超級(jí)UPS中光伏發(fā)電單元的功率調(diào)控

劉曌煜，李海津，胡長(zhǎng)生，陳 敏，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

超級(jí)UPS中光伏發(fā)電單元的功率調(diào)控

劉曌煜，李海津，胡長(zhǎng)生，陳 敏，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

超級(jí)UPS包含電網(wǎng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、電池以及光伏等多種類(lèi)型能源，是一種具有很高供電可靠性的電源系統(tǒng)。在這樣的多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元需要配合其他多種能源，在保證穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)不同模式的靈活切換，提高其電能利用率。針對(duì)超級(jí)UPS特點(diǎn)及其工作模式，討論了光伏單元的功率調(diào)控，并針對(duì)此應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)化了傳統(tǒng)的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法，最后在30 kW的平臺(tái)上進(jìn)行了初步驗(yàn)證。改進(jìn)后的算法，可以在保證收斂性和跟蹤精度的條件下，有效加快光伏最大功率點(diǎn)跟蹤速度。

光伏發(fā)電單元；超級(jí)UPS；最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心、交通樞紐、核電站和醫(yī)院等場(chǎng)合對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高。超級(jí)UPS[1]是一種包含電網(wǎng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、電池[2]以及光伏等多種類(lèi)型能源的電源系統(tǒng)，具有很高的供電可靠性。其中光伏由于輸出功率的波動(dòng)性和隨機(jī)性，如何使光伏單元適用超級(jí)UPS需求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理功率調(diào)控，以提高其捕獲的能量是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[3]介紹了一種帶儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)控制方法，提出了限定功率點(diǎn)跟蹤LPPT（limited power point tracking）的控制方法。超級(jí)UPS中光伏發(fā)電單元需要配合其他多種能源，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)在最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）模式和LPPT模式下靈活切換，盡可能地使用光伏發(fā)電單元捕獲的能量。為了減少能量損失，尤其是減少模式切換時(shí)的能量損失，光伏單元需要進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的最大功率點(diǎn)跟蹤。文獻(xiàn)[4]介紹了幾種常用的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤算法，并分析了它們的優(yōu)勢(shì)與缺陷。常規(guī)的定步長(zhǎng)算法擾動(dòng)步長(zhǎng)均為定值，要獲得更快的跟蹤速度需要增大擾動(dòng)步長(zhǎng)，便會(huì)在MPPT點(diǎn)附近造成更大的電壓擺動(dòng)，導(dǎo)致更多能量損失。

本文針對(duì)超級(jí)UPS特點(diǎn)及其工作模式，討論光伏單元的功率調(diào)控。重點(diǎn)討論了變步長(zhǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以提高最大功率點(diǎn)跟蹤速度和捕獲的能量，最后進(jìn)行了的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1光伏發(fā)電單元的工作模式

由于光伏輸出具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，將光伏發(fā)電單元接入超級(jí)UPS，需要對(duì)光伏發(fā)電單元進(jìn)行能量管理。

圖1為光伏發(fā)電單元接入超級(jí)UPS的示意。光伏發(fā)電單元具備2種工作模式：①M(fèi)PPT模式：光伏發(fā)電單元輸出功率小于系統(tǒng)給出的指令功率，光伏單元處于最大功率工作模式；②LPPT模式：當(dāng)光伏發(fā)電單元輸出功率大于系統(tǒng)給出的指令功率，光伏單元的輸出功率限定為指令功率。

圖1 光伏發(fā)電單元接入超級(jí)UPS示意Fig.1 Sketch map of PV power generation unit connected to super UPS

