改进后的光伏.doc

独立光伏系统中MPPT控制方法综述1 引言太阳能光伏产业是世界发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境的可持续发展，世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点。因其清洁、安全、无噪声、无污染、寿命长、资源永不枯竭等特点，太阳能被广泛的运用到各个领域中，光伏产业的不断兴起，它将是未来的主导能源之一。由于光伏电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化具有强烈非线性，因此在特定的工作环境下存在一个唯一的最大功率输出点(MPP)。在实际的应用系统中，自然光的辐照强度及透光率均在不断的变化，为了在同样的日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能，就存在一个最大功率点输出跟踪(MPPT)的问题。光伏系统可以分为三类：独立光伏系统、联网系统、混合系统。独立光伏发电系统主要用于山区或偏远地区等市电无法到达的地方。其设备的容量通常在数十到数百瓦之间。其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，很多时候需要加装能量储能和能量管理环节，结构图如图1所示。本文对常用的MPPT控制方法进行了分类分析并重点对一些更适用的MPPT控制方法进行有机的结合进行了阐述与分析。 图 1 独立光伏发电系统结构图2 最大功率点的跟踪(MPPT)2.1 太阳能电池的光伏特性 图 2 结温不变光照强度变化图图2是光伏电池结温不变，太阳光照强度变化时的一组和特性曲线，从图中可以得出以下结论26,27 光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系；光伏电池的开路电压在各种日照强度下变化不大； 光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下 有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势，到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度； 如图所示：在虚线的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的； 如图所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的。图3为光伏电池日照强度不变、结温变化情况下的一组和特性曲线，从图中可以得出以下结论： 图 3 如图所示：光伏电池的结温对光伏电池的短路电流影响不大，随着 温度的上升输出短路电流只是略有增加；光伏电池的开路电压随电 如图所示：光伏电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的日照强度、环境温度有密切的关系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。2.2 MPPT原理光伏电池的输出与日照强度和环境的温度有很大的关系，为了使光伏电池在任意的日照和温度下，都能有最大功率输出，即光伏电池始终工作在最大功率点处，首先要确定最大功率点在光伏电池伏安特性曲线上位置。图2、3分别表示了同一温度、不同的日照强度下和不同的温度、同一日照强度下光伏电池的特性曲线，为便于说明，将光伏陈列的输出特性重新绘制如图4所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同日照强度下光伏陈列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当日照强度发生变化，即光伏陈列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A,点，这样就偏离了相应日照强度下的最大功率点。为了继续跟踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果日照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1，则相应的工作点由B点变化到B,点，应当相应的减小负载2至负载1以保证系统在日照强度减少的情况下仍然运行在最大功率点A。 图 4从理论上讲，只要将光伏电池与负载完全匹配、直接耦合(如被充电的蓄电池类负载)，光伏电池就能处于高效状态，负载的伏安特性曲线与最大功率点轨迹曲线即可重合或渐近重合，即光伏电池实现了最大功率点跟踪。但在日常生活中很难满足负载与光伏电池的直接耦合条件。这时，往往需要增加一个最大功率跟踪器，来实现负载与光伏电池间达到最佳的匹配14-19。（超牛论文），下图为光伏电池与其负载之间的一个简化的线性电路原理图(加入文献)： 图 5对于图 5所示线性电路，负载上的功率为： 方程两边对求导，因为、都是常数，所以可得 当 时，有最大值。