第２８卷第３期 ２０１６年７月 黄河水利职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＹｅＨｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｖ０１．２８ Ｎｏ．３ Ｊｕ１．２０１６ 黄河水院光伏发电系统最大功率跟踪控制研究 刘金浦．郭红山 （黄河水利职业技术学院，河南开封４７５００４） 摘 要：分析了最大功率点跟踪的基本扰动观测法的原理和优缺点．提出了一种改进算法．即加入 步长变化的环节，在工作点远离最大功率点区间时，设定扰动步长相对较大；在工作点接近最大功 率点区间时．设定步长相对较小。通过仿真实验对改进算法进行了验证，得出该算法既能在稳态时 减小功率损失，又能在外界条件剧烈变化时提高动态响应和系统稳定性，从而达到预定控制效果。 关键词：黄河水院；光伏发电；最大功率跟踪控制；扰动观测法；变步长 中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３６８１ｌｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４１—１２８２／ｔｖ．２０１６．０３．０１４ ０引言 黄河水利职业技术学院（简称黄河水院）太阳能 电站属于２０１０年国家金太阳工程．是开封市第一家 １最大功率跟踪控制方法选择 光伏发电系统最大功率跟踪控制就是无论光照 强度、温度和负载特性如何变化，太阳能电池方阵工 光电建筑应用示范项目。该工程国家补贴２ ４００万． 河南恒太阳能源科技有限公司投资１ ２００万．是以 作始终跟踪在最大功率点。这就需要同时采样太阳 能电池方阵的电压和电流．计算出其功率，并通过寻 合同能源管理形式利用黄河水院闲置的屋顶建造 的２ ＭＷ太阳能电站。电站利用学校１３座楼顶，共 安装太阳能组件７ ９１６块．４台套５００ ｋＷ逆变器机 组，总面积约３．６万ｍ２．运营周期为２５年，预计总发 电量为５４４６万ｋＷ．ｈ．二氧化碳减排７６ ２５１ ｔ。 优和调整．使太阳能电池方阵工作在最大功率点附 近。 １．１ 最大功率跟踪控制常用方法 最大功率跟踪控制常用的方法有导纳增量法、 间歇扫描法、扰动观测法［ｚ－。 太阳能电站分为集中式和分布式。在城市中安 １．１．１ 导纳增量法 装的太阳能电站都是分布式发电系统．发电功率在 数千瓦至几兆瓦。分布式的特点是．极好地适应了分 导纳增量法的基本原理是，通过不断比较光伏 电池的电导增量和瞬间电导来实现最大功率点跟 散电力需求．延缓了输配电网升级换代所需的巨额 投资。它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使 用的原则 黄河水院的光伏电站主要满足学校白天 用电，用不完的电送人市电网。该光伏发电系统光伏 电池的输出特性不稳定。易受负载大小、环境温度、 日照强度等因素影响．且太阳能光伏电池在运行中 踪。最大功率处ｄＰ／ｄ ０，其他地方的斜率都不为 零。可由此判断光伏电池是否工作在最大功率点处。 这种方法控制精确，响应速度快，但对传感器的精度 要求比较高，因而整个系统的硬件造价高。因此，从 经济角度考虑，本项目不采用此方法。 １．１．２间歇扫描法 输出的电压和电流变化很大．从而使光伏发电系统 输出功率不稳定．导致光伏发电系统效率降低。为了 充分利用光伏阵列所转换的能量．让光伏电池的输 光伏电池的最大功率输出点是在当前光照强度 和外界环境温度下对应于某一特定电压时输出功率 为最大的工作点，因此可以定时间歇地扫描一段（一 出功率时刻保持在最大功率点．从而提高发电效率， 必须对最大功率点进行跟踪控制…。本项目用一种 改进的扰动观测法实现黄河水院太阳能电站的最大 功率跟踪 般为０．５～０．９倍的开路电压）阵列输出电压，同时记 录下不同电压对应的输出功率值，经过比较不同点 的太阳能电池阵列的输出功率，就可以方便地得出 最大功率点。该方法需要有连续输出的光伏系统，不 收稿日期：２０１６—０１—２７ 基金项目：黄河水利职业技术学院青年基金项目：２ＭＷ光伏发电系统最大功率跟踪控制研究（２０１４ＱＮＫＹ０１２）。 作者简介：刘金浦（１９７９一），女，河南南阳人，讲师，硕士，从事电气自动化技术教学与科研工作。 ４２ 刘金浦，等：黄河水院光伏发电系统最大功率跟踪控制研究 太适用于黄河水院光伏电站。 １．１．３扰动观测法 动步长相对较大．在工作点接近最大功率点区间时， 设定步长相对较小。这样，既能在稳态时减小功率损 扰动观测法的基本原理是，每隔一定的时间增 加或者减少光伏电池输出电压，并观测所引起的输 出功率的变化方向．从而决定下一步的控制策略。 扰动观测法的控制流程图如图１所示，其基本 失．又能在外界条件剧烈变化时提高动态响应和系 统稳定性，从而达到预定控制效果…。 