太阳能光伏器件与组件ch5光伏阵列最大功率点跟踪.ppt

1、,第5章 光伏阵列最大功率点跟踪,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大

2、功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,目 录 5.1 光伏阵列输出特性 5.2 恒电压控制 5.3 最大功率点跟踪控制 5.4 现代最大功率点跟踪方法 5.5 光伏并网系统拓扑与MPPT技术,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5.1 光伏阵列输出特性,硅光伏电池的理想电路模型,等效电路如图所示。它相当于一个电流为Iph的恒流源与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流在光伏电池中成为暗

3、电流Id ，流过负载的电流为I。Rsh为旁路电阻，Rs为串联电阻,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,负载电流I,暗电流Id,旁路电流Ir,光生电流Iph,反向电流Io,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列输出伏安特性,若干单个光伏电池串并联组成光伏阵列，简化假设后光伏阵列的输出满足下式：,串联的光伏阵列模型,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,不同单个光伏电池等效电路参数值,Ecological

4、ly Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,串联光伏阵列(两个电池)等效电路参数值,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光照强度分别为1000W/m2、950W/m2、900W/m2、850W/m2，温度为25时，单个光伏电池的输出特性曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光照强度分别为1000W/m2、950W/m2、900W/m2、850W/m2，温度为25时，单个光伏电池的输出特性曲线,Ecologically Econo

5、mically Creatively,PHOTOVOLTAIC,温度分别为20、40、60、80、100 ，当光照强度为1000Wm2时单个光伏电池的输出电压电流特性。,开路电压Uoc随温度升高而降低，而短路电流Isc将随温度升高而略有增加。,影响光伏阵列输出特性的因素,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,温度分别为20、40、60、80、100 ，当光照强度为1000Wm2时单个光伏电池的输出电压功率特性。,最大输出功率Pm和Um将随温度升高而降低,Ecologically Economically Creatively,PHO

6、TOVOLTAIC,光伏电池在不同温度下参数变化曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5.2 恒电压控制CVT,恒电压控制的原理与实现,当忽略温度效应时，硅型光伏阵列的输出特性如图所示,光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点a、b、c、d和e总是近似在某一个恒定的电压值Um附近。,直接匹配负载特性曲线L,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,假如曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应光照强度下直接匹配时工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小

7、。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压(CVT：Constant Voltage Tracking)控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点总稳定在Um附近。这样，不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率输出点。 在一定的条件下，恒定电压(CVT)控制策略不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪(MPPT)控制。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,恒电压控制的不足 在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响，如果仍

8、然采用恒定电压跟踪控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点，产生比较大的功率损失。特别是在有些情况下，光伏阵列的结温升高比较明显，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，那么系统将会产生振荡。对于那些一年四季或者每天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，如果仍然采用CVT控制策略就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。 采用CVT代替MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。随着光伏发电系统中数字信号处理技术的应用，CVT方法逐渐被新方法取代。,Ecologically Economically Creativ

9、ely,PHOTOVOLTAIC,改进的CVT算法 为克服季节、早晚时间以及天气情况和环境温度变化对系统造成的影响，在CVT算法的基础上可以采取以下几种折衷解决方法： 手工调节：通过手动调节电位器按季节给定不同的Umax，这种方法使用较少，需要人工维护。 根据温度查表调节：事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点电压Umax值储存在控制器中，实际运行时，控制器根据检测光伏阵列的温度，通过查表选取合适的Umax值。 参考电池方法：在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同特性的较小的光伏电池模块，检测其开路电压，按照固定系数计算得到当前最大功率点电压Umax，这种方法可以在近似CVT的控制成本

10、下得到接近MPPT的控制效果。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5.3 最大功率点跟踪控制,1MPPT算法的原理 最大功率点跟踪控制(MPPT)策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。,应当相应的调整负载阻抗以保证系统在光照强度发生变化、光伏电池的结温发生变化的情况下仍然运行在最大功率点。,MPPT算法分析示意图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2MPPT与CVT算