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然光伏电池和转换电路都是强非线性的，然而在极短时间内，可以认为是线性电路。因此只要调节转换电路的等效电阻使它尽可能的接近光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出。由光伏电池特性曲线可知，它表明光伏电池既非恒流源也非恒压源，而是一种非线性直流电源。实现使光伏电池始终工作在逼近曲线的过程，即为光伏电池最大功率点跟踪7(超牛论文)3 “非独立”的MPPT算法这类方法主要是通过记录光伏阵列的一系列的特性参数，例如在不同的日照和温度下最大功率点处工作电压和工作电流,或者通过前人积累的经验公式来追踪到。这些方法包括恒压法、开路电压法和短路电流法等。由于这类方法应用受制于环境和气候，一旦环境气候改变，它们就不在适用，因此称它们为“非独立”的控制，也称近似的最大功率点跟踪。3.1 恒电压法跟踪法恒电压法跟踪法根据光伏阵列在不同的日照强度和一定的温度下最大功率点电压基本不变的原理，通过控制光伏阵列的输出电压恒定工作在电压来完成对最大功率的追踪。法控制简单，成本低，但在实际应用中很难保证光伏阵列的温度一直不变，特别是在一些温差很大的地域，法的弊端就更加明显了。3.2 开路电压法开路电压法是基于这样的一个原理：当光伏阵列工作在最大功率点时，它的工作电压跟它的开路电压总是成一定的线性比例关系，比例系数一般都取为，因此可以让光伏阵列的工作电压设定为倍的开路电压，此时光伏阵列即工作在最大功率点。这种方法类似于定电压跟踪法，但定电压跟踪法是跟踪恒定的电压，而开路电压法跟踪变化的电压。具体控制方法是：在需要测量开路电压时，断开开关管T，测得开路电压后，根据开路电压和最大功率点电压的关系就可得该条件下的最大功率点电压，这样就可以控制光伏阵列的输出电压跟踪最大功率点电压。开路电压的测量所需要的时间只是毫秒级的，而测量间隔可以控制在秒级。这种方法经济方便，不用考虑日照强度和温度的变化，而且不会产生振荡，同时避免了其他各种方案由于搜索振荡引起的功率损失。但这种方法不能工作在需要有连续输出的光伏系统中，而且由于采样时间的原因，采样周期不可能设定的很短，而每次采样结束都是恒定电压工作的，这样当环境条件快速变化的时候，这种方法会带来较大的能量损失。这种方法还有一个缺点就是需要较大的存储空间和运算能力。3.3 短路电流法 短路电流法是根据同一辐照度下最大功率点对应的输出电流与短路电流的比值近似等于而设计的算法。该算法的实施需要不断将光伏阵列短接，以测量陈列的短路电流。因此，短路电流法与恒定电压法的原理实质是一致的。但当辐照度改变时，光伏阵列的迅速变化，而开路电压则变化较缓。因此考虑到开关器件的开关频率及跟踪效率，实际应用中恒定电压法更优越于短路电流法。 同样对于短路电流法也存在同样的缺点，由于输出电流与短路电流的比值是近似等于，是一个近似的公式，所以光伏阵列并不是工作在真正的最大功率点上。另外测量短路电流的方法也比较复杂，通常需要在逆变器中添加开关来周期性的短路光伏阵列从而测得短路电流。4 “独立”的MPPT算法 4.1 扰动观测法 由可知光伏阵列的P-V特性曲线是一个单峰值曲线，当光伏电池的输出工作点在最大功率点左侧时，；在右侧时，；而在最大功率点时，。根据该特点，首先初设一个光伏电池工作电压，然后通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周期性扰动，例如使其增加，然后比较扰动前后光伏电池的输出功率，如果输出功率也因此增加，即,则说明光伏电池工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压；反之亦然。 图 6 扰动观测法控制简单、容易实现、对参数检测精度要求不高，但这种算法需要周期性的扰动，且当扰动方向确定后，只能在下一个扰动周期去影响输出电压，这将导致光伏阵列的输出在最大功率点附近振荡，从而减小了系统的输出效率，而且当环境条件变化剧烈时有可能导致跟踪失败。4.2 电导增量法 有太阳能电池的V-P曲线可知，最大功率点Pm处的斜率为零。即,所以有（加入公式）也就是说，当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，光伏电池工作在最大功率点。与扰动法相比，增量电导法控制精确、跟踪速度快。因其能较好的预测，因为基本可以消除扰动法中因扰动而产生的最大功率点附近的功率振荡现象。但该方法对硬件的要求较高，特别是传感器的测量精度要求较高，且系统的响应也应足够快才能满足其控制要求，所以相应的硬件成本也较高。 4.3 神经网络法 图 7神经网络法32-35是基于神经网络的MPPT控制方法。神经网络是一种新型的信息处理技术，一个最普通和常用的多层神经网络结构如图7所示。图中网络有3层神经元：输入层、隐含层和输出层。其中层数和每层神经元的数量由待解决问题的复杂程度确定。应用于光伏阵列时，输入信号可以是光伏陈列的参数例如开路电压、短路电流或者外界环境的参数例如光照强度和温度，亦可以是上述参数的合成量。输出信号可以是经过优化后的输出电压、流器的占空比信号灯35。在神经网络中各个节点之间都有一个权重增益，选择恰当的权重可以将输入的任意连续函数转换为任意的期望函数来输出，从而使光伏阵列能够工作于最大功率点。