光伏电池板的Ｐ—Ｕ曲线可以分为３段，如图 ２所示。在Ｉ段。曲线近似为一斜率为正值的直线； 在Ⅱ段．曲线近似为以最大功率点为中心对称的 正弦波：在Ⅲ段，曲线近似为一斜率为负值的直 线 根据变步长扰动观测法的控制思想．在Ｉ段和 控制过程为：先让光伏电池按照给定的参考电压值 输出，测量此电压时的输出功率，然后再在这个 电压的基础上叠加一个电压扰动口．测量叠加扰动 电压后的输出功率Ｐ 。比较Ｐ（ 和Ｐ（舯¨的大小，如 果Ｐ ）大于Ｐ（ ），表明叠加电压扰动后的输出功率 增加．所给电压扰动的方向是使输出功率增大的 方向．则继续施加相同方向的扰动．下一时刻电压 为Ｕ（ ＋２）＝ （ ）＋０；如果Ｐ（州）小于Ｐ（ ），表明叠加电压 扰动后的输出功率减小．所给电压扰动方向不是使 输出功率增大的方向．则给反方向的扰动。下一时刻 电压为 （ ）＝Ｕ（肿¨一口。这样循序渐进，使输出功率逐 渐逼近光伏电池的最大功率点［３１。该方法的优点是 控制算法比较简单．对电量传感器精度要求不高。因 此．本项目采用此方法。 检测Ｕ（ ，（ ） ｌ扰动增加输出电压 （其值大小为ｎ） 检测Ｕ（ １），，（ １） 计算△Ｐ ＡＰ＝ １）·，（ １）－Ｕ（ ）·几） Ｙ ＼＜：：／ 、 以步长ａ 以步长。 找到 减小输出电压 增大输出电压 最大功率点 图１ 扰动观测法的控制流程图 Ｆｉｇ．１ ＤＯＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌｏｗ １．２扰动观测法的改进 基本扰动观测法具有稳态精度不够、光照剧烈 变化出现误判、步长和控制周期选取有冲突等诸多 缺陷。因此，就需要设计一个改进的控制方法 变步长的扰动观测法的控制思想是加入步长变 化的环节．在工作点远离最大功率点区间时．设定扰 Ⅲ段选用大步长．而在Ⅱ段采用小步长。就可以在 跟踪速度与减小稳态时的功率损失之间取得一个 较好的折中 △ 图２光伏电池板的Ｐ—Ｕ曲线 Ｆｉｇ．２ Ｐ＿Ｕ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ １．３改进算法 由图３可知．无论当下的功率点位于Ｐ－ 曲线 的哪一段。都可以根据电压、电流的采样数据，换算 出当前系统的电压、电流和功率参数，设定合适的扰 动步长．从而实现系统的最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ，简称ＭＰＰＴ）控制。基于以上 控制．采用两级变速方式实现ＭＰＰＴ：在Ｉ段和Ⅲ段 采用第一级步长Ｓｐ１适当较大 用以快速接近最大 功率点附近区域．减少搜索时间：在Ⅱ段第二级步长 Ｓｐ２适当较小．用以高精度逼近最大功率点。 ２改进扰动观测法的仿真 ２．１仿真模型建立 由变步长扰动观测法的控制思路．可在ＭＡＴ． ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下．建立改进扰动观测法算 法的ＭＰＰＴ系统仿真模型．如图４所示。在模型中． 系统控制器根据电压、电流的采样数据．换算出当前 系统的电压、电流和功率参数，并判断当前系统运行 于光伏电池板Ｐ－Ｕ曲线的Ｉ段、Ⅲ段，还是Ⅱ段，据 此来设定合适的扰动步长．控制系统占空比数据．从 而实现系统的ＭＰＰＴ控制 ４３ 黄河水利职业技术学院学报 ２０１６年第３期 图３改进算法控制流程图 Ｆｉｇ．３ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌｏｗ （∽ Ｐｏｗｅｒｇｕｉ 光伏模块 图４ 改进算法ＭＰＰＴ控制模型 Ｆｉｇ．４ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＭＰＰＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ２．２仿真结果 基于以上控制模型，在 ２５℃的标准状况下， 改变光照强度（从１ ０００ Ｗ／ｍｚ到１ ４００ Ｗ／ｍｚ）作为 ４４ 在不同时刻的动态光照扰动，得到仿真波形如图５ 和图６所示。从波形对比中可以发现，在控制周期 内，基本扰动观测控制方法会因外界条件的剧烈变 刘金浦．等：黄河水院光伏发电系统最大功率跟踪控制研究 化而出现误判断甚至电压崩溃的现象；改进算法后 功率点处．在一定程度上解决了干扰观测法在最大 的系统开始运行后，很快稳定迫￣－Ａ仃－仕取八圳率￣点，当 功率点附件反复振荡扰动和光照剧烈变化出现误判 光照强度快速变化时．能快速准确运行在新的最大 断的问题［ 。 譬 图５扰动观测算法的仿真波形 图６改进算法的仿真波形 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ＤＯＭ Ｆｉｇ．