光伏并网系统中M常用算法及控制策略

光伏并网系统中MPPT常用算法及限制策略

1.1光伏阵列的电气特性

探讨光伏并网系统的限制策略，就必需苜先要清晰光伏阵列的V-I,P-V特性，进而提出合理的限制解决方案。

光伏电池的等效模型

图1光伏电池的等效模型

图I是光伏电池(SolarCell)等效模型。它由志向电流源Is、反向并联二极管D、串联电阻Rs和并联电阻Rsh

构成。其中Is的值等于电池的短路电流，其大小反映了光伏电池所处环境的日照强度。日照越强，Is越大;

反之越小。下式是光伏电池的I—V特性关系方程。

卜+RQ

八一Uexp吗祟]-1]-

志向状况下Rs,可近似为零，Rsh近似为无穷大，则上式可简化为

/=//"exp(磊夕)-1]

AKI

式中，

I为工作电流，I。为反向饱和电流，V为电池的输出电压，其余皆为常数。这样，光伏电池的输出功率为：

AKI

这表明光伏电池的输出功率是日照强度和温度的非线性函数，但是和电流和电压时一种比例关系。

光伏电池特性

1、光伏器件输出特性

为r更好的理解光伏电池的特性，依据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温

相同和日照相同、结温不同状况卜的光伏电池l—v、P—V特性曲线，如图2、3所示。

(I).电池结温不变，日照变更：

(a)l-V特性曲线(b)P-V特性曲线

图2光照强度不同状况下I—V、P—V特性曲线

图2为光伏电池结温不变、日照强度变更状况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论：

①光伏电池的短路电流随光照强度增加而变大，两者近似为比例关系;光伏电池的开路电压在各种日照条件下

变更不大；

②光伏电池的最大输出功率随光照强度增加而变大，ri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，输出功率起先快速下降，

且下降速度远大于上升速度；

③如图2(a)所示：在虚线A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A对应最大功

率点时间伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%：

④如图2(b)所示：结温肯定的状况下，光伏电池最大功率点时应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压

的76%o

(2)电池结温变更，日照不变

(a)I-V特性曲线(b)P-V特性曲线

图3光伏器件结温变更状况下I—V、P—V特性曲线

图3%光伏电池日照强度不变、结温变更状况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论：

①如图3(a)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池结温的上升而下降，且变更范围较大：

②如图3(b)所示:光伏电池输出功率总的变更趋势与不同日照条件卜的功率变更相像。但相同日照状况卜.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、环境温度有亲密的关系。在不同外部环境状况下，光

伏电池的输出功率会有较大的变更。因此光伏发电系统必需采纳相关电路和限制方法对输出功率加以限制使

其输出最大功率。

2、光伏器件不对称特性

dP/d展/s+/°-/°・cxp[磊勺・U+aP]

AK1AK1

对于前面给出的公式可以推导出功率对于电压的变更关系，依据该式绘制光伏器件输出电压从零到开路电压

对应的dP/dV变更曲线：

图4中dP/dV过零点C为光伏器件的最大输出功率点。由该曲线可以得到：

①光伏器件从短路状态到工作在最大功率点的区间内dP/dV大小基本不变，特性类似于电流源：

②最大功率点右侧光伏器件dP/dV随光伏器件输出电压的上升而降低，且变为负值。

由此可推知：光伏器件在最大功率点两则由同样的电压变更引起的功率变更是不同的。

结合图2和图4可以得出：

①光伏器件短路时其输出电流最大，工作电压为零，光伏器件输出功率相应为零；

②在最大功率点左侧虽然光伏器件输出U压不断增加，但dP/dV基本不变，大小近似等于光伏器件的短路电

流Is，光伏器件的输出功率与输出电压成线性关系；

③当光伏器件的输出功率接近最大功率点时，dP/dV快速卜.降直到零，该过程中光伏器件的输出功率随输出

电压上升而增加但速度变慢，当dP/dV=O时间伏器件工作在最大功率点；

④随着光伏器件输出电压的进一步增加，光伏器件工作在最大功率点右侧，dP/dV变为负值并快速下降，光

伏器件输出功率也从最大值快速下降。

1.2光伏电池最大功率点跟踪限制方法

光伏电池最大功率点的跟踪算法比较典型的有：定电压跟踪法(CVT,ConstantvokagcTracking),扰动观测法

(P&O,Perturbationandobservationmethod),导纳增量法(Incrementalconductancemethod).在此之上还有改进