为了获得光伏阵列的精确的最大功率点，权重的确定必须通过神经网络的训练来得到。这种训练必须使用大量的输入/输出样本数据，而大多数的光伏阵列的参数不同，因此对于使用不同的光伏阵列的系统需要进行有针对性的训练，而这个训练可能要花费数月甚至数年的时间，这也是其应用于光伏系统中的一个劣势。在训练结束后，基于该网络不仅可以使输入输出的训练样本完全匹配，而且内插得和一定数量的外插的输入输出模式也能达到匹配，这也是神经网络法的优势所在。4.4 电流寻优法将光伏电池应用于对蓄电池充电，由于蓄电池本身也是一个电压源，那么可以认为在短时间内蓄电池两端的电压是一个常量。在理想情况下，变换器的功率损耗为零，那么光伏电池输出的全部功率与蓄电池吸收的全部功率相等。由于蓄电池端的电压短时间内认为不变，那么只需测量蓄电池端的电流。当蓄电池端的电流达到最大值时，就认为光伏电池输出最大功率。在实际中，电压采样（通过测量电压来确定不同电压区间内采用的控制算法)的频率要远远低于电流采样频率。如果负载采用24V的蓄电池，如果有两个蓄电池串联，则是采用的48V的蓄电池。当蓄电池接后续负载后通过给后续负载提供能量而使电压降低，就会使48V降到46V甚至44V，那么就要及时对蓄电池充电。如果蓄电池没有接后续负载，持续的充电会使蓄电池电压上升到50V，52V，54V，甚至56V及其以上。过大的电压会对蓄电池造成伤害，所以要控制充电的电流使蓄电池两端的电压不超过一定的数值。当蓄电池两端电压小于55V时，采用最大功率跟踪算法对蓄电池充电，检测到蓄电池两端电压为55V之后，采用非最大功率跟踪算法。 图 8 正如上图说示：当蓄电池的电压没有超过55V的时候，采用的MPPT算法即为电流寻优法。具体的流程图是： 图 9图中，表示当前测得得电流值，表示上一时刻测得的电流值。当前占空比与上次占空比的差值用表示，表示当前的占空比，表示上意时刻的占空比。4.5 迭代比较法 在实际的跟踪最大功率的过程中，P随占空比D的变化曲线甚至是能给出的单峰值曲线，在使用Boost跟踪最大功率的过程中，当D=1时，太阳能电池开路，输出功率为零，当D=0时，开关管直通，又由于不大可能得到P与D的确切目标函数表达式，可以采用迭代法即黄金分割法，快速跟踪太阳能电池的最大功率点。设Da,Db为迭代区间，对应于占空比D，其最大区间为0,1,即区间的初值为0,1,e为误差值，Dx，Dy为迭代变量，根据黄金分割法有： Dx=Da+0.382(Db-Da) (1) Dy=Da+0.618(Db-Da) (2)将上面的Dx，Dy的值即占空比作为脉宽调制信号，驱动开关管，通过电压电流传感器检测到功率Px,Py并根据Px，Py的值作如下判断：若PxPy，则说明最大功率点所对应的占空比在区间Da,Dy内，则令 Da=Da, Db=Dy, D=Dx若PxPy，则说明最大功率点所对应的占空比在区间Dx,Db内，则令 Da=Dx， Db=Db， D=Dy若Px=Py，则说明最大功率点所对应的占空比在区间Dx,Dy内，则令 Da=Dx， Db=Dy， D=(Da+Db)/2再运用黄金分割式(1)(2)计算Dx，Dy并计算出功率Px，Py重复上面的步骤，直到误差Db-Dae时(e为一给定值，Di为电流的变化量，非负值)说明光照强度发生了较大变化，此时马上调整控制策略，由开路电压法(一种非独立的MPPT方法)知道，光伏电池最大功率点电压约为开路电压的78%，则我们调整的策略是检测开路电压U1,使输出电压U=78%U1,从而使工作点快速转到MPP附近，实现功率点的快速跟踪，当光照稳定，电流变化较小的时候，则进入之前说的变步长电导增量法模式，精确的跟踪最大功率点，此方法有一定的难度。其流程图如下图11 图 117双模式MPPT控制方法 由于扰动观测法在日照稳定情况下控制效果较好，对光伏器件的利用效果较高，但存在最大功率点处功率振荡的现象。此外，在日照突变情况下会失去对的控制能力。短路电流法控制精度差，但是在外部环境突变的情况下，仍能使光伏器件输出功率跟踪日照的变化。由短路电流法与扰动观测法相结合的双模式MPPT控制方法能使光伏发电系统更快速响应日照变化，且能充分发挥光伏器件的作用。当外部环境变化时，光伏器件的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用进行光伏器件输出功率控制，因此只要知道就能使光伏器件的输出功率重新接近最大功率点。当系统实现短路电流法的控制目标后，通过小步长扰动观察法使光伏器件的工作点继续向最大功率点移动，最后稳定在最大功率点。传统的光伏器件短路电流采样过程对系统运行存在干扰，因此会降低系统的效率并使控制变得复杂31，这也是短路电流法采用较少的原因。由图2.4可以看出光伏电池在最大功率点左侧的大部分区间内工作电流基本等于，因此只需使系统工作在偏离最大功率点左侧一定的区间内就可以得到电池的短路电流，此时光伏器件的输出功率也不会跌落很多。该方法无需电池短路，从而减小了采样对系统正常运行的干扰。在得到电池短路电流后就可以根据的关系对系统进行初步的最大功率点跟踪控制。图 12双模式MPPT控制方法工作主要分为三步： 短路电流的在线计算。 根据进行初步控制，使光伏器件工作在最大