６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 譬 ３结语 王长责，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ］．２版．北 将改进扰动观测算法与常规的扰动观测法进行 京：化学工业出版社。２０１１：１２５—１３５． 对比发现，使用改进的扰动观测法，步长控制器可以 陈卉．王明春．独立光伏发电系统的最大功率跟踪研究 根据系统的采样数据．在特定情况下采用不同的控 ［Ｊ］．发电设备，２０１３，２７（５）：３２６—３２９． 制步长，以有效地减小误判断，保证ＭＰＰＴ控制系统 杨海柱．金新民．并网光伏系统最大功率点跟踪控制的 的稳定性，达到较为理想的控制效果。 一种改进措施及其仿真和实验研究［１］．电工电能新技 术，２００６（１）：６３－６７． 参考文献： 赵争鸣．陈剑．孙晓瑛．太阳能光伏发电最大功率点跟踪 ［１］Ｗｅｉ Ｄ ｘ，Ｏｚｏｇ Ｎ，Ｄｕｎｆｏｒｄ Ｗ Ｇ．Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｕｄｙ 技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２：６０—６６． ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ 程启明．程尹曼．光伏电池最大功率点跟踪方法的发展 ｔｒａｃｋｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， 研究Ｕ］．华东电力，２００９（８）：１３００—１３０６． ２００７，５４（３）：１６９６—１７０４． ［责任编辑胡修池】 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ ２ＭＷ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＭＰＰＴ ｏｆ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｐｕ， ＧＵＯ Ｈｏｎｇ－ｓｈａｎ （Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋａｉｆｅｎｇ ４７５００４，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ＭＰＰＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓ． ｔｅｍｓ，ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ ｈａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＤＯＭ （Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｏｂｓｅｒ— ｖａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ），ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｓｔｅｐ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌａｒｇｅ， ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｇｏｅｓ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＭＰＰ；ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｓｔｅｐ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌｌ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｇｏｅｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ＭＰＰ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔｓ，ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃｈａｎｇｅ ｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＭＰＰＴ；ＤＯＭ；ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｅｐ ｓｉｚｅ ４５