11、法的比较,多云天气条件下进行实验2h ，采用CVT策略的光伏阵列的端电压稳定在67V左右；而采用MPPT策略的光伏阵列的端电压变化范围比较大。这是MPPT策略随天气情况跟踪光伏阵列最大功率点的结果，它的目标不是稳定端电压而是最大限度提高输出功率。,CVT光伏阵列端电压波形,MPPT光伏阵列端电压波形,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列输出功率(CVT),光伏阵列输出功率(MPPT),两图的纵轴范围都是从60235W。由于天气情况变化比较剧烈，两图中光伏阵列输出功率都有较剧烈的变化。比较两图，可以看出采用MPPT控制策略，

12、在曲线的每一个时间点上都能够获得比CVT控制策略更大的功率。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,两条曲线是前两图中功率的积分曲线，到了两个小时，MPPT获得了300Wh的能量，CVT获得了275Wh的能量。MPPT比CVT多获得了25Wh的能量，也就是对于光伏阵列光电转换的控制，MPPT比CVT高9。,光伏阵列输出能量比较,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3经典MPPT算法的稳态特性分析,由光伏阵列在不同光照强度下的输出功率电压特性可以看到，每条曲线都存在着一个

13、最大功率输出点，并且这个最大功率点在当前的光照条件下是惟一的。在实际应用系统中采用的“上山法”正是利用了最大功率点dP/dU=0的特性。先对光伏阵列的输出电压和电流进行连续的采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。当功率达到最大值时满足下式:,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,则当UI时，即可近似认为达到最大功率点，这样就构成了最经典的一阶差分算法。 在实际的应用系统中，需要对光伏阵列的输出电压和电流进行连续采样。例如，为了避免一些不可预测的干扰，将每次采样的电压和电

14、流数据进行多点平均得到一组电压电流数据，并且减掉上一次平均得到的电压和电流值，即可得到电压和电流差分值，分别记作dI(k)和dU(k)，即,电流功率差分值,电压功率差分值,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,分别计算I(k)和U(k) 。,可以通过比较I(k)和U(k)的大小来确定光伏阵列的工作区域。 如果I(k)=U(k) ，满足最大功率点的必要条件，保持系统有功功率即可； 如果I(k)U(k) ，则说明阵列输出功率增大的方向为电压增加而电流减小的方向，必须降低系统有功输出才能使得系统重新工作在最大功率点上； 如果I(k)U(k

15、) ，则说明光伏阵列输出功率增加的方向为电流增加而电压减少的方向，必须增加系统有功输出才能使得系统重新工作在最大功率点上。,电压功率差分值,电流功率差分值,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,MPPT上山算法框图,算法框图中，Uref代表系统输出有功指令，C代表输出有功变化的步长。每次对多点采样值进行平均，比较判定之后确定当前的工作频率并输出相应的控制指令为一个控制循环。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,根据以上的算法分析: 当两种功率差分值相等时，可以认为外部状

16、态没有改变，系统仍然工作在最大功率点； 当电压功率差分值大于电流功率差分值时，说明当前的光照强度有所减弱或者由于温度升高导致阵列的输出功率下降，应该相应地降低系统输出有功以满足阵列最大功率输出的要求。 当电流功率差分值大于电压功率差分值时，说明当前的光照强度有所增强，应该相应地增加系统输出有功使得光伏阵列总能以最大的功率输出。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4MPPT算法的动态特性分析,利用上述方法，其最大功率点追踪的轨迹应为最大功率点轨迹曲线附近摆动的折线如图所示。,MPPT电流轨迹,MPPT功率轨迹,Ecological

17、ly Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统稳定区域分析示意图,值得注意的是，对于电压型逆变器负载来说，其输入电压降低的时候，电流反而增大，呈现恒功率特性。这种负载特性将导致光伏阵列的较低电压输出区域即电流源特性区域成为不稳定工作区。图示与A点具有相等功率的工作点B和C两处，其中C点为不稳定工作点，B点为稳定工作点。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光照强度出现某一负面小干扰时，母线电压即光伏阵列输出电压将会降低、电流增加，由于光伏电源的近似恒电流特性，即使微小的电流增加也会导致

