太阳能并网发电系统的MPPT及孤岛检测技术

太阳能并网发电系统的MPPT及孤岛检测技术
才利存;常忠廷
【摘要】基于太阳能电池的等效电路,建立了太阳能电池的数学模型,分析了太阳能电池的特性曲线.通过比较几种常用的最大功率点跟踪方式的优缺点,提出了一种基于恒电压( CVT)启动的变步长扰动观察法最大功率点跟踪方式.对比现有的孤岛检测技术,确定采用主动偏移式孤岛检测方法.在Matlab/Simulink下建立了太阳能电池的数学模型,最大功率点跟踪和主动频移式孤岛检测方法的仿真模型,并进行了试验研究,仿真和试验结果验证了方案的可行性和合理性.%The mathematical model of photovoltaic cell is built based on the equivalent circuit of photovoltaic cell, and the characteristic curves of photovoltaic cell are analyzed. Through comparing the advantages and weaknesses of the existing MPPT (maximum power point track) methods, an improved perturbation and observation (P&O) algorithm with constant-voltage-start and variable step size is proposed. In view of the exiting islanding detection method, the active frequency drift islanding detection is adopted.
A mathematical model of the photovoltaic cell, as well as the simulation model of MPPT and active frequency drift islanding detection method is built on the platform of Matlab/Simulink, and experimental study on them are also carried out, and the simulation and experimental results show its feasibility and rationality.
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2012(040)004
【总页数】7页(P119-124,138)
【关键词】太阳能电池;最大功率跟踪;变步长;孤岛检测;主动频移
【作者】才利存;常忠廷
【作者单位】许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌461000
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
0 引言
太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭的绿色无污染清洁能源，是人类社会可持续发展的首选能源。

自20世纪80年代以来，太阳能产业是世界上增长最快的高新技术产业之一，随着世界各国对可再生能源的重视，世界太阳能市场的发展超过了工业历史上已有的任何一次突破，越来越多的国家和金融投资机构看好光伏发电的应用前景。

国际权威能源机构预测，到本世纪中叶，世界可再生能源可占到人类能源利用的“半壁江山”，其中太阳能约占 13%～15%，到本世纪末，太阳能将成为人类能源构成的“主力”，太阳能发电领域已成为新的研究热点。

本文以单相太阳能并网发电系统为例，建立了太阳能发电系统的太阳能电池，最大功率跟踪和孤岛检测技术的仿真模型，进行了仿真研究，最后对孤岛检测技术进行了试验验证，仿真和试验结果验证了方案的正确性和合理性。

1 系统结构
单相太阳能并网发电系统主要由太阳能电池、MPPT控制器、DC-DC变换器以及DC-AC逆变器等部分组成。

DC-DC变换器与MPPT控制器控制光伏电池最大功
率点跟踪，DC-AC逆变器将光伏电池发出的电能逆变成正弦电流并入电网中，PWM 控制单元控制逆变器的并网电流的波形和功率[1]，系统结构如图1所示。

图1 单相太阳能并网发电系统结构图Fig.1 Structure of single phase photovoltaic grid-connected system
2 太阳能电池的数学模型
太阳能电池的基本特性与二极管相似，可用简单的PN结来说明，考虑到太阳电池的串联电阻Rs和并联电阻 Rsh等因素，可以得太阳能电池的等效电路，如图2所示[2]。

图2 太阳能电池等效电路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic cell
根据图2可得
其中：I为太阳能电池输出电流(工作电流)；U为太阳能电池输出电压(工作电压)；IL为光生电流；I0为二极管饱和电流；q为电子的电荷量(1.6×10-9C)；Rs为太阳能电池的串联电阻； A为二极管特性因子；k为玻耳兹曼常数(1.38× 10-23
J/K )；T为太阳能电池温度；Rsh为太阳能电池的并联电阻。

根据以上数学模型，对太阳能电池进行了仿真分析，得到太阳能电池的特性曲线，如图3所示。

图3 不同条件下太阳能电池特性曲线Fig.3 Characteristic curves of photovoltaic cell under different conditions
从图3中可以看出，随着光强的减小，输出最大功率减小，同时最大功率点处对应的电压减小；随着温度的升高，输出最大功率减小，同时最大功率点处对应的电压减小，太阳能电池输出呈非线性，随着输出电压的增加，输出功率存在一个最大点[3-4]。