當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，光伏單元持續(xù)工作在MPPT模式下，多余負(fù)載的能量將用于給儲(chǔ)能單元充電或者回饋電網(wǎng)。圖2為電網(wǎng)故障時(shí)光伏單元在兩種模式的切換過(guò)程，圖中，PMPPT為光伏當(dāng)前最大輸出功率，PPV為光伏單元實(shí)際輸出功率，Pref為光伏輸出功率指令。由圖可以看到，光伏單元的工作模式會(huì)受到系統(tǒng)功率指令的影響。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，若光伏功率小于負(fù)載功率，光伏單元工作在MPPT模式；若光伏功率大于負(fù)載功率且儲(chǔ)能單元已經(jīng)充滿，光伏單元將工作在LPPT模式，使光伏在兩種模式中切換。

圖2 光伏單元MPPT/LPPT模式切換過(guò)程Fig.2 Switch process between the MPPT and LPPT modes

2 光伏發(fā)電單元的最大功率點(diǎn)跟蹤

擾動(dòng)觀測(cè)法[5,6]和電導(dǎo)增量法[7]是兩種常用的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，這兩種算法一般均采用定步長(zhǎng)的跟蹤方式，而定步長(zhǎng)的跟蹤方式無(wú)法兼顧快速性和MPPT跟蹤精度的矛盾。因此變步長(zhǎng)的MPPT算法受到了關(guān)注。

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法[8]的電壓迭代公式為

式中：A為正的常系數(shù)；Uk為k時(shí)刻的光伏電壓；Uk+1為k+1時(shí)刻的光伏電壓；ΔUk為k+1時(shí)刻的步長(zhǎng)；P'（Uk）為光伏P-U曲線在Uk點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)。式（1）表明步長(zhǎng)除依賴于光伏P-U曲線的斜率外，還依賴系數(shù)A。A值越大，步長(zhǎng)越大，跟蹤速度越快，但若A值過(guò)大，則會(huì)影響算法的收斂性。

圖3為系數(shù)A取不同值時(shí)，光伏單元最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）過(guò)程的仿真波形，圖中光伏陣列的最大輸出功率Pm=15 kW，最大功率點(diǎn)電壓Um=495 V,初始電壓U0=150 V。由圖可以看到，隨著A值增大，跟蹤加快的同時(shí)，在最大功率點(diǎn)Um附近逐漸出現(xiàn)了振蕩的情況。為了最佳跟蹤，步長(zhǎng)系數(shù)A選取方式應(yīng)保證算法盡快達(dá)到最大功率，并在最大功率點(diǎn)附近具有小的波動(dòng)。

圖3 不同系數(shù)情況下光伏電壓切換波形Fig.3 Waveforms of PV voltage with different coefficient when the mode is changed

對(duì)于A的取值來(lái)說(shuō)，收斂時(shí)無(wú)超調(diào)和有超調(diào)的條件是不同的。無(wú)超調(diào)收斂情況下光伏電壓跟蹤示意如圖4所示。從圖4中可以看到，對(duì)于無(wú)超調(diào)收斂，要求如下：

將式（1）中的 ΔUk代入式（2），可得無(wú)超調(diào)收斂步長(zhǎng)系數(shù)A的上限收斂系數(shù)a（Uk），即

圖4 無(wú)超調(diào)收斂情況下光伏電壓跟蹤示意Fig.4 Schematic diagram of MPPT without overshoot

圖5 為無(wú)超調(diào)收斂步長(zhǎng)上限系數(shù)a（Uk）與Uk之間的關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，a（Uk）是一個(gè)非連續(xù)函數(shù)，在U=Um點(diǎn)斷續(xù)，且在Um一個(gè)極小的鄰域內(nèi)，其值有突變。

假定光伏電壓Uk在最大功率點(diǎn)電壓Um左側(cè)或右側(cè)時(shí)，均可以采用式（3）來(lái)計(jì)算步長(zhǎng)系數(shù)。但是，當(dāng)光伏電壓Uk趨近于最大功率點(diǎn)電壓Um時(shí)，步長(zhǎng)系數(shù) a（Uk）的值不確定，無(wú)法采用式（3）進(jìn)行計(jì)算，故當(dāng)Uk在Um的某鄰域內(nèi)時(shí)，可選擇定步長(zhǎng)跟蹤方法。