的是：变步长导纳增量法，基于模糊限制的MPPT方法，基于预料数据的MPPT方法，基于差分方程解的

MPPT方法。

MPPT限制基本目标与工作原理

由于光伏器件的输出功率随外部环境变更而变更，因此光伏发电系统普遍采纳MPPT电路和相应的限制方法

提高对光伏器件的利用效果。假定电池的结温不变，光伏器件的特性曲线如图5所示。

图5MppT工作原理示意图

图中曲线I、H分别对应不同日照状况不光伏器件的I—V特性曲线，A、B分别为不同日照状况下光伏器件

的最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线。当光伏器件工作在A点时，日照突然加强，由于负载

没有变更，光伏器件的工作点转移到A,点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线I仍能输出最大

功率，就要使光伏器件工作在特性曲线I上的B点，也就是说必需对光伏器件的外部电路进行限制使其负载

特性变为负载曲线2实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率。

定电压跟踪法(ConstantVoltageTracking,CVT)

定电压跟踪法(ConslaniVoltageTracking,CVT)是利用光伏器件输出最大功率时工作电压(MPPT)与开路电压

V。存在近似的比例关系这一特性进行限制的一种最大功率点跟踪限制方法。该特性由图2(b)光伏器件的P—V

特性曲线也可看出。

定电压跟踪法(ConsentVokagcTracking,CVT)虽优点：限制简洁，缺点：但其最大功率点电压与Vo的比例

关系是在电池结温不变的状况下推出的.而实际工作中Vo是随温度变更而变更的，在光伏阵列的功率输出随

着温度变更的状况下，假如仍旧采纳恒定电压跟踪(CVT)限制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率输出

点，产生较大的功率损失。特殊在有些状况，太阳能电池的结温上升比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统

预先设定的工作电压可能不存在交点，引起系统振荡。对于那些季节或晨午温差比较大的地区，温度对整个

光伏阵列的输出将会产生比较大的影响,假如仍旧采纳CVT限制策略就只能通过降低系统的效率来保证其稳

定性。如图3(b)所示。不同厂家的产品由丁•所用晶硅材料的差异会造成最大功率点电压与Vo的比例关系有所

不同，因而导致限制精度卜降。

试验表明：固定电压法在相同测试条件下，光伏器件的输出功率至多为理论最大输出功率的88%,低于其它

最大功率点限制方法。虽然该方法限制精度低，但是因其原理简洁、易于实现，通常用于功率较小、日照状

况稳定的工作场合。

扰动视察法(P&O,Perturbationandobservationmethod)

<0最大功率点右侧］

^p/t/v=0最大功率点

>0最大功率点左侧

上式是光伏器件在最大功率点两侧dP/dV的特性表达式。式中dP、dV分别代表相邻两个采样周期光伏器件

的输出功率和输出电压的变更。扰动视察法(P&O,Perlurbalionandobservationmethod)就是利用光伏器件这一

特性进行最大功率点跟踪限制的。该方法通过不断调整光伏器件MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后

光伏器件输出功率和输出电压的变更状况，再依据变更状况调整MPPT电路的工作，最终使光伏耀件工作在

最大功率点旁边，图6为该方法的限制流程图，光伏系统限制器在每个限制周期用较

小的步长变更光伏阵列的输出，方向可以是增加也可以是减小，限制时象为光伏阵列输出电压或电流，这•

过程称为“干扰”：然后，通过比较该干扰周期前后光伏阵列的输出功率，假如输出功率增加，那么依据I—

周期的方向接着“干扰”过程；假如检测到输出功率减小，则变更“干扰”的方向。这样，光伏阵列的实际工作

点就能渐渐接近当前最大功率点，最终在其旁边的一个较小范围往复达到稳态。假如采纳较大的步进步行“干

扰“，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。较好

的折衷方案是限制器能够依据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点旁边

时采纳小步长。

开始

谀定外、,初始(fi

黑杯以、.和小，

计算P,、.

