1、光伏并網系統中MPPT常用算法及控制策略1.1 光伏陣列的電氣特性討論光伏并網系統的控制策略,就必須首先要清楚光伏陣列的V-I,P-V特性,進而提出合理的控制解決方案。 圖1 光伏電池的等效模型圖1是光伏電池(Solar Cell等效模型。它由理想電流源Is、反向并聯二極管D、串聯電阻Rs和并聯電阻Rsh 構成。其中Is的值等于電池的短路電流,其大小反映了光伏電池所處環境的日照強度。日照越強,Is越大;反之越小。下式是光伏電池的I V特性關系方程。 理想情況下Rs,可近似為零,Rsh近似為無窮大,則上式可簡化為 式中,I為工作電流,Io為反向飽和電流,V為電池的輸出電壓,其余皆為常數。這樣,光

2、伏電池的輸出功率為: 這表明光伏電池的輸出功率是日照強度和溫度的非線性函數,但是和電流和電壓時一種比例關系。1、光伏器件輸出特性為了更好的理解光伏電池的特性,根據上面的結論,光伏電池的非線性函數關系繪制出其在日照不同、結溫相同和日照相同、結溫不同情況下的光伏電池IV、PV特性曲線,如圖2、3所示。(1.電池結溫不變,日照變化: 圖2 光照強度不同情況下IV、PV特性曲線圖2為光伏電池結溫不變、日照強度變化情況下的一組IV和PV特性曲線,從圖中可以得出以下結論: 光伏電池的短路電流隨光照強度增強而變大,兩者近似為比例關系;光伏電池的開路電壓在各種日照條件下變化不大;光伏電池的最大輸出功率隨光照強

3、度增強而變大,且在同一日照環境下有唯一的最大輸出功率點。在最大功率點左側,輸出功率隨電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢;到達最大功率點后,輸出功率開始快速下降,且下降速度遠大于上升速度;如圖2(a所示:在虛線A的左側,光伏電池的特性近似為電流源,右側近似為電壓源。虛線A對應最大功率點時光伏電池的工作電流,約為電池短路電流的90%;如圖2(b所示:結溫一定的情況下,光伏電池最大功率點對應的輸出電壓值基本不變。該值約為開路電壓的76%。(2電池結溫變化,日照不變 圖3 光伏器件結溫變化情況下IV、PV特性曲線圖3為光伏電池日照強度不變、結溫變化情況下的一組IV和PV特性曲線,從圖中可以得出以下結論:

4、 如圖3(a所示:光伏電池的結溫對光伏電池的短路電流影響不大,隨著溫度的上升輸出短路電流只是略有增加;光伏電池的開路電壓隨電池結溫的上升而下降,且變化范圍較大;如圖3(b所示:光伏電池輸出功率總的變化趨勢與不同日照條件下的功率變化相似。但相同日照情況下其最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降,且最大功率點對應的工作電壓隨溫度上升而下降。綜上所述,光伏電池的輸出功率與它所受的日照強度、環境溫度有密切的關系。在不同外部環境情況下,光伏電池的輸出功率會有較大的變化。因此光伏發電系統必須采用相關電路和控制方法對輸出功率加以控制使其輸出最大功率。2、光伏器件不對稱特性 對于前面給出的公式可以推導出功率對于電

5、壓的變化關系,根據該式繪制光伏器件輸出電壓從零到開路電壓對應的dP / dV變化曲線: 圖4 光伏器件dP/dV與輸出電壓關系圖4中dP/dV過零點C為光伏器件的最大輸出功率點。由該曲線可以得到:光伏器件從短路狀態到工作在最大功率點的區間內dP/dV大小基本不變,特性類似于電流源;最大功率點右側光伏器件dP/dV隨光伏器件輸出電壓的升高而降低,且變為負值。由此可推知:光伏器件在最大功率點兩側由同樣的電壓變化引起的功率變化是不同的。結合圖2和圖4可以得出:光伏器件短路時其輸出電流最大,工作電壓為零,光伏器件輸出功率相應為零;在最大功率點左側雖然光伏器件輸出電壓不斷增加,但dP/dV基本不變,大小