圖5 a（Uk）函數(shù)曲線Fig.5 Curves of function a（Uk）

圖6 改進(jìn)的變步長(zhǎng)算法電壓分段示意Fig.6 Schematic diagram of segmented voltage of improved variable step algorithm

根據(jù)以上分析，將水平電壓區(qū)間分成3個(gè)區(qū)間：區(qū)域 1（0，Ub1），區(qū)域 2[Ub1,Ub2]和區(qū)域 3（Ub2,UOC），如圖6所示。其中，區(qū)間區(qū)域2是最大功率點(diǎn)Um的鄰域，采用定步長(zhǎng)方法，該定步長(zhǎng)跟蹤算法和傳統(tǒng)的定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的控制方法[4]一致，步長(zhǎng)ΔVmin的選取既要能滿足穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的MPPT跟蹤精度要求，又要防止采樣等誤差造成的誤判問(wèn)題；區(qū)域1和區(qū)域3采用變步長(zhǎng)跟蹤算法，步長(zhǎng)系數(shù)分別為A1和A3。 從圖5中可以看到，步長(zhǎng)系數(shù)a（Uk）在區(qū)域1和3這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)均為單調(diào)遞減函數(shù)。則由式（3）可得

步長(zhǎng)系數(shù)A增大可加快跟蹤速度，因此，A可取為滿足式（4）的最大值，即

討論區(qū)域邊界電壓時(shí)，區(qū)域邊界Ub1、Ub2取值的關(guān)鍵在于始終保持區(qū)域[Ub1,Ub2]為一個(gè)最大功率點(diǎn)Um的相對(duì)位置和大小近似確定的鄰域，而不能因?yàn)閁m隨光照等環(huán)境條件的改變而發(fā)生錯(cuò)誤。如圖6中，區(qū)域2（Um鄰域）不宜過(guò)大，原因是區(qū)域2內(nèi)光伏電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔVmin較小，跟蹤速度慢?？梢砸螽?dāng)光伏電壓進(jìn)入?yún)^(qū)域2后跟蹤效率達(dá)到90%以上，這樣即使進(jìn)入?yún)^(qū)域2以后跟蹤速度變緩也對(duì)算法的總體跟蹤速度影響不大，即

式中，ΔUb1、ΔUb2分別為邊界電壓 Ub1、Ub2到最大功率點(diǎn)電壓Um的距離。

另外，區(qū)域2內(nèi)定步長(zhǎng)跟蹤將會(huì)使光伏電壓Uk在最大功率點(diǎn)電壓Um附近，以步長(zhǎng)ΔVmin徘徊，因此區(qū)域2也不宜過(guò)小，至少應(yīng)大于Uk在Um附近的徘徊區(qū)間，故有

假定已知當(dāng)前光伏板額定狀態(tài)下的最大輸出功率為Pme，最大功率點(diǎn)電壓為Ume，開(kāi)路電壓UOCe，短路電流ISC。結(jié)合光伏模型的工程計(jì)算方法[8]，將其代入式（6）～式（7）可確定區(qū)域 2的區(qū)間大小 ΔUb1和 ΔUb2。

跟蹤當(dāng)前狀態(tài)下的Um是MPPT算法控制的目標(biāo)，而Um隨當(dāng)前環(huán)境條件的變化而變化。當(dāng)ΔUb1和ΔUb2固定時(shí)，邊界電壓ΔUb1、ΔUb2隨Um變化的情況如圖7所示。

只能通過(guò)當(dāng)前測(cè)量的已知量（如 Uk、Ik、Uk-1、Ik-1）或者計(jì)算量來(lái)判斷光伏電壓Uk和最大功率點(diǎn)電壓Um的距離，間接判斷當(dāng)前Uk是否已經(jīng)進(jìn)入?yún)^(qū)域2。根據(jù)光伏陣列模型[7]，對(duì)于固定的光伏曲線，有

