串并联独立光伏系统最大功率追踪控制策略

姚阳阳，潘巧波,2

(1. 东北电力大学 自动化工程学院， 吉林 吉林132012；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080)

串并联独立光伏系统最大功率追踪控制策略

姚阳阳1，潘巧波1,2

(1. 东北电力大学 自动化工程学院， 吉林 吉林132012；2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080)

针对光伏发电输出电压低的问题，设计一种基于多个光伏阵列串并联结构，包括直流负载和蓄电池的串并联独立光伏发电系统。以独立发电系统为控制对象，提出一种以电导增量法为基础的优化控制策略，实现系统的最大功率追踪控制。基于MATLAB/Simulink仿真实验平台，建立串并联独立光伏系统模型，仿真结果验证了所提控制策略在实现系统的最大功率输出及独立可靠稳定运行上是可行和有效的。

光伏发电；光伏阵列；串并联；最大功率追踪；电导增量法

光伏发电以其清洁、能耗低、灵活等优势受到世界各国的广泛关注[1-2]，但光伏发电技术还存在诸多问题。由于光伏阵列(photovoltaic array，PV)输出具有非线性特性，而且受太阳辐射强度、气温条件和外界负荷等因素的影响，因此对其输出的控制尤为必要，而通过对PV输出电压的控制来实现最大功率输出，是光伏发电控制的基本目标；另外，光伏发电具有间歇性和不确定性，直接并网会对配电网的调峰和系统的安全运行产生较为显著的影响。

文献[3]提出一种求取PV等效电阻的方法，推导出其数学模型，并针对扰动观测方法的不足，提出一种变步长策略，加快了系统跟踪速度。文献[4]提出一种固定电压法与电导增量法相结合的占空比扰动最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)控制策略，在不同运行点采用不同的跟踪方法，实现了准确、快速的功率跟踪效果。文献[5]提出一种无电流检测的MPPT控制方法，该方法的运用有效地降低了系统的成本，具有较好的经济效益。文献[6-7]将模糊控制的思想运用到PV的MPPT控制上，仿真结果显示相较于传统控制策略，在快速MPPT及发电效率的提升上均取得较好的结果。

上述文献局限于对单个PV的MPPT控制及改进算法的研究，对于独立发电系统中PV的连接形式及MPPT控制方法关注得较少。本文构建一种光伏独立发电系统，通过对多个PV的串并联连接，以提升光伏发电的输出电压及发电效率。另外以单个PV及串并联光伏系统整体的最大功率输出为控制目标，基于光伏系统中Boost升压斩波硬件电路，提出一种MPPT控制策略。

1 光伏电池的输出特性

PV是光伏发电的能量转换器件，可以把它视作一个半导体光电二极管，利用硅基半导体的光生伏特效应实现太阳能向电能的转化。诸多外部环境因素的变化都会影响PV的性能指标，所以PV输出特性具有很强的非线性。根据电子电路原理可得其数学表达式为[8-9]

(1)

式中：I、U分别为输出电流和输出电压；Iph为光生电流；I0为反向饱和电流；n为与PN结材料特性相关的参数；k为玻耳兹曼常数；T为环境热力学温度；q为电荷电量，其值为1.610～19.000 C；Rs、Rsh分别为等效串联电阻和等效并联电阻。

将式(1)转化为工程化数学模型，利用MATLAB/Simulink仿真软件来建立PV的实验模型，通过设置不同的仿真算例，对该模型的正确性和可行性进行验证。电池温度θ取20～35 ℃，间隔为5 ℃；太阳辐射强度S取600～1 200 W/m2，间隔为200 W/m2。PV输出特性曲线如图1所示，其中P为输出功率。

a—S=1 200 W/m2，b—S=1 000 W/m2，c—S=800 W/m2，d—S=600 W/m2，e—θ=35 ℃，f—θ=30 ℃, g—θ=25 ℃，h—θ=20 ℃。图1 PV输出特性曲线

