光伏发电极其并网控制技术最大功率点跟踪

光伏发电的最大功率点跟踪技术
在整个光伏发电过程中，影响光伏电池发电效率的因素不止电池内部的结构和特性，还与外界环境有关，当外界光照强度或者温度等条件变化时，光伏电池的利用率也会随之改变。无论外界的各种环境如何变化，光伏电池任一时刻总是存在着唯一一个最大功率点，随着光照强度、温度等因素不断变化着，最大功率点也就在跟随着不断变化，在这个不断变化的动态环境下，我们需要一直跟踪光伏电池的最大功率点，从而保证光伏电池从太阳中吸收的能量能够更多的得到利用，而最大功率点跟踪技术就可以依据其控制算法实现这个功能，根据往常的经验可以知道，加入光伏电池最大功率点跟踪技术后，系统的发电量整体可以提高百分之五到百分之二十，也就是说在太阳辐射不变的情况下，有MPPT后的输出功率会比有MPPT前的要高很多，这就是MPPT的意义所在。基于这些规律，可以采用几种基于光伏电池输出特性曲线的MPPT方法，具体内容如下。2.3.1定电压跟踪法由光伏电池特性曲线我们可以得知，如果光伏电池温度变化并不大，并且这时光照强度达到了一定的值，那么在这个条件下，即使改变光照强度，光伏电池的P-U曲线中电池的最大功率点的横坐标也几乎不会有太大变化，也就是对应的电压值几乎相同，所以我们可以根据这个特性，从最大功率点的电压方面来进行研究，我们可以找到最大功率点所对应的电压的大小，然后直接对最大功率点进行跟踪，这样就避免了其他条件的掺入，仅仅只有电压一个需要研究的量值，我们将这种直接锁定最大功率点电压的方法叫做定电压跟踪法。最大功率点电压的数值的确定非常简单并且快速，通过探索光伏电池的最大功率点电压Umpp和其他因素之间的联系，最终利用最大功率点电压Umpp和开路电压Uoc之间的联系来进行计算，两者之间有着几乎线性的关系，即：（2-2）这里面系数k1的大小是由电池的特性所决定的，一般来说k1的大小会在0.8上下浮动。由于这种控制模式算法简单非常容易实现，所以跟踪效果非常迅速，可是这种控制并不精确，不能准确地进行最大功率点跟踪，并且我们进行定电压跟踪的前提是温度基本不变的情况，一旦温度有了较大幅度的变化，定电压跟踪的弊端就显现了出来，会产生较大误差，且温度变化越大误差越大。定电压跟踪方法的优点和缺点的显而易见，我们可以利用它的发挥其优点，避开缺点，利用它的跟踪特性与其他的跟踪方法搭配使用，即首先用定电压跟踪法快速的到达最大功率点附近的位置，然后再使用其他方法来进行搭配使用，从而达到比较精确的跟踪，这样配合使用既保证了跟踪的速度，也保证了跟踪的精度，避免了能量的浪费。2.3.2短路电流比例系数法短路电流比例系数法的原理和定电压跟踪法大同小异，如果光伏电池温度变化不大，并且这个时候如果光照强度达到一定的值时，光伏电池的U-I曲线中最大功率点电流Impp和光伏电池的短路电流Isc也同样有着几乎线性的关系，即：（2-3）这里面的参数k2的大小也是由电池的内部特性所决定的，一般来说k2的值取大概0.8左右。短路电流比例系数法的主要优点和定电压跟踪法一样，控制的算法简便，这就使得在跟踪的过程中这种方法可以很快的完成跟踪，但是它的弊端同样明显，在实际的外界环境下，环境很有可能产生剧烈的变化，短路电流比例系数法的跟踪效果就会受到很大的影响。而且相对于定电压跟踪法来说，短路电流比例系数法中数据采集更加困难，它的的短路电流Isc数值的测量更加的繁琐，所以在实际应用中我们很少用到短路电流比例系数法。2.3.3 电导增量法电导增量法比上面两种算法相比算法麻烦一些，电导增量法的控制变量有两个，分别是光伏电池的输出功率和输出电压，计算输出功率和输出电压之间的关系从而判断出工作点所在的位置，继而使其朝着最大功率点的方向进行移动。通过光伏电池的P-U曲线可以知道随着电压的增大，电池功率呈现先增后减的趋势，也就是曲线的斜率刚开始为负值，然后变为零，最后变为正值。