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）

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）

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。

黄河水院；光伏发电；最大功率跟踪控制；扰动观测法；变步长

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，是以合同能源管理形式利用黄河水院闲置的屋顶建造的2MW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5 446万kW·h，二氧化碳减排76 251 t。

太阳能电站分为集中式和分布式。在城市中安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，用不完的电送入市电网。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［1］。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。

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［2］。

1.1.1 导纳增量法

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踪。最大功率处d P/d U=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

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，不太适用于黄河水院光伏电站。

1.1.3 扰动观测法

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，其基本控制过程为：先让光伏电池按照给定的参考电压值Un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a，测量叠加扰动电压后的输出功率P（n＋1）。比较P（n）和P（n＋1）的大小，如果P（n＋1）大于P（n），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（n＋2）＝U（n＋1）＋a；如果P（n＋1）小于P（n），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（n＋2）＝U（n＋1）-a。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［3］。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。

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［4］。

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［5］。

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－U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MATLAB／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。

图3 改进算法控制流程图Fig.3 Im p roved algorithm control flow

图4 改进算法MPPT控制模型Fig.4 Imp roved algorithm MPPT control model

2.2 仿真结果

基于以上控制模型，在T＝25℃的标准状况下，改变光照强度（从1 000W／m2到1 400W／m2）作为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化而出现误判断甚至电压崩溃的现象；改进算法后的系统开始运行后，很快稳定运行在最大功率点，当光照强度快速变化时，能快速准确运行在新的最大

图5 扰动观测算法的仿真波形Fig.5 Simulation curve of DOM

图6 改进算法的仿真波形Fig.6 Simulation curve of im proved algorithm

3 结语

将改进扰动观测算法与常规的扰动观测法进行对比发现，使用改进的扰动观测法，步长控制器可以根据系统的采样数据，在特定情况下采用不同的控制步长，以有效地减小误判断，保证MPPT控制系统的稳定性，达到较为理想的控制效果。

［1］W ei D X，Ozog N，Dunford W G.Topology study of photovoltaic interface for maximum pow er point tracking［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（3）：1696－1704.功率点处，在一定程度上解决了干扰观测法在最大功率点附件反复振荡扰动和光照剧烈变化出现误判断的问题［6］。

［2］王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.2版.北京：化学工业出版社，2011：125－135.

［3］陈卉，王明春.独立光伏发电系统的最大功率跟踪研究［J］.发电设备，2013，27（5）：326-329.

［4］杨海柱，金新民.并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究［J］.电工电能新技术，2006（1）：63-67.

［5］赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术［M］.北京：电子工业出版社，2012：60－66.

［6］程启明，程尹曼.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究［J］.华东电力，2009（8）：1300-1306.

[责任编辑 胡修池]

Research on 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）

In the Yellow River Conservancy Technical Institute MPPT control of photovoltaic power systems，it makes the photovoltaic battery has the highest utilization rate and improves the efficiency of power generation.It analyzes the basic principle and advantages and disadvantages of DOM（Disturbance Observation 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 experiments，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.

Photovoltaic power generation；MPPT；DOM；variable step size

TM614

A

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.014

2016-01-27

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）。

刘金浦（1979-），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。