式中：I（U）為光伏電流；U 為光伏電壓；P（U）為光伏功率；ID0為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流；λ為不考慮溫度變化時(shí)的常數(shù)因子。則光伏功率斜率為

圖7 環(huán)境條件對(duì)邊界電壓Ub1、Ub2的影響Fig.7 Effect of environmental conditions on boundary voltage Ub1and Ub2

在最大功率點(diǎn) Um處，有 P'（U）=0，光伏功率斜率P'（U）的大小可以反映目前光伏電壓U與Um之間的距離。 由式（9）可知，斜率 P'（U）不僅和當(dāng)前工作電壓U有關(guān)，還和此時(shí)的光伏電流有關(guān)。根據(jù)式（8），光照強(qiáng)度對(duì)光伏電流影響很大。如果用P'（U）和某一固定閾值進(jìn)行比較來(lái)判斷U和Um的距離，則光照強(qiáng)度不同時(shí)，此閾值會(huì)有很大偏差。因此，可以考慮用判據(jù)來(lái)判斷光伏電壓U和Um的相對(duì)距離ΔU，從而排除不同光照強(qiáng)度等的干擾。

圖8為某光伏陣列在不同光照下此判據(jù)與光伏電壓U到最大功率點(diǎn)電壓Um距離ΔU的關(guān)系，ΔU＝Um－U。 圖中， 光伏陣列參數(shù)：Ume=500 V,UOCe=605 V，Pme=15 kW。由圖可以看到，此判據(jù)的大小可以大致反映U到Um的距離，光照條件的變化對(duì)其影響很小。 因此，可以認(rèn)為當(dāng)為固定閾值）時(shí)，有 Uk∈（Ub1，Ub2）結(jié)合由式（6）～式（7）確定出 ΔUb1、ΔUb2區(qū)域大小，B1、B2可表示為

綜上所述，改進(jìn)變步長(zhǎng)MPPT算法中所牽涉到的參數(shù) A1、A3、B1、B2等均可以由式（3）、式（5）、式（6）、式（7）和式（10）設(shè)計(jì)。根據(jù)改進(jìn)變步長(zhǎng) MPPT算法思路，超級(jí)UPS中光伏發(fā)電模塊的MPPT算法流程如圖9所示。

圖8 不同光照下判據(jù)與ΔU的關(guān)系函數(shù)Fig.8 Relationship between P'（U）and ΔU underdifferent lighting condition

圖9 改進(jìn)的變步長(zhǎng)算法流程Fig.9 Flow chart of improved variable step algorithm

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述改進(jìn)變步長(zhǎng)MPPT法在光伏發(fā)電單元模式切換時(shí)的有效性，利用超級(jí)UPS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。光伏單元為30 kW三電平boost單向DC模塊，DC/DC主電路參數(shù)如表1所示。

表1 DC/DC變換器參數(shù)Tab.1 Parameters of DC/DC

輸入源采用Chroma 62150H-1000S程控直流電源，具備太陽(yáng)能電池仿真功能。光伏模擬源輸入開(kāi)路電壓UOC=605 V，MPPT點(diǎn)功率Pm=15 kW，最大功率點(diǎn)電壓Um=500 V，MPPT精度要求99%以上。根據(jù)以上參數(shù)并結(jié)合變換器采樣精度，可令區(qū)域2步長(zhǎng) ΔVmin=15 V。將以上參數(shù)代入式（6）、式（7），計(jì)算可得區(qū)域2大小ΔUb1=50 V，ΔUb2=40 V。再由式（8）計(jì)算出閾值 B1=0.75，B2=-2，由式（3）、式（5）得到步長(zhǎng)系數(shù)A1=2，A3=0.2。

圖10為光伏單元從LPPT模式切換到MPPT模式時(shí)改進(jìn)變步長(zhǎng)算法和傳統(tǒng)算法的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比。