3 最大功率点跟踪
光伏发电系统最常用的最大功率点跟踪方法有恒电压法（CVT），扰动观察法，电导增量法[2,4]。

3.1 恒电压（CVT）法
通过分析图3（c）可以看出，在太阳能电池温度变化不大时，太阳能电池的输出
P-U曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧。

因此，如果能将太阳
能电池输出电压控制在其最大功率点时的电压处，太阳能电池将工作在最大功率点。

CVT法控制的优点如下：
1）控制简单，控制易实现，可靠性高；
2）系统不会出现因控制电压剧烈变化而引起振荡，具有良好的稳定性，可以方便地通过硬件实现。

CVT法控制的缺点如下：
1）控制精度差，系统最大功率的跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性；
2）控制的适应性差，当系统外界环境发生剧烈改变时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。

3.2 扰动观察法
扰动观察法原理是测量当前太阳能电池输出功率，然后在原输出电压上增加一个扰动，其输出功率会相应发生改变，对比改变前后的功率即可知道功率变化的方向，如果功率增大就继续使用原扰动，如果减小则改变原扰动方向。

扰动观测法的优点如下：
1）控制思路简单，实现较为方便；
2）可实现最大功率点的动态跟踪，提高系统的利用效率。

扰动观测法的缺点如下：
1）跟踪稳定时，只能在最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失；
2）初始值及跟踪步长对跟踪精度和速度有较大影响；
3）有时会发生程序在运行中的“误判”现象。

3.3 导纳增量法
由太阳能电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处有dP/dU=0，通过数学推导可以得出在最大功率点处有式（2）成立。

即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池工作于最大功率点。

导纳增量法的优点如下：
1）控制效果好，控制稳定度高；
2）外部环境参数变化时能平稳的追踪其变化，与太阳能电池的特性及参数无关。

导纳增量法的缺点如下：
1）控制算法较复杂，对控制系统要求较高；
2）控制电压初始化参数对系统启动过程中的跟踪性能有较大影响，可能产生较大的功率损失；
3）对硬件精度要求高，会增加成本。

通过以上对各种常用MPPT方式优缺点的比较分析，本文提出了一种基于 CVT启动的扰动观察法，将0.78倍开路电压[5]作为系统 CVT启动的指令电压，控制太阳能电池输出电压从开路电压开始下降，向最大功率点电压方向移动，快速调整到最大功率点附近，确保系统正确平稳的启动，改进扰动观察法的流程图4中e 为接近零的较小的正数。

如果太阳能电池工作点电压离初始参考电压比较远则将扰动步长设为ΔU1，否则将扰动步长设为ΔU2，ΔU2<ΔU1，如果当前功率值与前一次功率值相差等于零，则不进行扰动[6-7]。

图4 基于CVT启动的扰动观察法流程图Fig.4 Flowchart of the P&Q method based on constant-voltage-start
根据图1所示的单相太阳能并网发电系统结构图，利用Matlab对其建立了仿真模型，如图5，仿真模型的具体参数见表1所示[8]。

图5 单相太阳能并网发电系统的仿真模型Fig.5 Simulation model of single phase photovoltaic grid-connected system
图6为改进的扰动观察法与普通扰动观察法仿真结果对比图，在 0.9 s太阳能光照强度从 1000 W/m2降到了500 W/m2。

表1 仿真系统参数Table 1 Parameter simulation system
图6 不同MPPT方式的仿真波形Fig.6 Simulative waveforms of different MPPT methods
从图6中我们可以很清晰的看出，改进扰动观察法在0.12 s左右功率即达到了最大功率，而普通扰动观察法在0.27 s左右才达到了最大功率，并且在达到最大功率点过程中和稳定后有比较明显的震荡，功率损失比较明显，当太阳能光照强度在0.9 s突变后，基于CVT启动的扰动观察法能对最大功率点进行快速跟踪，使工作点快速移动到最大功率点附近,使系统的动态和稳态性能得到较大提高，具有较高的实际应用价值。

3.4 最大功率点跟踪试验波形
为了验证所提出的改进算法的有效性，进行了试验验证，试验选用的太阳能电池在标准条件（1000 W/m2，25 ℃）下功率为3 kW，开路电压为758 V，短路电流6.28 A。

图7为采用改进扰动观察法后的试验波形，图中CH1为阵列电压，CH2为阵列电流，CH3为电网电压，CH4为电网电流。

由图7可以看出逆变器在启动后0.6 s左右达到了最大功率，太阳能电池阵列电压稳定在612 V左右，最大功率点电流为4.85 A。

图7 变步长扰动观察法的试验波形Fig.7 Experimental results of perturbation
and observation MPPT algorithm based on various step size
4 孤岛检测技术
在太阳能并网发电系统中，除了和其他系统一样具有常规的保护功能如过流、过压、欠压、过热、欠频、过频、短路等功能以外，它还要求具有孤岛保护功能。