7

d/>0

No

图6扰动视察法工作原理图

对干扰观测法的优点总结如下：

(1).模块化限制回路：

(2).跟踪方法简洁，实现简洁；

(3).对传感器精度要求不高。

缺点为：

(1).在光伏阵列最大功率点旁边振荡运行，导致肯定功率损失：

(2).跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；

(3).在特定状况卜会出现推断错误状况。

电导增量法

增加电导法也是常用的一种MPPT限制方法，是对扰动视察法的改进。其限制思想与扰动视察法类似，也是

利用dP/dv的方向进行最大功率点跟踪限制，只是光伏器件工作在最大功率点时限制有所不同。由最大功率

点处的光伏器件特性dP/dV,可推导公式：

，

二

JZ而=-

-

<"

.

./O

.而=*

.

\

即:

Z+—K=0

（/+—r）

则可以由△夕来实现最大功率点的跟踪。

当，增加阵列的参考工作电压Vref：

I/+K<0

当，减小阵列的参考工作电压Vref：

/+—K=0

当，AP阵列的参考工作电压Vrcf不变。

上式即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变更率等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。

这种跟踪方法的优点是当环境条件发生变更时，能够快速跟踪其变更，并FL阵列电压摇摆较扰动视察法小；

缺点是算法较困难，并且在用数字方法实现时，对最大功率点的推断简洁出现误差。其常用的算法程序流程

图见图7所示。

图7电导增量法的示意图

一个MPPT的简洁系统模型

给出一个简洁的MPPT限制模型，如卜图所示,

MPPT限制模型

不断地给阵列输士^二〃一△卷片出电压的脉宽以增量（±4^）。设测得阵列当前的输出功率为弓，被存

储的前一时刻的记忆功率为名,若通过乘法器测得有：弓＞月,则取U=后再测、再比、再修

改脉宽；反之，若测得有：弓＜与则取U=U-AU后再测、再比、再修改脉宽。如此可实时搜寻到阵列

的最人输出功率点并动态地保持它。在进行寻优搜寻的程序流程（略）中引入了•个参考电压Uref,是为了让

Ud不断地跟踪它，在寻优过程中不断地更新Uref使它渐渐靠近相应于阵列最大功率点的电压Um.Ujj为前

两次的阵列电压采样值。由于阵列特性的I=f(U)关系是一个单值函数、因此只要保证阵列的输出电压在任

何太阳辐照度及温度下都能实时地保持为与该太阳辐照度及温度相应的Um值，就肯定可以保证阵列在任何

瞬间都输出其最大功率。

1.3光伏并网系统的基本系统模型以及限制模型

在本节中，给出一种光伏并网系统的最基本的系统模型以及限制模型，该模型来自科技部“十五”科技攻关项

目“大型光伏并网电站”采纳的系统。合肥工大能源探讨所以此系统模型设计研制了一台20kW光伏并网逆变

器，可以作为我们的参考。

系统基本模型

该光伏并网逆变器主电路采纳电压型逆变的拓扑结构，如图8所示。

QL

_羽.『_s------，---------.

图8主电路拓扑结构

系统采纳三相桥的电路结构，逆变电压通过电感与电网相连，实现光伏系统的并网运行。并网运行模式下，

系统的限制目标是使逆变器输出之正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同，电流的大小由光

伏阵列输出的功率确定。由该电路给出该电路的系统模型，如图9所示。

图9系统限制模型

系统限制策略

由图9所示，反馈的电流将通过电容C进入MPPT限制，那么反馈的直流方程应当为:

c不=&-qx/.+Sb“b+Scx/c-q

其中&为比较电流4,留，吊，为上桥臂的开关状态(和徐姐SVPWM的介绍定义一样)，而乙为

三相泞流的电流，分别和a,b,c三路的开关状态有关。

为了分析便利，在这里我忽视对于PWM高次谐波的探讨，依据文献，可以将开关函数.，用，片，看

成是角频率为0,相角为a,幅值为附的正弦函数，假如只考虑开关函数的基波重量5%6°,凡，

则有，

$1、=活sin（而+a）

考虑到电网相电压与电网相电流的夹角，

当只考虑开关函数的基波重量时，则有

即和系统框图中的相对应。

取并网电流为状态变量，对于a相电流有

式中，为线路内阻。

对方程做拉式变换，

其中为系统的滤波器传递函数。

忽视功率器件的非线性影响，SPWM限制方式下的桥式逆变环节可视为一个高增益的小惯性环节，该环H的

传递函数为

电流环一般采纳PI限制方式，可以得•日并网逆变系统的PI限制系统结构图，如图10所示。对限制系统而

言，Ua为电网电压，可视为系统的扰动输入.I*为电流指令值。

图10电流环的PI限制

由图10可知，扰动Ua对丁•系统的输出la的影响为，

式中是系统的开环传递函数，

扰动Ua作用下的误差为

从限制原理来看，这里的前馈补偿事实上是采纳开环限制方式去补偿可测量的扰动信号，因此前馈补偿不会

变更限制系统的特性；从抑制扰动的角度来看，前馈限制可以减轻反馈限制的负担，反馈限制系统的增益可

以取得小一些，这利于系统的稳定性。前馈补偿后的限制系统如图5所示，此时，扰动作用下的误差为

若令，则，那么从理论上达到了全补偿的要求。如图11所示，就给出了带前馈补偿的限制系统，也就是图

9总系统模型的PI限制的原理，这样我们就简洁的对于逆变器的系统限制策略有了相识。

图11带前馈补偿的限制系统

1.4合肥阳光光伏逆变电源产品的限制技术介绍

逆变器工作模式

以5OK3产品为例，合肥阳光的产品一段包括“启动中”,“运行K”故障K”紧急停机”，“按键关机”，“待机”

等几个状态。如图12所示，

1启动中：

此模式是指初次安装完毕，直流输入和沟通输出端子均正常连接，全部断路器均闭合，上电打算:并网发电。

此模式仅在初次启动时出现。

1运行：

在此模式下，逆变器正常工作，将光伏阵列的直流电变为沟通电并入电网。

1故障

当光伏发电系统出现故障时，逆变器会停止运行并进入故障状态，故障缘由会显示在触摸屏上供用户查看。

系统此时持续监测故障是否清除，假如故障未消退，则保持待机状态：假如故障清除，且其他运行条件均满

意，5分钟以后重新并网发电。在此期司，若认为敢于通过液晶操作开机，则必需通过液晶先确认关机清除

爱护程序，再开机。

1紧急停机

所谓紧急停机模式是指人为的通过按下案急停机开关或将启停旋钮指向“STOP”位置来限制逆变器关机。若在

紧急停机后，须要再次开机。必需先弹开紧急停机按钮，确认启停开关指向“START”位置，再通过液晶先执

行关机吩咐来清除紧急停机爱护程序，再通过液晶开机，机器才能正常工作。

若没有关机确认清晰紧急停机爱护程序.干脆按开机，机器没有反应属E常状况。

I按键关机

所谓按键关机模式是指人为的通过触摸屏发出关机吩咐来限制逆变器关机。

1待机

在运行后，假如直流侧电流很小并保持3分钟后，逆变器从运行转为待机状态，封锁PWM信号输出。在待

机模式下逆变器不断检测光伏阵列是否有足够的能量，当达到并网发电条件是逆变器从待机模式转入运行模

式。

图12工作模式的有限状态机转换

通信限制方式及数据采集功能

合肥阳光的逆变得一般采纳3种通信方案，即：数据采集器通过RS485监控，PC机通过RS485监控，数据

采集器和PC机通过RS485监控。如图13,14,15所示。

图13数据采集器通过RS485监控

图14PC机通过RS485监控

图15数据采集器和PC机通过RS485监控

由上面的通讯方案可以看出，数据采集限制器可以限制多个逆变器也可以限制单个逆变器。

采集器具有以下的特性：

1.远程限制与检测；

2.通过RS485,RS232或以太网和上位机通讯：

3.内置数据存储器；

4.数据采集与存储便利：

其主要的功能包括：

1.汇总信息与设备通讯：电站发电总量，二氧化碳减排量，天发电量，输