太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法

第25卷第8期中国电机工程学报V ol.25 No.8 Apr. 20052005年4月Proceedings of the CSEE ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013（2005）08-0095-05 中图分类号：TK51 文献标识码：A 学科分类号：480·60太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法戴欣平，马广，杨晓红（金华职业技术学院，浙江省金华市 321007）A CONTROL METHOD FOR MAXIMUM POWERTRACING OF PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEMDAI Xin-ping, MA Guang, YANG Xiao-hong（Jinhua College of Profession and Technology, Jinhua 321007, Zhejiang Province, China）ABSTRACT: This paper proposes a control method for maximum power point tracing (MPPT) with adaptive voltage, aiming at solving the problems of power loss and poor adaptability in controlling MPPT of constant-voltage tracing photovoltaic system. The method is implemented by measuring the grads variety of voltage-output curve of the photovoltaic system, and obtaining the voltage variation volume of transducer using the least square method, and controlling the out-frequency of transducer with constant voltage PI. Its efficiency is verified by simulating photovoltaic pumping system. The results indicate:①the practical generating volume is larger than 99 percent of maximum generating volume in theory; ②the system has a quick start performance, capable of reaching a rated output in eight seconds; ③its sound dynamic performance guarantees a stable output in case of abrupt changes in solar intensity, thus avoiding the breakdown of the system. The method can be applied to various photovoltaic systems.KEY WORDS: Photovoltaic generation; MPPT; Transducer; PI; Least square method摘要：针对定电压跟踪光伏系统最大功率点（MPPT）控制上存在的功率损失和适应性差问题，提出自适应电压变化率的MPPT控制方法。

该方法通过检测光伏系统电压—输出功率曲线的梯度变化，利用最小二乘法推导出变频器电压的变化量，并用定电压PI控制变频器输出频率。

该控制法经光伏水泵系统仿真试验验证其有效性。

结果表明：①系统的实际发电量达到理论最大发电量的99%以上；②具有快速起动性能，从起动到额定输出时间仅为8s；③具备良好的动态性能，当日照强度急变时，能迅速稳定输出，避免系统崩溃。

该方法可用于多种光伏系统中。

关键词：太阳能发电；最大功率追踪控制法；变频器；定电压PI控制；最小二乘法1 引言近年来，随着我国经济的飞速发展，用电量的急剧增加，电力紧缺局面短期难以解决；而且，随着石油、煤等不可再生资源的枯竭，能源问题成为多方面关注的焦点。

由于太阳能是一种取之不尽、清洁无污染的能源，其开发利用引起各级政府的重视，许多企业和科研机关纷纷加入开发利用太阳能的行列，太阳能应用产品也层出不穷。

本文介绍一种无人值守光伏水泵系统。

该系统主要针对未设电网的地区，可用于农业灌溉、牧场牲畜饮用水、家庭取水等。

该系统在有太阳光时（包括晴天和阴天）能自动工作，在电力变换过程中，变频器采用一种适应性算法的最大功率追踪控制法，实现了在同样光照条件下太阳能电池发电量最大化的控制，使相对昂贵的太阳能电池得到了最大限度的利用。

2 太阳能发电的系统构成和控制原理无人值守光伏水泵系统构成如图1所示。

系统由室外1kW太阳能电池阵列、DC-AC变频器、控制处理器、马达及水泵负载构成的独立性太阳能发电系统。

DC/AC变频器采用日本三菱公司的IGBT 模块ASIPM-PS11037，它的PWM波形由CPU调整。

控制CPU采用三菱公司的16位芯片M16C。

太阳能电池(日本荏原公司生产)采用36个独立的96 中 国 电 机 工 程 学 报 第25卷太阳能电池元件串联成一串联电路，同样的5个串联电路并联成一个太阳能电池模块，7个这样的太阳能电池模块串联成一个太阳能电池单元，最后2个同样的太阳能电池单元并联后构成整套太阳能电池阵列。

这套太阳能电池阵列在理想条件下（日照强度100%，环境温度−15℃）的最大开路直流电压为168V 。

直流输出线直接接入变频器的DC 母线。

为了防止电流逆流，在太阳能电池阵列和变频器的电容器之间的正母线上加上一个整流二极管。

这样，太阳能电池阵列输出直流电至变频器，然后变频器输出某一个适当频率的交流电以驱动异步电机，带动水泵工作。

变频器的额定输出交流电压和异步电机的额定电压为100V ，电机为6极，额定频率87.5Hz 。

图1 太阳能发电供水系统的构成Fig. 1 Photovoltaic generation and water supply system太阳能电池的输出功率并不是恒定值，也不单单与太阳光的光照强度呈正比[1]，其输出特性是上部凸出的山形曲线，并根据日照强度、光线角度、气温和负载等因素变化而形成的曲线族[1-6]，如图2所示，因此其特性很难事先定义。

