文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0073-04
隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重,，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一,。由于太陽能電池板的成本一直居高不下以及轉(zhuǎn)換效率的低下,，制約了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用[1]。為了盡可能地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率,，越來越多的研究集中到最大功率跟蹤(MPPT)算法上,。本文在分析傳統(tǒng)MPPT算法缺點(diǎn)及產(chǎn)生功率誤判斷原因的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的MPPT算法,，并將它應(yīng)用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中,，以提高并網(wǎng)的功率因數(shù)和效率。
1 MPPT算法
目前應(yīng)用較多的MPPT算法有擾動觀察法(P&O)和電導(dǎo)增量法(INC)等,。擾動觀察法是通過將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較來確定增加或減少光伏方陣工作電壓來實(shí)現(xiàn)MPPT,；電導(dǎo)增量法(INC)是利用光伏方陣輸出端的動態(tài)電導(dǎo)值(dI/dV)與此時的靜態(tài)電導(dǎo)的負(fù)數(shù)(-I/V)相比較，以判斷調(diào)節(jié)光伏方陣輸出電壓方向的一種MPPT的方法,。
1.1 傳統(tǒng)MPPT算法存在的問題
傳統(tǒng)擾動觀察法和電導(dǎo)增量法的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)在參考文獻(xiàn)[2]中分別做了詳細(xì)闡述,。它們共有的缺點(diǎn)是在光照強(qiáng)度發(fā)生驟變時，電池板的輸出功率都會產(chǎn)生明顯誤判,。誤判不但給電池板的功率造成很大損失,，而且最重要的是還會造成逆變器輸入端的直流母線電壓潰崩，直接影響光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié),。判斷跟蹤原理如圖1所示,，據(jù)此具體分析傳統(tǒng)算法產(chǎn)生功率誤判的原因。
在電導(dǎo)增量法中,，當(dāng)光照強(qiáng)度由S1變?yōu)镾2時,，如果傳感器采樣電壓為M1點(diǎn),，按照電導(dǎo)增量算法的流程圖ΔU≠0且dI/dV<-I/V，從而系統(tǒng)就會發(fā)出減少電壓的信號,，此時會導(dǎo)致錯誤的跟蹤方向,，使得輸出功率遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)MPP；在擾動法中,，當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)時,，光強(qiáng)由上一時刻的S1減小為當(dāng)前時刻的S2（如圖1所示），按照擾動觀察算法的原理可知,，此時W2-W1=ΔP<0,，電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm的右側(cè)，則工作電壓被減小,，而實(shí)際上電池板工作點(diǎn)處于上坡段,，工作電壓應(yīng)該增大才能向最大功率點(diǎn)靠近。同理,，在最大功率點(diǎn)的右側(cè)時，也有W3-W4=ΔP<0,，從而認(rèn)為追蹤超過的MPP,，此時就會增大工作電壓。這兩種情況都會使電池板產(chǎn)生錯誤的擾動,。參考文獻(xiàn)[3]中雖然給出了一種防止擾動觀察法誤判的方法,，但是當(dāng)檢測的值稍有偏差時仍然會產(chǎn)生明顯的功率誤判。
1.2 新型MPPT算法