而曲线斜率为零的所对应的点就是最大功率点。将斜率用dP/dU表示，当dP/dU＞0，说明这个时候工作点的位置是在最大功率点左侧，那么就应该增加电压；同理，若dP/dU＜0，则说明这个时候工作点的位置是在最大功率点的右侧，那么就应该减小电压。由于光伏电池瞬时输出功率为 P=IU （2-4）对公式（2-4）进行运算，两边对输出电压U进行求导，求导之后可以得到 dP/dU=I+U*dI/dU （2-5）结合上述工作点移动方向的判断,在最大功率点时，dP/dU=0，在P-U曲线图中也可以发现在最大功率点斜率为零，相应对照，此时dI/dU=-I/U （2-6）在实际中常常用△I/△U来代替dI/dU，将电压的增量设为△U，那么结合上述我们便可以得出：当△I/△U＞-I/U时，此时工作点的位置是在最大功率点的左侧，所以需要增加△U；当△I/△U=-I/U时，此时工作点的位置正好是在最大功率点上；当△I/△U＜-I/U时，此时工作点的位置是在最大功率点的右侧，所以需要减小△U；图 2-5电导增量法在实际跟踪过程种中，由于有一定的步长，所以很难正正好好精确跟踪到最大功率点，所以常常将dP/dU=0的限制条件改变成dP/dU＜ε，这里的ε是一个满足最大功率点跟踪精度范围内的阈值，这个值可以根据实际情况适当进行调整。电导增量法的控制算法相对而言比较繁琐，因此效果非常不错，在到达最大功率点附近时，它的震荡的幅度也较小，稳定度较好。并且电导增量法的控制算法不涉及到电池的相关参数，可以很好的适配不同的电池。可是电导增量法对于整个控制系统的要求则相对而言较高，且电压起始的值的设定对于最大功率点跟踪效果影响很大，如果设定的不好，会产生不好的控制效果。2.3.4扰动观察法扰动观察法原理扰动观察法是实现光伏发电最大功率点跟踪最常用的方法之一，通过光伏电池的P-U曲线我们可以知道：随着电压正向增大，功率会呈现先增后减的趋势，那么在这个电压正向增大的过程中，功率必将出现一个顶峰点，这个顶峰点是在这个固定的外部条件下功率数值最大的点，也就是我们需要研究的的最大功率点，这个点所对应的功率也就是是在这个固定外部条件下光伏电池的最大功率，对应的电压也就是在这个固定外部条件下光伏电池的最大功率点电压。可是由于光伏电池所处的外部环境是不断变化的，影响电池输出的光照和温度一直处于动态，所以我们需要在动态环境中不断跟踪这个最大功率点。扰动观察法从最开始的状态开始，每一次都对输入的信号进行调整，不断增加或减少输入信号的值，然后通过判断下一次的输出的变化方向，结合输入的变化方向，得出此时运行的状态，从而判断出下一次改变输入的方向，然后不断循环，最终扰动到最大功率点附近。我们先假定光照和温度不变，设置上次的电压和电流检测值分别为U和I，两者的乘积P也就是光伏电池的输出功率，将当前时刻的电压和电流测量值设为U1和I1，将两者乘相，得到乘积P1为当前时刻的光伏电池功率值，将电压每次调整的步长设置为△U,具体扰动过程如下：1）如果减小参考电压(U1=U-△U)，此时若P1＜P，即功率减小，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的左侧，这时应该增大参考电压的扰动，即U2=U1+△U。2）如果减小参考电压(U1=U-△U)，此时若P1＞P，即功率增大，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的右侧，这时应该减小参考电压的扰动，即U2=U1-△U。3）如果增大参考电压(U1=U+△U)，此时若P1＜P，即功率减小，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的右侧，这时应该减小参考电压的扰动，即U2=U1-△U。