常用的孤岛检测方法有被动检测法和主动检测法[9]。

4.1 被动检测法
被动检测法是指并网系统利用电路正常工作的电压、电流、频率等各种状态和指标用于判断孤岛的方法，光伏并网系统一般会有过压保护、欠压保护、过频和欠频保护，当并网系统的输出电压、频率超过正常的范围时，系统会自动停止运行，切断与电网的连接。

这种方法存在一定缺陷，即当逆变器的输出功率与负载功率达成平衡时，则会因系统的电压及频率变动过小，使得控制系统无法检测而失去作用，因此我们就需要主动检测法。

4.2 主动检测法
当光伏并网系统和负载完全匹配时，电网断电后系统输出电压的幅值、频率以及相位没有显著地变化，被动检测的方法不能快速、有效地检测出孤岛效应。

基于这个原因必须加入主动式的检测方法，主动检测法是指对电网电压或频率周期性地施加一定的扰动，然后通过检测输出电压或频率的变化来判断是否发生了孤岛效应。

通过以上所述，本文采用了带正反馈的主动频率偏移法(Active Frequency Drift with Positive Feedback，AFDPF)的主动式孤岛检测技术，该方法可以有效地减
小AFD的检测盲区，缩短孤岛保护时间[10]。

主动频率偏移法是通过控制逆变器并网电流频率来实现反孤岛效应功能[11]，频率偏移有正偏移和负偏移两种方式，本系统采用频率正偏移方式。

具体实现思想就是：系统周期性地检测出相邻两次电网电压过零点的时刻，计算出电网电压的频率 f，然后在此频率f的基础上引入偏移量Δf (Δf应满足电能质量标准要求)，最后将频
率(f士Δf)作为输出并网电流的给定频率，在电网电压每次过零时使并网电流复位。

当电网正常工作时，逆变器输出负载上的电压频率即为电网电压频率；当电网出现故障时，输出并网电流单独作用于负载上，并网电流频率周期偏移，由于正反馈的作用，负载电压频率就会相应地改变，该过程不断重复，使得负载电压的频率很快就会超过频率保护的上限值从而使系统有效检测出市电脱网。

根据上述内容建立了主动频率偏移法的仿真模型，如图8所示。

逆变器在0.06 s
与电网断开，产生孤岛效应。

图9为逆变器并网电流波形，由图10～图11可知，当系统在0.06 s发生孤岛效
应后，负载电压频率持续增加，在0.12 s超过频率上限值， 0.2 s左右负载电压降到零，在孤岛保护时间为0.14 s，满足IEC 62116（Test procedure of islanding prevention measures for utility-interconnected photovoltaic inverters）规定的孤岛保护时间小于2 s的要求。

图8 主动频率偏移法的仿真模型Fig.8 Simulation model of active frequency drift method
图9 逆变器输出电流波形Fig.9 Output current waveform of inverter
图10 逆变器输出电压频率变化Fig.10 Frequency variation of inverter output voltage
图11 负载电压和电流波形Fig.11 Voltage and current waveforms of load
4.3 孤岛保护试验波形
为了验证上述孤岛检测方法的可行性，对其进行了试验研究，采用RLC作为本地
负载，参数均可调，负载电压380 V，负载电流80 A，负载功率60 kW，功率器件的开关频率为3 kHz。

图12和图13分别为无主动式孤岛保护测试波形和加入主动式孤岛后的试验波形，其中CH1为负载电流，CH3为电网电流。

在图12中，逆变器发生孤岛效应1.82 s后，逆变器报电网电压欠压保护。

图13为加入主动式孤岛后，孤岛保护测试波形，在逆变器发生孤岛效应98.4 ms 后，频率超出了限制，逆变器报过频保护。

图12 无主动式孤岛保护测试波形Fig.12 Test waveforms without active islanding prevention
图13 加入主动频移式孤岛保护测试波形Fig.13 Test waveforms with AFD islanding prevention
对比图12和图13，可以看出加入主动频移式孤岛保护后逆变器保护时间明显小于被动式孤岛检测保护时间，使系统更快地脱离了电网，增加了系统的安全性。

