單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT研究

薛 陽，江天博，楊駿濤，李華郁

(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，光伏發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展.如何有效地利用太陽能是各國研究的熱點(diǎn)問題.由于光伏電池輸出具有非線性特性，其輸出功率受外界環(huán)境的影響.為了最大程度地利用光伏電池發(fā)出的電能，就要通過一定的控制方法保證其始終工作在最大功率點(diǎn)附近，以此來提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率.目前常規(guī)的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)方法有定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、擾動觀測法等.定電壓跟蹤法簡單可靠，穩(wěn)定性較好，缺點(diǎn)是不能根據(jù)外界環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)自動跟蹤，常應(yīng)用于功率較小、光照情況穩(wěn)定的場合.傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于跟蹤性能好，但其采用固定的步長來調(diào)整工作點(diǎn)，步長的選擇很重要，步長太大，跟蹤的誤差會較大，步長較小，則跟蹤的速度會較慢，存在一定的缺陷.傳統(tǒng)的擾動觀察法控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，是工程應(yīng)用常用的算法.但初始電壓的設(shè)定以及步長的選取對跟蹤的速度和精度有較大的影響，有時還可能出現(xiàn)誤判的情況.[1]

本文以傳統(tǒng)擾動觀察法為基礎(chǔ)，提出了一種自適應(yīng)的變步長擾動觀察法，將其應(yīng)用于5 kW單級式單相光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)中.

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照功率變換的級數(shù)分類，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可分為單級式和多級式兩種結(jié)構(gòu)，其中多級式一般以兩級式居多，兩種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單級式并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏陣列直接與逆變器連接后并網(wǎng)，而多級式并網(wǎng)系統(tǒng)要經(jīng)過一個直流/直流變換器后再接入逆變器并網(wǎng).相比于多級式系統(tǒng)，單級式系統(tǒng)只有一個能量變換環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)簡單，使用的元器件少，可靠性高，功耗低.單級式并網(wǎng)系統(tǒng)控制時既要考慮最大功率點(diǎn)的跟蹤控制，同時又要保證電網(wǎng)輸出電流符合并網(wǎng)要求，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜.隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引起的控制困難正逐漸被克服.[2]因此，在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，單級式結(jié)構(gòu)將是優(yōu)先考慮的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

2 MPPT算法

2.1 擾動觀察法

擾動觀察法是目前最常用的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，其基本原理為:先設(shè)定一個初始的電壓值，對此時對應(yīng)工作電流進(jìn)行采樣，求出相應(yīng)的輸出功率，然后對工作電壓加一個擾動量，將此時的太陽能電池陣列輸出功率與擾動之前的輸出功率值相比，若功率比擾動之前大，則表明擾動方向正確，下一步繼續(xù)朝同方向增加擾動量;若功率比擾動之前小，則表明擾動方向偏離最大功率點(diǎn)，下一步將朝相反方向增加擾動量.

2.2 自適應(yīng)變步長擾動觀察法

傳統(tǒng)擾動觀察法采用固定步長，步長的選擇對于最大功率點(diǎn)跟蹤的性能影響較大，且不適用于天氣變化較快的地區(qū).

本文提出一種變步長擾動觀察法是利用功率-電壓(P-U)曲線上最大功率點(diǎn)兩側(cè)的斜率不同來進(jìn)行控制.工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)處越遠(yuǎn)，則|dP/dU|越大，反之亦然.利用這一特性將作為步長的變化系數(shù)來實(shí)現(xiàn)步長的自動調(diào)整.

式中:Uref——參考電壓;

λ(k)——增長因子;

α，β——調(diào)整因子;

S(k)——功率變化率 dp(k)的時間均值估計;

γ——遺忘因子，記錄過去控制過程對現(xiàn)在的影響，取值范圍通常在 0 ～0.1.[4]

3 仿真研究

3.1 單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的建模

在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了單級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的通用模型.仿真系統(tǒng)由光伏陣列、逆變電路、控制電路3個主要模塊組合而成.光伏陣列模塊基于光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型搭建，[5]由42塊規(guī)格型號為 STP120-12/Tb的太陽能電池串并聯(lián)后構(gòu)成;逆變電路采用單級式橋式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);控制電路采用電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制方式.

雙環(huán)控制中電壓外環(huán)為電流內(nèi)環(huán)提供參考，電流內(nèi)環(huán)要能夠快速穩(wěn)定地跟蹤到參考信號，具體的控制過程如下:將MPPT模塊的輸出電壓作為參考電壓與光伏電池實(shí)際電壓相比較，再通過PI控制器與標(biāo)準(zhǔn)正弦分量相乘得到并網(wǎng)電流的參考給定.參考的并網(wǎng)電流與實(shí)際的并網(wǎng)電流作差后送入PI控制器得到的值作為正弦調(diào)制波，與三角載波比較產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號控制逆變電路的主功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷.

并網(wǎng)電流系統(tǒng)控制框圖如圖2所示.圖2中，為參考電流信號，由直流側(cè)電壓外環(huán)提供;i為s實(shí)時的并網(wǎng)電流;Us電網(wǎng)電壓;GIC(s)為PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型;GInv(s)為逆變環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型;GT(s)為濾波環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型;Gn(s)為電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型;α為采樣電路比例系數(shù).