18、母线电压的急剧降低，并且电流的增加变化率相比于电压降低的变化率要小的多。电压的进一步降低又将引起电流的进一步增加，从而形成正反馈。直至系统保护动作而停止工作。因而，位于最大功率点轨迹左侧区域内的点均为系统的不稳定工作点。 相反，假设系统已经工作在B点，此时光照强度出现某一负面小干扰，此时母线电压即光伏阵列输出电压将会降低，那么光伏阵列的工作点会沿着功率增加的方向滑动。显然，这个功率增加的方向是沿B点向左的方向，即电压略微减小而电流明显增加的方向。电流的增大可以补偿这部分的电压损失。系统稳定。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,因

19、此，对于只有电压型逆变器负载的光伏发电系统来说，它的稳定工作区域只能位于最大功率点轨迹的右半区域。也就是说，上述的“上山”在每条功率曲线上的方向都是自右向左爬升的，它的活动轨迹在第一象限内只占据最大功率点轨迹的右半部分。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5改进的MPPT算法,经典MPPT算法可以自主的动态寻优，但在电压型逆变器负载情况时，表现出稳定性较差的缺点，因此需要对这种算法进行修正。 在上面的分析中，已经指出CVT算法具有较好的稳定性，利用它的这个优点，将其与MPPT算法结合，可以改进经典MPPT算法，例如，电压变化速率

20、受限的MPPT算法(Voltage Variety Speed Limited Maximum Power Point Tracking，VVSL-MPPT)。 VVSL-MPPT算法的核心思想，是对MPPT算法控制过程中的直流母线电压变化速率进行监控，控制光伏阵列端电压在一定范围内变化，防止系统的崩溃。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,具体控制方法为：在VVSL-MPPT的控制中，控制量ImA*每一步变化的方向和大小均是可控的。 ImA*变化的方向仍由dP/dU来决定，而变化步长 ImA*的大小，则由光伏阵列端电压变化的电压

21、变化速率dU来决定。在不同的电压变化速率dU范围内， ImA*的大小均是不同的。,VVSL-MPPT算法控制模型,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,通过这种变步长的设计，使得光伏阵列工作点在进入恒流源区域时，能够快速的返回恒压源区，从而使工作点动态地稳定在最大功率点附近的一个电压范围内。 VVSL-MPPT算法对经典MPPT算法的反馈环节进行了校正，从而提高系统稳定性。从本质上讲，这种控制方法，相当于在MPPT控制的外环增加一个类似于CVT的具有一定带宽的稳压控制环节，将MPPT动态输出效率高的优点和CVT稳定性好的优点结合起来

22、，实现系统高效而稳定的输出。其中，类CVT环节的带宽是系统根据电压变化速率计算自动得到的，使用中无需根据光伏阵列参数人为设定带宽。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,使用电力电子仿真软件PSIM6.0，建立基于VVSL-MPPT算法控制的光伏并网系统模型，进行仿真实验。,标准光照、常温条件下仿真结果,光照突变条件下仿真结果,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,仿真结果说明：在外界条件突变的情况下，无直流稳压环节的光伏发电系统通过VVSL-MPPT算法控制，可以迅速寻

23、取系统新的最大功率点，并稳定运行于此点，系统具有很好的动态特性。从仿真波形可以看出，随光照、温度条件的变化，光伏阵列最大功率点不断变化。光伏发电系统可以稳定、实时地追踪最大功率点。在追踪过程中，在光照变化情况下，系统仍能稳定、快速的跟踪最大功率点，系统稳态和动态性能均较优异。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5.4 现代最大功率点跟踪方法,1干扰观测法,干扰观测法(Perturb & Observe Algorithms，P&O)是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化方向

24、，来决定下一步的控制信号。这种控制算法一般也采用功率反馈，即使用两个传感器对直流母线电流及其两端的电压分别采样。这种控制方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度很慢，只适用于那些光照强度变化非常缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,扰动观测法的流程图,如果采用较大的步长进行“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