圖10 改進(jìn)變步長(zhǎng)算法與傳統(tǒng)變步長(zhǎng)算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Waveforms of improved variable step algorithm in comparison with traditional variable step algorithm

由圖10可以看到，改進(jìn)的變步長(zhǎng)MPPT跟蹤方法可改進(jìn)傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)算法中由于步長(zhǎng)系數(shù)A不易選取，如A過(guò)小則無(wú)法體現(xiàn)變步長(zhǎng)跟蹤速度快的優(yōu)勢(shì)，A過(guò)大則容易在最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩的情況。圖 10（a）、（b）均采用傳統(tǒng)變步長(zhǎng)跟蹤算法，圖10（b）中步長(zhǎng)系數(shù) A比圖 9（a）中的大，其圖 10（b）光伏 MPPT的電壓上升時(shí)間 tr小于圖 10（a）中。由于步長(zhǎng)系數(shù)A較大，盡管上升時(shí)間tr小，但還是引起了小幅度振蕩，整體的調(diào)節(jié)時(shí)間ts長(zhǎng)于圖10（a）。 由圖 10（c）可見(jiàn)，在光伏電壓 Uk遠(yuǎn)離 Um的區(qū)域，采用變步長(zhǎng)跟蹤保證了和圖10（b）一樣快的電壓上升時(shí)間，同時(shí)在靠近Um的區(qū)域選取了定步長(zhǎng)跟蹤，保證了和圖10（a）同樣好的收斂性，總體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)跟蹤算法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了光伏單元接入超級(jí)UPS的意義及工作模式。超級(jí)UPS中的光伏發(fā)電單元需要配合其他儲(chǔ)能單元，在MPPT和LPPT模式下進(jìn)行靈活切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的儲(chǔ)存和控制。針對(duì)此種場(chǎng)合，從加快功率跟蹤速度的角度對(duì)傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)后的變步長(zhǎng)MPPT控制算法可以在保證收斂性和MPPT跟蹤精度的條件下，有效加快功率的跟蹤速度。

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Power Regulation of PV Power Generation Unit Applied in Super UPS

LIU Zhaoyu,LI Haijin,HU Changsheng,CHEN Min,XU Dehong
（College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

Super UPS is an energy storage system composed of many energy sources,such as grid,gas turbine,and photovoltaic（PV） etc,which can provide higher surety electricity power than traditional UPS.In such a multi-energy storage system,the photovoltaic power generation unit needs to coordinate a variety of other energy sources,and uses flexible switching different modes to maximize their energy efficiency on the premise of the stability.This paper analyzes the characteristics of super UPS and the operating mode of PV unit,discusses the power regulation of PV unit,and improves the traditional maximum power point tracking（MPPT） strategy of PV to be applied in such applications.Finally,the control method is verified on an experimental platform preliminarily.The improved control method can effectively accelerate the maximum power tracking speed of the PV under the condition of ensuring convergence and the same tracking accuracy.

PV power generation unit;super UPS;maximum power point tracking（MPPT）

劉曌煜

劉曌煜（1990-），女，碩士研究生，研究方向：新能源和 DC/DC，E-mail：liuzhaoyu@zju.edu.cn。

李海津（1988-），男，博士，研究方向：電力電子與新能源技術(shù)，E-mail：Lihaijin@zju.edu.cn。

胡長(zhǎng)生（1970-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子技術(shù)與新能源應(yīng)用技術(shù)，E-mail： hucs@zju.edu.cn。

陳敏（1976-），男，博士，副教授，研究方向：高功率變換技術(shù)和高頻感應(yīng)送電技術(shù)電能質(zhì)量控制技術(shù)，E-mail：heaven@zju.edu.cn。

徐德鴻（1961-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電功率變換系統(tǒng)及控制、高密度電源，E-mail： xdh@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.91

TM46

A

2016-02-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012 AA053603）

Project Supported by National High Technology Research and Development Program（863 Program）of China（2012AA053603）