圖2 并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)

圖3 直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)

圖4 為3個模塊封裝組合后的并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖.此仿真系統(tǒng)可實(shí)時地顯示電流總諧波畸變率以及系統(tǒng)的功率因數(shù).

圖4 并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果與分析

在溫度和光照強(qiáng)度突變條件下，將自適應(yīng)變步長擾動觀察法與傳統(tǒng)擾動觀察法進(jìn)行對比，分析其最大功率跟蹤效果以及對系統(tǒng)的影響，其中傳統(tǒng)擾動觀察法分小步長和大步長兩種情況進(jìn)行分析.以下仿真分析均采用變步長方式，選取ode23s算法.由于仿真系統(tǒng)較為復(fù)雜，且采用 S函數(shù)編寫MPPT算法，每個步長采樣時間都會計算S函數(shù)，因此實(shí)際運(yùn)行時間遠(yuǎn)大于設(shè)置的仿真時間.結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置仿真時間為2 s.

3.2.1 溫度突變條件下的仿真結(jié)果與分析

在光照強(qiáng)度不變的情況下，設(shè)初始環(huán)境溫度為35℃，在t=1 s和t=1.5 s時，溫度分別降至30℃和25℃，在仿真環(huán)境下用Step模塊來模擬這一溫度變化過程.圖5給出了傳統(tǒng)擾動觀察法、自適應(yīng)變步長兩種算法下光伏陣列的輸出電壓波形.由仿真結(jié)果可知，采用兩種算法都能夠?qū)崿F(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤.

由圖5可知，溫度變化時電壓變化均較小，小步長擾動觀察法在0.3 s左右達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓，曲線較平滑.大步長擾動觀察法在初始階段電壓存在較大的振蕩，跟蹤精度較低，但在0.2 s左右電壓也達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài).相比之下，自適應(yīng)變步長擾動觀察法在0.1 s左右基本達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓，且電壓較穩(wěn)定，綜合考慮動態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性，采用自適應(yīng)變步長算法的系統(tǒng)性能更優(yōu).

圖5 光伏陣列輸出電壓仿真波形

3.2.2 光照強(qiáng)度突變條件下的仿真結(jié)果與分析

在溫度不變的情況下，設(shè)初始光照強(qiáng)度為1 000 w/m2，在t=1 s和t=1.5 s時，光照強(qiáng)度分別降至900 w/m2和800 w/m2.由仿真模型中的電流畸變率和功率因數(shù)顯示模塊可知，采用小步長擾動觀察法，在光照強(qiáng)度發(fā)生突變時，并網(wǎng)電流諧波畸變率上升，大于5%，經(jīng)過較長時間后才能降至5%以下，這表明采用小步長擾動觀察法的控制系統(tǒng)在光照強(qiáng)度突變的情況下，存在響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn).采用大步長擾動觀察法時，穩(wěn)定運(yùn)行后并網(wǎng)電流諧波畸變率為3.85%，滿足并網(wǎng)要求，但控制精度較低.而采用自適應(yīng)變步長擾動觀察法時，穩(wěn)定運(yùn)行后并網(wǎng)電流的諧波畸變率為2.07%，功率因數(shù)為0.998，且在光照強(qiáng)度發(fā)生突變時，能夠準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤.

圖6為光照強(qiáng)度突變時光伏陣列輸出電壓的仿真波形.由圖6可知，小步長擾動觀察法在光照突變后0.4 s左右達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓，大步長擾動觀察法在光照突變時光伏陣列輸出電壓存在較大的振蕩，0.3 s左右達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓.自適應(yīng)變步長擾動觀察法在光照突變條件下，經(jīng)過0.2 s后達(dá)到了最大功率點(diǎn)電壓，且電壓波動較小.圖7為光照強(qiáng)度突變時光伏陣列輸出功率的仿真波形.

圖6 光照強(qiáng)度突變時電壓仿真波形

圖7 光照強(qiáng)度突變時功率仿真波形

由圖7進(jìn)一步對比分析可知，與傳統(tǒng)擾動觀察法相比，采用自適應(yīng)變步長算法在光照突變時跟蹤最大功率點(diǎn)的效果更好.

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)固定步長的擾動觀察法在跟蹤速度和精度方面不能同時兼顧的不足，提出了一種自適應(yīng)變步長算法，并將其應(yīng)用于搭建的仿真模型中.仿真結(jié)果表明，綜合考慮動態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性，采用這種自適應(yīng)變步長MPPT算法在外界環(huán)境突變的條件下，能夠更準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，且滿足并網(wǎng)要求.

[1]周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述[J]. 高電壓技術(shù)，2008，34(6):1 145-1 154.

[2]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤算法穩(wěn)定性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，3(6):73-76.

[3]黃舒予，牟龍華，石林.自適應(yīng)變步長 MPPT算法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2011，23(5):26-30.

[4]芮穎，牟龍華.基于自適應(yīng)濾波算法的諧波仿真分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2009，21(4):76-81.

[5]蘇建徽，余世杰，趙為，等.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽能學(xué)報，2001，22(4):409-412.

[6]姚為正，蘆開平，王林.單相太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究[J].電源技術(shù)，2010，34(11):1 163-1 165.