通过仿真验证了PV模型的正确性，进而可得PV的最大功率点

式中Im、Um分别为PV处于最大功率点时对应的输出电流和输出电压。

2 串并联独立光伏发电系统

2.1 独立光伏发电系统的组成

独立光伏发电系统包括PV阵列、Boost升压斩波电路、MPPT控制器、蓄电池和直流负载等，其拓扑结构如图2所示。

图2 独立光伏发电系统拓扑结构

在图2中，通过控制器产生的触发脉冲，基于对Boost升压电路的控制，调节PV输出电压以实现PV在环境条件变化时的MPPT控制。其中蓄电池起到稳定系统工作电压和电能储备的作用，并在PV供电能力减弱的情况下作为备用电能给直流负载供电，以实现独立光伏发电系统的持续、可靠、稳定运行。

2.2 MPPT控制策略

近年来，光伏发电系统的MPPT控制技术得到长足的发展，较为常见的有恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等[10-11]。

2.2.1 恒定电压法

早期的MPPT采用恒定电压法，虽然能够保证系统稳定工作以及在很大程度上节约控制成本，但没有实现真正意义上的最大功率点控制，在能量转化过程中造成大量损耗。

2.2.2 扰动观察法

扰动观察法是目前较为常用的MPPT算法之一。由PV的P-U特性曲线可知：当PV工作在最大功率点时，斜率为0，dP/dU=0；当PV工作在最大功率点左侧时，dP/dU>0。通过脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号，周期性地接入一个或负或正的扰动信号，观测扰动前后输出功率的强弱，若较之前强则施加与上周期相同的信号，若变弱则施加相反的扰动信号，经过几个周期的反复调制，以实现输出功率最大化。

2.2.3 电导增量法

电导增量法是目前理论与实践中较常见的MPPT算法，此算法是通过比较PV的增量电导和瞬时电导来实现的。通过PV的P-U特性曲线可知，在曲线最高点处斜率为0，所以当P=Pm，U=Um时，

(2)

由式(2)可知，当PV电池输出电导的变化量与输出电导互为相反数时，其工作在最大功率点。故将式(2)作为PV是否工作在最大功率点的判别条件，此跟踪方法的流程如图3所示。

U(k)、I(k)—当前周期的输出电压、输出电流检测值；U(k-1)、I(k-1)—上一周期的输出电压、输出电流采样值；ΔUm—算法的步长，即每次PV输出电压的改变量；Uref—输出电压目标值。图3 电导增量法流程

电导增量法的优点是：输出电压控制精确，跟踪速度较快；适用于天气环境变化较快的场所；基本可以消除扰动观察法中因电压波动而造成的最大功率点振荡的现象。

2.3 串并联独立光伏发电系统

串并联独立光伏发电系统由串并联PV阵列、Boost斩波电路、MPPT控制器、蓄电池和负载构成，其主要拓扑结构如图4所示。串并联PV阵列可看作先由N个PV阵列串联成一组，然后再由相同特性的M个支路并联而成。控制部分则主要有MPPT控制及斩波电路，串并联PV阵列的输出电流与输出电压经MPPT控制器输出PWM信号，PWM信号控制Boost斩波电路，最终输出稳定的直流电压。

图4 串并联独立光伏发电系统拓扑结构

基于电路分析，PV阵列串联可以升压，PV阵列并联可以增流，所以为了升压增流，提高输出功率，提出了PV的串并联结构。电导增量法能够实现单个PV的MPPT控制，此方法优点明显而且系统运行稳定，因此针对串并联独立光伏发电系统，提出改进的电导增量法，控制流程如图5所示。另外当每个串联支路有N个PV阵列组成时，MPPT控制器增加一个比例环节，比例系数Kp=1/N，以实现串并联系统MPPT控制，提高系统的发电效率。

