文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)11-0073-04
隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重,，太陽(yáng)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(yáng)能的主要方式之一,。由于太陽(yáng)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(yáng)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(lái)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(dòng)觀察法(P&O)和電導(dǎo)增量法(INC)等,。擾動(dòng)觀察法是通過(guò)將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較來(lái)確定增加或減少光伏方陣工作電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT,；電導(dǎo)增量法(INC)是利用光伏方陣輸出端的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)值(dI/dV)與此時(shí)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(wèn)題
傳統(tǒng)擾動(dòng)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(shí),，電池板的輸出功率都會(huì)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(huì)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(shí),，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(huì)發(fā)出減少電壓的信號(hào),，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)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(dòng)法中,，當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí),，光強(qiáng)由上一時(shí)刻的S1減小為當(dāng)前時(shí)刻的S2（如圖1所示），按照擾動(dòng)觀察算法的原理可知,，此時(shí)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(shí),，也有W3-W4=ΔP<0，從而認(rèn)為追蹤超過(guò)的MPP,，此時(shí)就會(huì)增大工作電壓,。這兩種情況都會(huì)使電池板產(chǎn)生錯(cuò)誤的擾動(dòng)。參考文獻(xiàn)[3]中雖然給出了一種防止擾動(dòng)觀察法誤判的方法,，但是當(dāng)檢測(cè)的值稍有偏差時(shí)仍然會(huì)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)，采用恒定電壓法和擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的方式；在算法判斷擾動(dòng)電壓方向時(shí),，采用擾動(dòng)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(dòng)觀察法在光照變化、檢測(cè)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(shí)的循環(huán)次數(shù),，而變步長(zhǎng)的擾動(dòng)控制方法也解決了擾動(dòng)觀察法在跟蹤的快速性與穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性難以兼顧的問(wèn)題。
1.2.1 初始電壓及擾動(dòng)步長(zhǎng)的選取
在傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察算法中,，初始電壓V和擾動(dòng)步長(zhǎng)因子Δu的設(shè)置比較盲目,。如若設(shè)置都不當(dāng)，可能會(huì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到最大功率點(diǎn),，甚至可能會(huì)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(wèn)題。其算法為：對(duì)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(jià)關(guān)系(Um=0.8×Uoc),，所以在初始時(shí)刻，選取V=0.8×Uoc,。對(duì)于步長(zhǎng),，首先引入步長(zhǎng)系數(shù)N，因?yàn)樵浇咏畲蠊β庶c(diǎn)處,，系統(tǒng)輸出功率對(duì)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(zhǎng)MPPT算法的步長(zhǎng)給定電壓因子Δu和步長(zhǎng)系數(shù)N可以通過(guò)式(1)～式(4)計(jì)算得到：
1.2.2 擾動(dòng)電壓方向的判斷
在光照強(qiáng)度漸變和不變時(shí),，傳統(tǒng)的MPPT算法幾乎不會(huì)產(chǎn)生功率誤判現(xiàn)象。但是當(dāng)光照強(qiáng)度突變時(shí),，誤判現(xiàn)象就會(huì)很嚴(yán)重。針對(duì)光照快速變化時(shí)的問(wèn)題,，本文設(shè)計(jì)的判斷方法為：以擾動(dòng)觀察法為基礎(chǔ),，當(dāng)判斷式1：p(k+1)<p(k)成立時(shí)，對(duì)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(shí)仍無(wú)法判斷電池板處于以上的哪種情況(如果此時(shí)做出擾動(dòng)方向判斷則可能會(huì)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(cè)原件測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確時(shí))，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(shí)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(dòng)方向選定需要增大擾動(dòng)電壓,。否則認(rèn)為是情況1引起功率減小,，需要減小擾動(dòng)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(dòng)觀察法和新型MPPT算法原理, 對(duì)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(duì)電池板加一個(gè)跳變函數(shù)用以模擬光照的突變,。在溫度25 ℃下,，仿真時(shí)間0.8 s時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)沒(méi)有出現(xiàn)功率誤判現(xiàn)象；而傳統(tǒng)的擾動(dòng)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(shí)產(chǎn)生了明顯的功率誤判,。這個(gè)誤判不但造成了電池板功率的損失，而且會(huì)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(wú)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(shuō)明了該方式的優(yōu)勢(shì),，它無(wú)需控制幅值,，只需要控制頻率和相位，這樣可以減少一個(gè)控制變量簡(jiǎn)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(guò)PI控制器來(lái)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(shí)已經(jīng)設(shè)定好的PI控制參數(shù)便無(wú)法對(duì)突變的直流電壓做出快速調(diào)整,，所以在一個(gè)小范圍內(nèi)并網(wǎng)電流仍然會(huì)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(shí)并網(wǎng)電流對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)問(wèn)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(gè)電池板組合成一個(gè)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(shí)間經(jīng)過(guò)1 s時(shí)將光照強(qiáng)度由800 W/m2變?yōu)? 200 W/m2,，電網(wǎng)電壓增加擾動(dòng)(幅值由311 V變?yōu)?60 V,，頻率由50 Hz變?yōu)?0 Hz)，通過(guò)上述變化來(lái)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(dòng)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(shí)并網(wǎng)電流波形由于在光照變化點(diǎn)沒(méi)有誤判現(xiàn)象,，所以并網(wǎng)電流幅值平緩的增大沒(méi)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(dòng)（幅值和相位均變化）同時(shí)變化時(shí),，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(cè)電網(wǎng)電壓相位,，然后經(jīng)過(guò)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(shí)間延時(shí),，從圖6所示波形可以看出在經(jīng)過(guò)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(gè)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(duì)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(shí)變步長(zhǎng)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(shí),，并網(wǎng)電流沒(méi)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(duì)并網(wǎng)電流的效率和功率因數(shù)有很大提高。
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