5 结论
通过对光伏电池原理的分析建立了光伏电池的仿真模型，验证了太阳能电池的特性曲线，针对各种常用MPPT工作方式的优缺点，采用了一种基于CVT启动的扰动观察法最大功率点跟踪技术，通过仿真验证该跟踪方式与传统方式相比能快速、准确地达到最大功率点，提高了控制精度。

分析了孤岛检测技术的原理，建立了仿真模型。

并进行了试验验证，试验结果表明改进扰动观察法的最大功率点跟踪技术能快速准确地跟踪到太阳能电池阵列的最大功率点，当加入主动式孤岛检测后能使逆变器更快脱离电网，达到保护要求。

参考文献
【相关文献】
[1]吴玉蓉，张国琴.基于DSP控制的单相光伏并网逆变系统的设计[J].继电器, 2008, 36(4)：51-56.WU YU-rong，ZHANG Guo-qin.Design of single phase photovoltaic grid-connected inverse system based on DSP[J].Relay, 2008, 36(4)：51-56.
[2]邱培春，葛宝明，毕大强.基于扰动观察和二次插值的光伏发电最大功率跟踪控制[J].电力系统保护与控制，2011，39(4)：62-67.QIU Pei-chun, GE Bao-ming, BI Da-qiang.MPPT control for PV power generation system based on P&O algorithms and quadratic
interpolation[J].Power System Protection and Control, 2011, 39(4)：62-67.
[3]姚致清，张茜，刘喜梅.基于 PSCAD_EMTDC的三相光伏并网发电系统仿真研究[J].电力系统保
护与控制，2010，38(17)：76-81.YAO Zhi-qing, ZHANG Qian, LIU Xi-mei.Research on simulation of a three-phase grid-connected photovoltaic generation system based on PSCAD/EMTDC[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(17)：76-81.
[4]孙自勇，宇航，严干贵，等.基于 PSCAD的光伏阵列和MPPT控制器的仿真模型[J].电力系统保护与控制，2009，37(19)：61-64.SUN Zi-yong, YU Hang, YAN Gan-gui, et al.PSCAD simulation models for photovoltaic array and MPPT controller[J].Power System Protection and Control, 2009,37(19)：61-64.
[5]刘邦银，段善旭，刘飞，等.基于改进扰动观察法的光伏阵列[J].电工技术学报，2009，24(6)：91-94.LIU Bang-yin, DUAN Shan-xu, LIU Fei, et al.Photovoltaic array maximum power
point tracking based on improved perturbation and observation method[J].Transations of China Electrotechnical Society, 2009,24(6)：91-94.
[6]李冬辉，王鹤雄，朱晓丹，等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护和控制，2010，38(21)：208-214.LI Dong-hui, WANG He-xiong, ZHU Xiao-dan, et al.Research on several critical problems of photovoltaic grid-connected generation system[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(21): 208-214.
[7]熊远生，俞立，徐建明.固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中应用[J].电力自动化设备，2009，29(6)：85-88.XIONG Yuan-sheng, YU Li, XU Jian-
ming.Constantvoltage combined with perturbation and observation maximum-power-point tracking method for photovoltaic power systems[J].Electric Power Automation Equipment,2009, 29(6): 85-88.
[8]杨文杰.光伏发电并网与微网运行控制仿真研究[D].成都：西南交通大学，2010.YANG Wen-jie.Simulation and research of grid connected photovoltaic generation and microgrid operation control[D].Chengdu：Southwest Jiaotong University, 2010.
[9]许颇，张崇巍，张兴.三相光伏并网逆变器控制及其反孤岛效应[J].合肥工业大学学报: 自然科学版，2006，29(9)：1139-1143.XU Po, ZHANG Chong-wei, ZHANG Xing.Research on the whole control schemes and anti-islanding protection for the three-phase grid-connected photovoltaic inverter[J].Journal of Hefei University of Technology:Science Edition, 2006,
29(9): 1139-1143.
[10]孙美玲.基于正反馈的逆变器孤岛检测研究[D].秦皇岛：燕山大学，2007.SUN Mei-ling.The positive islanding detection based on inverter[D].Qinhuangdao：Yanshan University, 2007.
[11]刘芙蓉，康勇，段善旭，等.主动移频式孤岛检测方法的参数优化[J].中国电机工程学报，2008，21(1)：95-99.LIU Fu-rong, KANG Yong, DUAN Shan-xu, et al.Parameter optimization of
active frequency drift islanding detection method[J].Proceedings of the CSEE,2008, 21(1): 95-99.。