基于以上分析,，本文結(jié)合擾動觀察法,、電導(dǎo)增量法和恒定電壓法提出一種新型MPPT算法，其原理為：在追蹤MPP選擇合適步長時,，采用恒定電壓法和擾動觀察法相結(jié)合的方式,；在算法判斷擾動電壓方向時，采用擾動觀察法和電導(dǎo)增量法相結(jié)合的方式,。這樣可以有效地防止擾動觀察法在光照變化,、檢測值不準(zhǔn)確等情況下的功率誤判，并且恒定電壓法能使系統(tǒng)減少工作點(diǎn)在離MPP較遠(yuǎn)時的循環(huán)次數(shù),，而變步長的擾動控制方法也解決了擾動觀察法在跟蹤的快速性與穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)定性難以兼顧的問題,。
1.2.1 初始電壓及擾動步長的選取
在傳統(tǒng)的擾動觀察算法中，初始電壓V和擾動步長因子Δu的設(shè)置比較盲目,。如若設(shè)置都不當(dāng),，可能會需要很長的時間才能達(dá)到最大功率點(diǎn)，甚至可能會導(dǎo)致在最大工作點(diǎn)兩邊大范圍振蕩,。本文設(shè)計(jì)的新型MPPT算法恰好解決了以上問題,。其算法為：對于初始值V,，由于最大功率點(diǎn)電壓Um與電池板的開路電壓Uoc之間存在著一定的近似等價關(guān)系(Um=0.8×Uoc)，所以在初始時刻,，選取V=0.8×Uoc,。對于步長，首先引入步長系數(shù)N,，因?yàn)樵浇咏畲蠊β庶c(diǎn)處,，系統(tǒng)輸出功率對于光伏陣列端電壓的導(dǎo)數(shù)dP/dU越小，而在最大功率點(diǎn)附近需要盡量減小光伏陣列輸出電壓的振蕩幅度,，以提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及能量利用效率,。新型變步長MPPT算法的步長給定電壓因子Δu和步長系數(shù)N可以通過式(1)～式(4)計(jì)算得到：
1.2.2 擾動電壓方向的判斷
在光照強(qiáng)度漸變和不變時，傳統(tǒng)的MPPT算法幾乎不會產(chǎn)生功率誤判現(xiàn)象,。但是當(dāng)光照強(qiáng)度突變時,，誤判現(xiàn)象就會很嚴(yán)重。針對光照快速變化時的問題,，本文設(shè)計(jì)的判斷方法為：以擾動觀察法為基礎(chǔ),，當(dāng)判斷式1：p(k+1)<p(k)成立時，對于電池板的功率變化的原因有兩種情況,，情況1：最大功率點(diǎn)已經(jīng)在P-U特性曲線MPP的右邊,；情況2：由于光照強(qiáng)度減小，然后進(jìn)行判斷式2：u(k+1)<u(k)如果成立,，此時仍無法判斷電池板處于以上的哪種情況(如果此時做出擾動方向判斷則可能會產(chǎn)生本文1.1所述的誤判現(xiàn)象),，由于判斷式2存在假成立的情況(當(dāng)檢測原件測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確時)，所以增加判斷式3：Δp/Δu>0,，它可以把判斷式2中假成立的情況排除,。如果判斷式3成立，則此時可確定功率減小是由于情況2引起且工作點(diǎn)在MPP的左邊,，擾動方向選定需要增大擾動電壓,。否則認(rèn)為是情況1引起功率減小，需要減小擾動電壓,。下面分別列出判斷流程式,，其原理與上面分析的判斷流程式1相同。
1.3 新型MPPT算法與傳統(tǒng)算法的仿真
利用已經(jīng)建立的光伏方陣Simulink仿真模型,，根據(jù)傳統(tǒng)擾動觀察法和新型MPPT算法原理, 對它們進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,，由于光照突變具有隨機(jī)性，所以本文設(shè)定兩種算法在相同的情況下,，對電池板加一個跳變函數(shù)用以模擬光照的突變,。在溫度25 ℃下，仿真時間0.8 s時將電池板的光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，兩種算法跟蹤MPP的速度及當(dāng)光照突變時的仿真波形如圖2,、圖3所示,。
兩種算法的仿真結(jié)果表明，新型MPPT法能夠在較短的時間內(nèi)穩(wěn)定到最大功率點(diǎn)附近,，其功率振蕩范圍也很小,，并且當(dāng)光照發(fā)生突變時沒有出現(xiàn)功率誤判現(xiàn)象；而傳統(tǒng)的擾動觀察法在在最大功率點(diǎn)附近功率振蕩比較大,，且在光照強(qiáng)度突變時產(chǎn)生了明顯的功率誤判,。這個誤判不但造成了電池板功率的損失，而且會使逆變器輸入端的直流側(cè)母線電壓潰崩,，影響逆變輸出端并網(wǎng)電流的質(zhì)量,，進(jìn)而直接導(dǎo)致并網(wǎng)電流功率因數(shù)和效率的降低。