图5 改进的电导增量法流程

对比图3、图5可知，改进的电导增量法步骤明显减少，从而减少了运算时间，解决了跟踪时间长的问题，并且实现了串并联PV阵列的MPPT控制。另外，不但实现了升压增流，增大发电功率，而且满足了更高等级无变压器并网，减少了电缆及汇流设备的数量，降低了逆变器、直流设备的损耗以及汇流设备、变压器的成本，提高了光伏发电效率，适应分布式、大型光伏电站及未来中、高电压直流输电的需求。

3 仿真分析

为了验证所提控制策略对串并联独立光伏发电系统实现MPPT控制的有效性，基于光伏数学模型在MATLAB/Simulink仿真平台上建立仿真模型。PV主要参数设置如下：开路电压U0=44.2 V，短路电流Is=5.2 A，太阳辐射强度参考值Sref=1 000 W/m2，电池温度参考值θref=25 ℃，最大功率点对应电压Um=35.2 V，最大功率点对应电流Im=4.95 A，串并联参数N=M=3。设置仿真时间1 s，太阳辐射强度S从900 W/m2阶跃变化到1 100 W/m2，电池温度θ从20 ℃阶跃变化到30 ℃。仿真结果如图6所示。

图6 串并联独立光伏系统仿真实验结果

由图6可知，系统总输出电流、总输出电压约是单个PV输出电流、输出电压的3倍，总输出功率约是单个PV输出功率的9倍，从而实现了单个PV的MPPT控制。

对单个PV电池进行独立仿真实验，仿真参数、太阳辐射强度和电池温度的设置不变，仿真实验结果如图7所示。

图7 单个PV仿真实验结果

对比图7与图6(b)可知，在相同的仿真条件下，对单个PV实现MPPT控制的效果与串并联结构中单个PV输出基本一致。基于电导增量法改进控制策略，不仅实现了串并联独立光伏发电系统自身整体的MPPT控制，也实现了串并联结构中单个PV的最大功率输出。串并联PV、蓄电池、直流负载与公共直流母线连接，实现电能的相互传递，仿真结果得到的直流母线电压波形如图8所示。

图8 直流母线电压波形

由图8可知，在外在条件变化时，直流母线电压稳定在目标值220 V上，符合独立光伏发电系统稳定运行的要求。

综上，采用串并联独立光伏发电的形式，基于电导增量法改进控制策略能实现升压升流及提高输出功率的功能，并且能够实现串并联独立光伏发电系统MPPT控制，在此基础上单个PV依然能实现最大功率输出，输入-输出特性正常且工作稳定。另外，通过对独立系统中蓄电池和直流负载的协调控制，直流母线电压稳定在额定值，实现了电能的稳定传输和独立系统的可靠运行。

4 结论

a)设计了一种由多个PV组成的串并联结构，其简单易实现，有效提升了光伏发电的输出功率和电能品质，在一定程度上节省了斩波电路、汇流设备等硬件设施的成本。另外与蓄电池及直流负载等组成串并联独立光伏发电系统，通过合理的协调控制能实现系统的独立、稳定、可靠运行。

b)提出以电导增量法为基础的MPPT改进控制策略，以串并联独立光伏发电系统为控制对象，利用MATLAB/Simulink仿真平台，建立光伏微网仿真模型，设置不同的仿真算例，结果表明所提控制策略能很好地实现串并联独立光伏发电系统的MPPT，并且对串并联结构中单个PV有同样的控制效果，仿真结果验证了所提控制策略是可行和有效的。

c)所研究的MPPT改进算法，只是完成了仿真验证，还需要进一步在实际运行中验证其稳定性和可靠性。与独立光伏发电系统相比，以微电网的形式并入大电网，可以给光伏发电带来较大的经济效益，然而二者的互连也有许多技术上的问题亟待解决。

[1] GUERRERO J M，BLAABJERG F，ZHELEV T，et al. Distributed Generation：Toward a New Energy Paradigm[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine，2010，4(1)：52-64.

[2] 孟凡姿，孟杰，潘巧波，等.基于改进下垂法的光伏微电网并网控制策略研究[J]. 可再生能源，2016，34(5)：660-665.