25、小的步长则正好相反。,通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减小，则改变“干扰”的方向。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,扰动观测法的优点： 模块化控制回路。 跟踪方法简单，实现容易。 对传感器精度要求不高。 扰动观测法的缺点： 只能在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定 功率损失。 跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾。 在特定情况下会出现判断错误

26、情况。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2 电导增量法 电导增量法(Incremental Conductance)也是MPPT控制常用的算法之一。通过光伏阵列P-U曲线可知最大值Pmax处的斜率为零，所以有,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列工作在最大功率点。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电导增量法的控制流程图,Un、In为检测到当前电压、电流值 Ub、Ib为上一控制周期的采样值,Ecologically Economically Cre

27、atively,PHOTOVOLTAIC,电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法同样需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测法小。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3 模糊逻辑控制,由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列

28、温度的变化、负载情况的变化以及光伏阵列输出特性的非线性特征，要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑的因素是很多的。针对这样的非线性系统，使用模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)方法进行控制，可以获得比较理想的效果。 使用模糊逻辑方法进行光伏系统的MPPT控制，具有较好的动态特性和精度，具有十分广阔的应用前景。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,在光伏发电系统中使用模糊逻辑方法实现MPPT控制，可以通过DSP比较方便地执行，其中控制器的设计主要包括以下几方面内容： 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 归纳和

29、总结模糊控制器的控制规则。 确定模糊化和反模糊化的方法。 选择论域并确定有关参数。,模糊逻辑控制流程图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4其他MPPT方法,除了上述几种常用的MPPT方法，还有其他多种方法可以实现光伏阵列的最大功率点跟踪，包括滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等，它们实现MPPT控制的基本原理都是类似的，但具体实现方法各有差别。 滞环比较法：在光照强度快速变化时并不跟随快速移动工作点，而是在光照强度达到比较稳定后再跟踪到最大功率点，可以减小扰动观测法较大的扰动损失和避免误判现象。 最优梯度法：一种以梯度法

30、(Gradient Method)为基础的多维无约束最优化问题的数值计算方法。它的基本思想是选取目标函数的正梯度方向作为每步迭代的跟踪方向，逐步逼近函数的最大值。该方法运算简单，有着令人满意的结果。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,5.5 光伏并网系统拓扑与MPPT技术,采用不同的MPPT控制方法，不仅要通过比较得到各种方法的优劣，还需要根据实际应用场合选取适合光伏系统拓扑以及负载特性的最优算法。本节将讨论集中式与分布式光伏并网系统，通过分析各种情况下光伏系统的拓扑情况、负载特性等因素，得到对MPPT控制的优化选取策略。 光伏

31、系统中的并网逆变器的基本功能: 当光伏电池输出在较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将光伏电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,大部分并网逆变器都采用了全桥结构的主回路拓扑。换相方式主要有两种，分别是 并网换相(grid-commutated)和使用高频逆变电路的自换相(self-commutated)方法 。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,并网换相需要在逆变全桥之前电流波形已经整形成正弦半波。 自换相

32、方式则一般采用PWM调制或Bang-Bang控制。 光伏并网发电拓扑结构主要有单级式、两级式、多级式几种。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1单级式并网逆变器拓扑,双向回扫逆变器(Bi-directional Fly-back Inverter，BDFB),Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,单级并网逆变器必须能在一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪、DC/AC逆变以及光伏电池和电网之间的电隔离。系统组成得到简化，其代价是控制算法复杂。 双向回扫逆变器主回路具

33、有双向电流导通能力，该逆变器可以保持输出电流的连续状态。这种拓扑的缺点在于光伏电池母线电容上的纹波电压较大，需要更大的母线电容。 还有一类单级并网逆变器拓扑，采用全桥逆变后通过工频变压器直接接电网。由于使用了工频变压器，而且光伏电池母线和电网之间没有能量解耦环节，一般认为这种拓扑的效率较低。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,工频变压器形式单级并网逆变器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2两级式并网逆变器拓扑,两级式并网逆变器拓扑是采用较多的主回路拓扑结构。如果逆变器是自换相的，通过在DCDC变换后高压直流母线上并联一个电容，可以很好的实现能量解耦。主回路两级一般分为软开关DCDC变换环节和自换相或电