2 并網(wǎng)系統(tǒng)的分析與建模
在并網(wǎng)系統(tǒng)中,，電網(wǎng)可看成容量無窮大的交流電壓源,。這里逆變器輸出采用電流控制方式，參考文獻(xiàn)[3]說明了該方式的優(yōu)勢,，它無需控制幅值,，只需要控制頻率和相位，這樣可以減少一個控制變量簡化控制,。由于在傳統(tǒng)MPPT算法控制的并網(wǎng)系統(tǒng)中,，電壓電流雙環(huán)控制中的電壓外環(huán)通過PI控制器來穩(wěn)定逆變器輸入端的直流母線電壓，但是當(dāng)光照突變時已經(jīng)設(shè)定好的PI控制參數(shù)便無法對突變的直流電壓做出快速調(diào)整,，所以在一個小范圍內(nèi)并網(wǎng)電流仍然會發(fā)生畸變[4]。由此本文將新型MPPT算法配合雙環(huán)控制應(yīng)用到并網(wǎng)系統(tǒng)中,，用以解決光照突變時并網(wǎng)電流對電網(wǎng)的擾動問題,。
2.2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)整體仿真模型及波形分析
本文在Simulink中將多個電池板組合成一個光伏陣列，構(gòu)建了基于新型MPPT算法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型,。在溫度25 ℃,，仿真時間經(jīng)過1 s時將光照強(qiáng)度由800 W/m2變?yōu)? 200 W/m2，電網(wǎng)電壓增加擾動(幅值由311 V變?yōu)?60 V,，頻率由50 Hz變?yōu)?0 Hz),，通過上述變化來驗(yàn)證新型MPPT算法配合雙環(huán)控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在光照突變和電網(wǎng)電壓擾動等狀況下的并網(wǎng)電流均能夠跟隨電網(wǎng)電壓的相位和頻率,。
由以上仿真結(jié)果可以看出,，在新型MPPT算法配合雙環(huán)并網(wǎng)控制下，當(dāng)光照突變時并網(wǎng)電流波形由于在光照變化點(diǎn)沒有誤判現(xiàn)象,，所以并網(wǎng)電流幅值平緩的增大沒有發(fā)生畸變,，如圖5所示。當(dāng)光照強(qiáng)度及電網(wǎng)電壓擾動（幅值和相位均變化）同時變化時,，并網(wǎng)電流波形出現(xiàn)的小的失調(diào),，由于電網(wǎng)電壓頻率發(fā)生變化,，鎖相環(huán)的鑒相器需要重新檢測電網(wǎng)電壓相位，然后經(jīng)過濾波和壓控振蕩器計(jì)算出電網(wǎng)電壓相角?茲,，所以具有一定的時間延時,，從圖6所示波形可以看出在經(jīng)過0.1 s后，并網(wǎng)電流又重新與電網(wǎng)電壓同頻同相,，保持了功率因數(shù)為1,。逆變器輸出電壓都達(dá)到了峰值電壓311 V、頻率50 Hz的要求,，輸出波形保持了很好的正弦度,，紋波含量較少，可達(dá)到并網(wǎng)的要求,。
本文闡述了整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的原理框圖,，分析了傳統(tǒng)MPPT算法產(chǎn)生誤判的原因及其對并網(wǎng)電流的影響，引入新型MPPT算法,，并有效防止了功率誤判的發(fā)生,，同時變步長控制方式提高了最大功率的跟蹤速度和精度。將此方法應(yīng)用在逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中,，當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的光照強(qiáng)度和電網(wǎng)電壓分別變化時,，并網(wǎng)電流沒有發(fā)生畸變，能夠快速地與電網(wǎng)電壓同頻同相,，由此驗(yàn)證了本文所提出的新型MPPT算法配合電壓電流雙環(huán)并網(wǎng)控制系統(tǒng),，對并網(wǎng)電流的效率和功率因數(shù)有很大提高。
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