4）如果增大参考电压(U1=U+△U)，此时若P1＞P，即功率增大，那么此时工作点的位置是在光伏电池最大功率点的左侧，这时应该增大参考电压的扰动，即U2=U1+△U。图2-6 定步长扰动观察法流程图通过上面的四种情况，可以发现一个规律，那就是如果电压和功率的变化方向相同，那么就应该增大电压；如果电压和功率变化的方向相反[3]，那么就应该减少电压。可以直接通过判断电压与功率乘积的正负来判断电压与功率两者的变化方向是否一致，这样就使得控制算法变得非常简便。在判断出变换方向后，也可以直接控制其占空比进行控制。由此我们可以看出，扰动观察法的控制算法并不复杂，控制概念清晰且运行方便，所以扰动观察法被广泛的应用到光伏发电的控制应用中。有一点需要注意的是，扰动的步长和初始的电压值对最大功率点跟踪的精度和速度都有着很大的影响。扰动观察法的震荡与误判问题在进行扰动的过程中，很难直接精准地跟踪到最大功率点，往往会产生最大功率点附近震荡的现象，在跟踪到最大功率点附近时，工作点电压与最大功率点电压的差值若小于步长，那么工作点会直接跨过最大功率点直接到最大功率点另一侧的位置，此时因为判断的输入方向产生了变化，所以此时工作点会向着与上一步相反的方向移动，但是这时候工作点的电压和最大功率点的电压之间的长度还是小于所设置的固定步长，所以这时工作点将会在最大功率点的附近做往复运动，这也就是我们所说的扰动过程中出现的震荡问题。且如果设置的步长越大，震荡幅度也会随之变得越大，跟踪的效果也就越差。随着外界条件的变化，光伏电池的输出特性也就会随着外界条件也跟着发生变化。这时候光伏电池的工作点序列会处于不同的P-U特性曲线，外界环境不断变化，而工作点还按照原来的控制算法来扰动，所以可能因为实际的外界因素的情况和扰动算法不一致，从而出现扰动的方向与和实际功率变化方向并不一致的情况，这样就会就会出现误判。扰动观察法控制算法简单所以应用广泛，可它的弊端也慢慢地显现出来，在最大功率点跟踪过程中，扰动步长的选择成为了一大难题。若选用较大的步长，震荡问题则非常明显。随着步长的减小，震荡的幅度会随之减小，可跟踪的速率也会随之降低，所以在定步长的跟踪时,最大功率点跟踪的速度和精度之间便产生了矛盾性。扰动观察法的改进定步长的最大功率点跟踪中震荡和误判的问题，造成了不必要的能量流失，为了解决最大功率点跟踪过程中出现的速度与精度产生的矛盾性，我们可以采取变步长的改良最大功率点跟踪，既保证了跟踪的速率，也使得后面的震荡幅度较小，保证了跟踪的精度，减少了能量的流失。图2-7 变步长扰动观察法流程图图2-7为变步长的扰动观察法的算法流程图，在初始状态时，先采用相对较大的步长△U1，使得系统快速的靠近最大功率点，然后选取一个固定的步长L作为参考，也就是作为步长变化的的分界点，在靠近最大功率点的过程中，不断计算工作点电压U与最大功率点电压Um的差值，并取其差值的绝对值，当这个绝对值大于设置的固定步长L时，继续使用大步长△U1，当这个绝对值小于等于固定步长L时，此时工作点也就来到了最大功率点附近，这时将步长调整为小步长△U2，此时工作点将在最大功率点附近进行小幅度震荡，损失的能量就大幅减小了很多。这种变步长的扰动观察法既保证了前期跟踪的速率，也使得后期跟踪精度的提高。2.4基于DC/DC变换器MPPT控制在实际中我们经常用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制方案，这里使用Boost升压斩波电路。因为Boost升压斩波电路的输出电压是被网侧逆变器所控制，所以我们可以调整Boost变换器的开关的占空比，占空比的改变会导致Boost变换器的输入电流的改变，这样就可以对光伏电池输出起到很好的控制作用。
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