6、近似等于光伏器件的短路電流Is,光伏器件的輸出功率與輸出電壓成線性關系;當光伏器件的輸出功率接近最大功率點時,dP/dV快速下降直到零,該過程中光伏器件的輸出功率隨輸出電壓上升而增加但速度變慢,當dP/dV=0時光伏器件工作在最大功率點;隨著光伏器件輸出電壓的進一步增加,光伏器件工作在最大功率點右側,dP/dV變為負值并快速下降,光伏器件輸出功率也從最大值快速下降。1.2 光伏電池最大功率點跟蹤控制方法光伏電池最大功率點的跟蹤算法比較典型的有:定電壓跟蹤法(CVT,Constant voltage Tracking,擾動觀測法(P&O,Perturbation and observat

7、ion method,導納增量法(Incremental conductance method,在此之上還有改進的是:變步長導納增量法,基于模糊控制的MPPT方法,基于預測數據的MPPT方法,基于差分方程解的MPPT方法。由于光伏器件的輸出功率隨外部環境變化而變化,因此光伏發電系統普遍采用MPPT電路和相應的控制方法提高對光伏器件的利用效果。假定電池的結溫不變,光伏器件的特性曲線如圖5所示。 圖5 MPPT工作原理示意圖圖中曲線I、H分別對應不同日照情況下光伏器件的IV特性曲線,A、B分別為不同日照情況下光伏器件的最大輸出功率點,負載1、負載2為兩條負載曲線。當光伏器件工作在A點時,日照突然加

8、強,由于負載沒有改變,光伏器件的工作點轉移到A,點。從圖中可以看出,為了使光伏器件在特性曲線I仍能輸出最大功率,就要使光伏器件工作在特性曲線I上的B點,也就是說必須對光伏器件的外部電路進行控制使其負載特性變為負載曲線2實現與光伏器件的功率匹配,從而使光伏器件輸出最大功率。定電壓跟蹤法(Constant V oltage Tracking,CVT是利用光伏器件輸出最大功率時工作電壓(MPPT與開路電壓V o存在近似的比例關系這一特性進行控制的一種最大功率點跟蹤控制方法。該特性由圖2(b光伏器件的PV 特性曲線也可看出。定電壓跟蹤法(Constant V oltage Tracking,CVT雖優

9、點:控制簡單,缺點:但其最大功率點電壓與Vo的比例關系是在電池結溫不變的情況下推出的,而實際工作中V o是隨溫度變化而變化的,在光伏陣列的功率輸出隨著溫度變化的情況下,如果仍然采用恒定電壓跟蹤(CVT控制策略,陣列的輸出功率將會偏離最大功率輸出點,產生較大的功率損失。特別在有些情況,太陽能電池的結溫升高比較明顯,導致陣列的伏安曲線與系統預先設定的工作電壓可能不存在交點,引起系統振蕩。對于那些季節或晨午溫差比較大的地區,溫度對整個光伏陣列的輸出將會產生比較大的影響,如果仍然采用CVT控制策略就只能通過降低系統的效率來保證其穩定性。如圖3(b所示。不同廠家的產品由于所用晶硅材料的差異會造成最大功率

10、點電壓與Vo的比例關系有所不同,因而導致控制精度下降。實驗表明:固定電壓法在相同測試條件下,光伏器件的輸出功率至多為理論最大輸出功率的88%,低于其它最大功率點控制方法。雖然該方法控制精度低,但是因其原理簡單、易于實現,通常用于功率較小、日照情況穩定的工作場合。 上式是光伏器件在最大功率點兩側dP/dV的特性表達式。式中dP、dV分別代表相鄰兩個采樣周期光伏器件的輸出功率和輸出電壓的變化。擾動觀察法(P&O,Perturbation and observation method就是利用光伏器件這一特性進行最大功率點跟蹤控制的。該方法通過不斷調節光伏器件MPPT電路的工作狀態來比較電路調

11、整前后光伏器件輸出功率和輸出電壓的變化情況,再根據變化情況調整MPPT電路的工作,最后使光伏器件工作在最大功率點附近,圖6為該方法的控制流程圖,光伏系統控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出,方向可以是增加也可以是減小,控制對象為光伏陣列輸出電壓或電流,這一過程稱為“干擾”;然后,通過比較該干擾周期前后光伏陣列的輸出功率,如果輸出功率增加,那么按照上一周期的方向繼續“干擾”過程;如果檢測到輸出功率減小,則改變“干擾”的方向。這樣,光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當前最大功率點,最終在其附近的一個較小范圍往復達到穩態。如果采用較大的步長進行“干擾”,這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度