特性曲线凸出最高点为最大功率输出点，越接近最大输出功率点，特性曲线的斜率绝对值越小。

这在日照量、元件温度、负载不同时也成立[2-4]。

P m 图2 太阳能发电系统的输出特性Fig. 2 Output characteristics of photovoltaic system因此，为了充分发挥太阳能电池的效率，通常需要对电池输出功率进行追踪控制，使得输出功率达到最大值。

太阳能电池的最大功率追踪控制在原理上并不复杂，通常，在系统处于相对稳态状况下，按照登山法[4]通过CPU 精确控制系统的动作点，使其稍作前后变化，比较其输出功率的变化，从而可搜索出当前最大功率的动作点。

利用登山法追踪动作点是一种相对可靠而又有效的方法。

但是，其动作点变化率∆V 是固定的，若∆V 选得过大，到达最大输出功率的时间虽然缩短了，但在最大功率点附近的来回振动也随之增大，这种振动现象严重时可能导致系统的崩溃；相反，如果∆V 选得过小，就无法快速对应特性变化，系统的反映速度将变得很慢。

更主要的是，过小的变化∆V 将无法准确地判断出输出功率的变化值，从而使控制系统误判了动作方向，使系统的输出功率长期徘徊在相对较低功率值上[7-8]。

基于上述原因，本文提出以下的控制方法。

系统选择了变频器的直流电压V DC 和直流电流I DC 作为该系统的输入值，选择了变频器输出频率f 作为输出值。

首先，由变频器的直流电压和直流电流计算出太阳能电池阵列的输入功率，同时记录当前的动作点（P k ，V k ）。

然后，根据记录的PV 轨迹，用最小二乘法计算出当前PV 轨迹的斜率k ，最后按照图3，根据斜率k 计算出动作点变化率∆V 。

V /(W/V)图3 动作点变化率∆V 与斜率的关系 Fig. 3 The relation between ∆V and slope图3中，∆V 值设定了正负5V 的上下限，这样可保证MPPT 的电压调节范围不会太大；而且在零点上下，∆V 也设定了正负0.05V 的上下限，这样保证MPPT 不会停在某一点上不动。

对于某个特定的水泵负载系统而言，变频器的输出频率f 决定了该系统的输出功率P out ，改变输出频率f 可以影响到变频器的直流电压。

所以，使用了式(1)所示的定电压PI 控制[9-11]来改变系统的动作点。

out d p I f G G t εε=+⋅∫(1)其中，*DC DC ()V V V ε=−=∆。

*DC V 为定电压PI 控制的指令值，V DC 为高速采样得到的直流电压值。

由于定电压PI 控制影响到输出功率的大小[12]，从而影响了整个MPPT 控制的性能，因此这里将定电压PI 控制的采样周期设置为变频器的载波周期（100µs ），在这样的高速控制下，变频器的定电压第8期 戴欣平等： 太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法 97控制可近似认为是一个连续的控制系统。

将定电压PI 控制的指令值为变频器的直流电压（V DC +∆V ），PI 的输出没变频器的输出频率f 。

同时，为了简化系统的控制流程，异步电机的控制仅采用了V/f 一定比例控制法。

在决定变频器的输出频率f 的同时，由预先设置在变频器的V /f 表，就可以得到变频器的输出电压V out 。

因此，根据式(1)及图3，变频器的输出频率f 的变化幅度可以认为是与变频器输出功率特性曲线的斜率成比例的。

当然，为了快速响应特性曲线的变化，同时也是为了消除最大功率点的移动，控制系统必须不断地改变动作点使其与变频器的功率特性曲线一致。

与动作点变化率∆V 不变的登山法相比，该方法能快速响应处理外部环境的变化而引起的发电特性的变化。

另外，该方法将动作点上下变动，这些变动均能得到有效的控制，因此可以精确地到达最大功率点附近，并将变动控制在很小的范围内[13]。

同时，在日照光线突变时，特别在日照光线突然由强变弱时，高速变频器的定电压控制可以迅速稳定住变频器的直流电压，避免系统的崩溃。