1 0 G W 级风 电基地 S V G控 制参 数优化 研 究 1 3 8 。响应 时间、 最大超 调量 的定义遵循 静止无 功补偿装置性能特性 ( G B T 2 0 2 9 8 2 0 0 6 ) 。 圈 霍 一 蕊 一 图 5 不 同 时的 S V G动 态 响应 曲线 F ig 5 S VG d y n a mic r e s p o n s e cu e s wit l l d i ffe r e n t K 由测试 结果可见 ， K 越大 ， S V G动态 响应 时间 越短 。从装置性能来看 ， 动态 响应 时间越短 ， S VG 动态跟随性能越好 。在 电网故障 时能更快地提供 无功支撑。但 是 ， 在动态响应 时间缩 短的同时 ， 达 到最大无 功输 出过程 中 出现 的超 调也会增 大 。 甚 至会 出现振荡。 当超调量过大时 ， 可能会引起 继电 保护误动作 。 从而影 响电网正常运 行。 从 电网对风 电场动态无功补偿装 置的要求和 电网稳 定运行 的 角度综合考虑 ， 最终将风 电场 S V G参数 K 设置 为 0 1 。 其对应 电压 闭环动态 响应时 间为 2 7 4 ms ， 能 够满足 电网公司关于风 电场无功补偿装置响应 时 间不大于 3 0 m s的要求 。 5 结 论 针对 目前大规 模风 电在并 网 中存在 的问题 ， 提 出在风 电场并网 点加装静止无功发生器来提高 电网电压稳定性 的方法 。分析 了静止无功发生器 的工作原理 控制系统 的组成和在 电压 闭环 时所 采用 的控制方法 ， 根据现场测试 中存在 的问题 ， 研 究了静止无功发生器控制参数对动态 响应 时间的 影 响。比较 了不 同积分增益系数 时的静止无功 发 生器 动态 响应 曲线 ， 并结合现场运行要 求 ， 对动态 响应 时间选取进行 了分析。 参考 文献 【 l 】 王承煦， 张源 风力发电 M 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 2 2 】 王兆安 ， 杨君 ， 刘进军 谐波抑 制和无功功 率补 偿【 M】 北京： 机械工业出版社 2 0 0 4 3 荣信 R S V G系列链式高压静止无功发生器用户手册 s 2 01 0 图 8 动 态追踪 实验波 形 F i g 8 Dy n a mi c t r a ck i n g e x p e ri me n t a l wa v e f o r l n s 4 结 论 这里 提 出了一种新 的最大 功率点跟 踪算法 即变步长滞环 比较法 。该方法不仅 克服了扰 动观 测 法在外界环 境变化 时容 易误 判和振 荡 的缺 点 而且也克服 了滞环 比较 法的输出稳态 跟踪精度低 的缺 点。 在外 界环境发生变化时 ， 该方法会迅速 自 动调整环 宽使光伏阵列的工作点工作在最大功率 点附近 从而使光伏发 电系统 的动态和稳态性能 得到较大提 高。 参 考文 献 【 1 】 苏海滨， 王光政， 王继东 基于模糊逻辑双环控制的光 伏发电系统最大功率跟踪算法 J 电力系统保护与控 制， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 2 1 ) ： 2 1 5 2 1 8 2 Q i a n q i o n g Wu ， X ia o y i n g C h a n g S im u l a tio n o f MP P T C o n t r o l A l g o ri t h m f o r P h o t o v o l t a i c C e l l B a s e d o n Ma fl a b A 2 0 1 1 I n t e rn a t io n