12、,但達到穩態后的精度相對較差,較小的步長則正好相反。較好的折衷方案是控制器能夠根據光伏陣列當前的工作點選擇合適的步長,例如,當已經跟蹤到最大功率點附近時采用小步長。 圖6 擾動觀察法工作原理圖對干擾觀測法的優點總結如下:(1.模塊化控制回路;(2.跟蹤方法簡單,實現容易;(3.對傳感器精度要求不高。缺點為:(1.在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行,導致一定功率損失;(2.跟蹤步長的設定無法兼顧跟蹤精度和響應速度;(3.在特定情況下會出現判斷錯誤情況。增加電導法也是常用的一種MPPT控制方法,是對擾動觀察法的改進。其控制思想與擾動觀察法類似,也是利用dP/dv的方向進行最大功率點跟蹤控制,只是光伏

13、器件工作在最大功率點時控制有所不同。由最大功率點處的光伏器件特性dP/dV,可推導公式: 即: 則可以由來實現最大功率點的跟蹤。當,增加陣列的參考工作電壓Vref;當,減小陣列的參考工作電壓Vref;當,陣列的參考工作電壓Vref不變。上式即為要達到最大功率點的條件,即當輸出電導的變化率等于輸出電導的負值時,陣列工作于最大功率點。這種跟蹤方法的優點是當環境條件發生變化時,能夠快速跟蹤其變化,并且陣列電壓擺動較擾動觀察法小;缺點是算法較復雜,并且在用數字方法實現時,對最大功率點的判斷容易出現誤差。其常用的算法程序流程圖見圖7所示。 圖7 電導增量法的示意圖給出一個簡單的MPPT控制模型,如下圖所

14、示, MPPT控制模型 不斷地給陣列輸出電壓的脈寬以增量( 。設測得陣列當前的輸出功率為,被存儲的前一時刻的記憶功率為, 若通過乘法器測得有:>, 則取后再測、再比、再修 改脈寬;反之, 若測得有: < 則取后再測、再比、再修改脈寬。如此可實時搜索到陣列的最大輸出功率點并動態地保持它。在進行尋優搜索的程序流程(略 中引入了一個參考電壓Uref, 是為了讓U d 不斷地跟蹤它, 在尋優過程中不斷地更新Uref使它逐漸逼近相應于陣列最大功率點的電壓Um ,U jj為前兩次的陣列電壓采樣值。由于陣列特性的I = f (U 關系是一個單值函數, 因此只要保證陣列的輸出電壓在任何太陽輻照度及

15、溫度下都能實時地保持為與該太陽輻照度及溫度相應的Um 值, 就一定可以保證陣列在任何瞬間都輸出其最大功率。1.3 光伏并網系統的基本系統模型以及控制模型在本節中,給出一種光伏并網系統的最基本的系統模型以及控制模型,該模型來自科技部“十五”科技攻關項目“大型光伏并網電站”采用的系統。合肥工大能源研究所以此系統模型設計研制了一臺20kW 光伏并網逆變器,可以作為我們的參考。該光伏并網逆變器主電路采用電壓型逆變的拓撲結構,如圖8所示。 圖8主電路拓撲結構系統采用三相橋的電路結構,逆變電壓通過電感與電網相連,實現光伏系統的并網運行。并網運行模式下,系統的控制目標是使逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與

16、電網電壓的頻率和相位相同,電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。由該電路給出該電路的系統模型,如圖9所示。 圖9 系統控制模型由圖9所示,反饋的電流將通過電容C進入MPPT控制,那么反饋的直流方程應該為: 其中為比較電流,為上橋臂的開關狀態(和徐姐SVPWM的介紹定義一致,而為三相匯流的電流,分別和a, b, c三路的開關狀態有關。 為了分析方便,在這里我忽略對于PWM高次諧波的討論,根據文獻,可以將開關函數,看成是角頻率為,相角為,幅值為的正弦函數,如果只考慮開關函數的基波分量,則有, 考慮到電網相電壓與電網相電流的夾角,當只考慮開關函數的基波分量時,則有=即和系統框圖中的相對應。取并網電流為

