光伏并网系统中M常用算法及控制策略

光伏并网系统中MPPT常用算法及控制策略

1.1 光伏阵列的电气特性

讨论光伏并网系统的控制策略，就必须首先要清楚光伏阵列的V-I，P-V特性，进而提出合理的控制解决方案。

1.1.1 光伏电池的等效模型

图1 光伏电池的等效模型

图1是光伏电池(Solar Cell)等效模型。它由理想电流源Is、反向并联二极管D、串联电阻R s 和并联电阻R sh构成。其中Is的值等于电池的短路电流，其大小反映了光伏电池所处环境的日照强度。日照越强，Is越大;反之越小。下式是光伏电池的I— V特性关系方程。

理想情况下Rs，可近似为零，Rsh近似为无穷大，则上式可简化为

式中,

I为工作电流，I o为反向饱和电流，V为电池的输出电压，其余皆为常数。这样，光伏电池的输出功率为：

这表明光伏电池的输出功率是日照强度和温度的非线性函数，但是和电流和电压时一种比例关系。

1.1.2 光伏电池特性

1、光伏器件输出特性

为了更好的理解光伏电池的特性，根据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的光伏电池I—V、P—V特性曲线，如图2、3所示。

(1).电池结温不变，日照变化:

图2 光照强度不同情况下I—V、P—V特性曲线

图2为光伏电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论:

①光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系;光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大；

②光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势;到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；

③如图2(a)所示：在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线A 对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%；

④如图2(b)所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的76%。

(2)电池结温变化，日照不变

图3 光伏器件结温变化情况下I—V、P—V特性曲线

图3为光伏电池日照强度不变、结温变化情况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论:

①如图3(a)所示：光伏电池的结温对光伏电池的短路电流影响不大，随着温度的上升输出短路电流只是略有增加；光伏电池的开路电压随电池结温的上升而下降，且变化范围较大；

②如图3(b)所示:光伏电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。

综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的日照强度、环境温度有密切的关系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。

2、光伏器件不对称特性

对于前面给出的公式可以推导出功率对于电压的变化关系，根据该式绘制光伏器件输出电压从零到开路电压对应的dP / dV变化曲线：

图4 光伏器件dP/dV与输出电压关系

图4中dP/dV过零点C为光伏器件的最大输出功率点。由该曲线可以得到：

①光伏器件从短路状态到工作在最大功率点的区间内dP/dV大小基本不变，特性类似于电流源；

②最大功率点右侧光伏器件dP/dV随光伏器件输出电压的升高而降低，且变为负值。

由此可推知：光伏器件在最大功率点两侧由同样的电压变化引起的功率变化是不同的。

结合图2和图4可以得出:

①光伏器件短路时其输出电流最大，工作电压为零，光伏器件输出功率相应为零;

②在最大功率点左侧虽然光伏器件输出电压不断增加，但dP/dV基本不变，大小近似等于光伏器件的短路电流Is，光伏器件的输出功率与输出电压成线性关系;

③当光伏器件的输出功率接近最大功率点时，dP/dV快速下降直到零，该过程中光伏器件的输出功率随输出电压上升而增加但速度变慢，当dP/dV=0时光伏器件工作在最大功率点;

④随着光伏器件输出电压的进一步增加，光伏器件工作在最大功率点右侧，dP/dV变为负值并快速下降，光伏器件输出功率也从最大值快速下降。

1.2 光伏电池最大功率点跟踪控制方法

光伏电池最大功率点的跟踪算法比较典型的有：定电压跟踪法(CVT，Constant voltage Tracking)，扰动观测法(P&O，Perturbation and observation method)，导纳增量法(Incremental conductance method)，在此之上还有改进的是：变步长导纳增量法，基于模糊控制的MPPT方法，基于预测数据的MPPT方法，基于差分方程解的MPPT方法。

1.2.1 MPPT控制基本目标与工作原理

由于光伏器件的输出功率随外部环境变化而变化，因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏器件的利用效果。假定电池的结温不变，光伏器件的特性曲线如图5所示。

图5 MPPT工作原理示意图

图中曲线I、H分别对应不同日照情况下光伏器件的I—V特性曲线，A、B分别为不同日照情况下光伏器件的最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线。当光伏器件工作在A点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏器件的工作点转移到A，点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线I仍能输出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲线I上的B点，也就是说必须对光伏器件的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线2实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率。

1.2.2 定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)

定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)是利用光伏器件输出最大功率时工作电压(MPPT)与开路电压Vo存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。该特性由图2(b)光伏器件的P—V特性曲线也可看出。

定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)虽优点：控制简单，缺点：但其最大功率点电压与Vo的比例关系是在电池结温不变的情况下推出的，而实际工作中Vo是随温度变化而变化的，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用恒定电压跟踪(CVT)控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。特别在有些情况，太阳能电池的结温升高比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，引起系统振荡。对于那些季节或晨午温差比较大的地区，温度对整个光伏阵列的输出将会产生比较大的影响，如果仍然采用CVT控制策略就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。如图3(b)所示。不同厂家的产品由于所用晶硅材料的差异会造成最大功率点电压与Vo的比例关系有所不同，因而导致控制精度下降。