MENG Fanzi，MENG Jie，PAN Qiaobo，et al. Research on Control Strategy of PV Micro-grid Connected Based on Improved Droop Method[J]. Renewable Energy Resources，2016，34(5)：660-665.

[3] 杨永恒，周克亮.光伏电池建模及MPPT控制策略[J]. 电工技术学报，2011，26(增刊1)：229-234.

YANG Yongheng，ZHOU Keliang.Photovoltaic Cell Modeling and MPPT Control Strategies[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(S1)：229-234.

[4] 焦阳，宋强，刘文华.基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略[J]. 电力自动化设备，2010，30(12)：92-96.

JIAO Yang，SONG Qiang，LIU Wenhua.Control Strategy of Grid-connected Photovoltaic Generation System Based on Modified MPPT Method[J]. Electric Power Automation Equipment，2010，30(12)：92-96.

[5] 古俊银，陈国呈.单级式光伏并网逆变器的无电流检测MPPT方法[J]. 中国电机工程学报，2012，32(27)：149-153.

GU Junyin，CHEN Guocheng.A Current-sensor-less MPPT Algorithm for Single-stage Grid-connected PV Inverters[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(27)：149-153.

[6] AASHOOR F A O，ROBINSON F V P.A Variable Step Size Perturb and Observe Algorithm for Photovoltaic Maximum Power Point Tracking[C]//47th International Universities Power Engineering Conference，September 4-7，2012，London，United Kingdom. Piscataway：IEEE，2012：1-6.

[7] 郑必伟，蔡逢煌，王武.一种单级光伏并网系统MPPT算法的分析[J]. 电工技术学报，2011，26(7)：90-96.

ZHENG Biwei，CAI Fenghuang，WANG Wu.Analysis and Research of MPPT Algorithm for a Single-stage PV Grid-connected Power Generation System[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(7)：90-96.

[8] 梁慧慧.独立光伏发电系统最大功率点跟踪的研究[D]. 重庆：重庆大学，2014.

[9] 钱念书，刘阔，郭建业，等，光伏电池建模及其输出特性研究[J]. 电源学报，2012，10(5)：78-82.

QIAN Nianshu，LIU Kuo，GUO Jianye，et al. Modeling and Output Features Simulation of Photovoltaic Cells[J]. Journal of Power Supply，2012，10(5)：78-82.

[10] 曹龙益.独立光伏发电系统及其最大功率追踪算法的研究[D]. 长沙：湖南大学，2013.

[11] 李坤.光伏发电系统最大功率跟踪控制的研究[J]. 电气自动化，2016，38(1)：39-41.

LI Kun.A Study on MPPT Control in the Photovoltaic System[J]. Electrical Automation，2016，38(1)：39-41.

(编辑 李丽娟)

Control Strategy for Maximum Power Point Tracking of Series-parallel Independent Photovoltaic System

YAO Yangyang1, PAN Qiaobo1,2

(1.School of Automation Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin, Jilin 132012, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In allusion to the problem of low output voltage of photovoltaic generation, this paper designs a kind of series-parallel structure based on multiple photovoltaic arrays (PV) including series-parallel independent photovoltaic generation system of DC load and batteries. Taking the independent generation system for a control member, it presents an optimized control strategy based on incremental conductance (INC) algorithm so as to realize control for maximum power point tracking (MPPT). On the basis of MATLAB/Simulink simulation experimental platform, it establishes a model for series-parallel independent photovoltaic system and simulation result indicates feasibility and effectiveness of the proposed control strategy in realizing MPPT and independent and reliable stable operation of the system.

photovoltaic generation; photovoltaic array; series and parallel; maximum power point tracking; incremental conductance algorithm

2016-07-06

青海省光伏发电并网技术重点实验室项目(2014-Z-Y34A)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.006

TM615

A

1007-290X(2016)12-0027-05

姚阳阳(1988)，男，河北沧州人。工学硕士，研究方向为电力电子与新能源发电。

潘巧波(1993)，男，浙江金华人。工学硕士，研究方向为微电网控制、电力电子与新能源发电。