17、狀態變量,對于a 相電流有式中,為線路內阻。對方程做拉式變換,其中為系統的濾波器傳遞函數。忽略功率器件的非線性影響,SPWM 控制方式下的橋式逆變環節可視為一個高增益的小慣性環節,該環節的傳遞函數為電流環一般采用PI 控制方式,可以得出并網逆變系統的PI 控制系統結構圖,如圖10所示。對控制系統而言,Ua 為電網電壓,可視為系統的擾動輸入,I*為電流指令值。圖10 電流環的PI控制由圖10 可知,擾動Ua 對于系統的輸出Ia 的影響為,式中是系統的開環傳遞函數,擾動Ua 作用下的誤差為從控制原理來看,這里的前饋補償實際上是采用開環控制方式去補償可測量的擾動信號,因此前饋補償不會改變控制系統的特

18、性;從抑制擾動的角度來看,前饋控制可以減輕反饋控制的負擔,反饋控制系統的增益可以取得小一些,這利于系統的穩定性。前饋補償后的控制系統如圖5 所示,此時,擾動作用下的誤差為若令,則,那么從理論上達到了全補償的要求。如圖11所示,就給出了帶前饋補償的控制系統,也就是圖9總系統模型的PI控制的原理,這樣我們就簡單的對于逆變器的系統控制策略有了認識。圖11 帶前饋補償的控制系統1.4 合肥陽光光伏逆變電源產品的控制技術介紹以50K3產品為例,合肥陽光的產品一般包括“啟動中”,“運行”,“故障”,“緊急停機”,“按鍵關機”,“待機”等幾個狀態。如圖12所示,l 啟動中:此模式是指初次安裝完畢,直流輸入和

19、交流輸出端子均正常連接,所有斷路器均閉合,上電準備并網發電。此模式僅在初次啟動時出現。l 運行:在此模式下,逆變器正常工作,將光伏陣列的直流電變為交流電并入電網。l 故障當光伏發電系統出現故障時,逆變器會停止運行并進入故障狀態,故障原因會顯示在觸摸屏上供用戶查看。系統此時持續監測故障是否清除,如果故障未消除,則保持待機狀態;如果故障清除,且其他運行條件均滿足,5分鐘以后重新并網發電。在此期間,若認為敢于通過液晶操作開機,則必須通過液晶先確認關機清除保護程序,再開機。l 緊急停機所謂緊急停機模式是指人為的通過按下緊急停機開關或將啟停旋鈕指向“STOP”位置來控制逆變器關機。若在緊急停機后,需要再

20、次開機。必須先彈開緊急停機按鈕,確認啟停開關指向“START”位置,再通過液晶先執行關機命令來清除緊急停機保護程序,再通過液晶開機,機器才能正常工作。若沒有關機確認清楚緊急停機保護程序,直接按開機,機器沒有反應屬正常情況。l 按鍵關機所謂按鍵關機模式是指人為的通過觸摸屏發出關機命令來控制逆變器關機。l 待機在運行后,如果直流側電流很小并保持3分鐘后,逆變器從運行轉為待機狀態,封鎖PWM信號輸出。在待機模式下逆變器不斷檢測光伏陣列是否有足夠的能量,當達到并網發電條件是逆變器從待機模式轉入運行模式。圖12 工作模式的有限狀態機轉換合肥陽光的逆變器一般采用3種通信方案,即:數據采集器通過RS485監

21、控,PC機通過RS485監控,數據采集器和PC機通過RS485監控。如圖13,14,15所示。圖13數據采集器通過RS485監控圖14 PC機通過RS485監控圖15數據采集器和PC機通過RS485監控由上面的通訊方案可以看出,數據采集控制器可以控制多個逆變器也可以控制單個逆變器。采集器具有以下的特性:1. 遠程控制與檢測;2. 通過RS485,RS232或以太網和上位機通訊;3. 內置數據存儲器;4. 數據采集與存儲方便;其主要的功能包括:1. 匯總信息與設備通訊:電站發電總量,二氧化碳減排量,天發電量,輸出總功率,以及電站中逆變器的總臺數。所有顯示的數據均為數據采集器采集到的所有逆變器的相關數據匯總而成。2.設備狀態:包括設備總臺數,以及各別設備的地址。3.故障目錄:可以查詢到相應的逆變器最近故障的20條記錄,包括發生的類型和時間(直流過壓,直流欠壓,直流過流,交流過壓,交流欠壓,頻率異常,孤島效應,溫度異常,DPS異常,接地異常,模塊異常。4日期時間,密碼設置,恢復出廠值等功能。合肥陽光同樣提供了軟件監測的解決方案:1.SunInfo Insight 單機/多機版監控顯示軟件:性能特點:·系統詳細運行參數·故障計錄及報警·具有電量累計功能,系統分析功能,歷史記錄功能·