光伏并网发电系统的MPPT_电压控制策略仿真

第26卷第1期农业工程学报V ol.26No.1

2010年1月Transactions of the CSAE Jan.2010267光伏并网发电系统的MPPT-电压控制策略仿真

吴红斌，陶晓峰，丁明

（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，合肥230009）

摘要：在配电网络的末端，负载的无功波动将会对电网供电电压产生较大的影响，对光伏发电系统并网处系统侧的交流电压进行控制，可以提高系统的电压水平。根据光伏并网系统的结构，采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。通过abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量，引入最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量，引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量，实现了具有MPPT和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。仿真结果表明MPPT-电压控制策略既能够实现光伏并网的最大功率点跟踪，也能够控制光伏发电系统接入点的交流电压，进一步提升了光伏并网发电系统的应用前景。

关键词：发电系统，电压控制，算法，光伏并网，最大功率点跟踪（MPPT），仿真

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.01.047

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-01-0267-05

吴红斌，陶晓峰，丁明.光伏并网发电系统的MPPT-电压控制策略仿真[J].农业工程学报，2010，26(1)：267－271. Wu Hongbin,Tao Xiaofeng,Ding Ming.Simulation of photovoltaic grid-connected generation system with maximum power point tracking and voltage control strategy[J].Transactions of the CSAE,2010,26(1):267－271.(in Chinese with English abstract)

0引 言

近年来，农村能源的不足引起了有关部门的关注。为了解决农村能源的不足，建沼气池、兴建小水电等都是行之有效的途径，而太阳能等清洁能源的开发无疑是潜在的、有希望的一个领域[1-5]。在中国西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远农村地区，生活用电比较困难,而这些地区太阳能资源非常丰富，因此，充分利用丰富的太阳能资源，发展光伏并网发电技术是解决农村用电困难、能源短缺等问题的有效手段。

光伏并网发电系统是一个综合的控制过程，它不仅涉及到太阳能电池和并网逆变技术，还涉及到系统的控制和优化问题。文献[6]设计了以数字信号处理（digital signal processing，DSP）芯片控制的并网系统，该系统具有可靠性强，工作效率高，稳定性好等优点。文献[7]根据三相桥电路工作原理，提出了三相光伏并网发电系统的设计方案。文献[8]将光伏并网发电与无功补偿一体化的理论，构成了光伏并网功率调节系统，以提高供电质量和减少功率损耗。文献[9-11]则提出了将光伏并网发电与瞬时电流、无功补偿和有源滤波一体化的理论，构成光伏并网发电系统，以提高光伏并网发电的用途。

在配电网络的末端，特别是远离电网的边远地区，负载的无功波动将会对电网供电电压产生较大的影响，进而影响到该节点上的其他负荷[12-14]。如果能够利用光伏发电系统调节并网节点的交流电压，将会对光伏发电

投稿日期：2009-11-12修订日期：2009-12-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50607002,50837001）

作者简介：吴红斌（1972－），男，湖北鄂州人，博士，副教授，主要研究方向为分布式发电技术、电力系统安全性分析。合肥合肥工业大学电气与自动化工程学院，230009。Email：hfwuhongbin@ 系统的应用产生积极的影响，具有十分重要的意义。

针对上述问题，本文提出一种基于最大功率点跟踪（MPPT）与电压控制相结合的三相光伏并网控制策略，使光伏系统在实现最大功率点跟踪的同时，还能够控制并网接入点处系统侧的交流电压，维持系统的电压恒定，以此节省相应设备的投资，提升光伏并网发电系统的应用前景。

1

三相光伏并网发电系统的结构

三相光伏并网发电系统的结构如图1所示。图中光伏阵列PV将太阳能转换成直流电，经过稳压电容C后，逆变器将其转换成交流电，经开关KM后与配电网络并网运行。其中，L f、C f构成LC滤波回路，R+jX为输电线路的交流等效阻抗。

268农业工程学报2010年

出Sin_cos信号给MPPT-电压控制器。MPPT-电压控制器

接收到直流电压（U dc）、直流电流（I dc）、并网电流、交

流电压的实测值（V rms）和参考值（V ref），经过MPPT-电

压控制策略控制后，产生调制波（u abc），送至脉冲波调制

模块，控制光伏发电从直流变换到交流的过程。

2MPPT-电压的控制策略

目前光伏并网发电技术一般采用带有MPPT功能的

单位功率因数控制策略，使逆变器输出的电流和并网的

系统电压同频同相位[15]。在远离电网的边远地区，当负

载的无功发生波动时，将会对电网电压产生较大的影

响，从而影响到供电质量。为了维持节点电压稳定，可

通过装设相应的无功补偿设备，来满足无功负荷的要

求，但会增加相应的设备投资。因此，如果能够从控制

策略上来实现上述功能，将会使光伏并网发电系统得到

进一步应用，具有十分重要的意义。

考虑到上述要求，本文提出了一种基于最大功率点

跟踪（MPPT）与电压控制相结合的三相光伏并网控制策

略，其设计思想如下：

在实际的光伏并网发电系统中，其直流端并联有稳

压电容C，因此，可以利用该电容，控制其输出并网电流

的无功分量，以此来维持并网系统侧交流电压的恒定。

同时通过MPPT来控制并网电流的有功分量完成对有功

输出的控制。即通过MPPT-电压的控制策略，分别来控

制并网电流的有功和无功分量，实现光伏并网的最大功

率点输出和维持节点电压恒定。

图2给出了完整的光伏并网发电系统的MPPT-电压

控制策略的原理图。

abc

i

rms

V

dc

I

ref

V

dc

U

abc

u

d

I

q

I

dref

I

qref

I

∑

∑∑

图2MPPT–电压控制策略

Fig.2MPPT and voltage control strategy

如图2所示，该控制策略采取的是双闭环控制结构，

其外环为电压环，内环为并网电流环。通过abc/dq0变

换，将并网电流解耦为有功分量和无功分量2部分。

对于有功分量而言，将最大功率点跟踪模块（MPPT）

的输出值（U m）作为参考值，将该值与光伏阵列的实际

工作电压（U dc）进行比较，其偏差经过比例积分（PI）

调节后所得到的值（I dref）作为并网电流环的电流有功分

量参考值。

对于无功分量而言，将设定的交流电压参考值（V ref）

与交流侧系统的实际电压（V rms）进行比较，其偏差经过

PI调节后所得到的值（I qref）作为并网电流环的电流无功

分量参考值。

并网电流的有功分量（I d）和无功分量（I q）分别与

参考量I dref、I qref比较后的差值，经过比例环节PI调节，

以及dq0/abc反变换后，输出调制波（u abc），以此来实现

光伏并网的直流到交流的逆变。

因此，该控制策略系统不但能够实现三相光伏并网

的最大功率点跟踪，还能够控制光伏发电系统接入点的

交流电压，进一步提升了光伏并网发电系统的作用。

3MPPT的算法实现

MPPT有多种实现算法[16]如增量电导法、曲线拟合

法、神经网络、干扰观测法等。本文求解最大功率点电

流和电压时采用了牛顿迭代算法[17]，其特点是能够快速

精确地求解出最大功率点工作电压，计算过程如下：

设在参考条件（日照强度、环境温度）下，光伏阵

列的短路电流为I scref，开路电压为U ocref，最大功率点电

压为U mref，最大功率点电流为I mref；则在任意日照强度和

环境温度下，当光伏阵列电压为U dc时，其对应点的电流

I dc为[17]

1

2

1

2

2

[1(exp()1)]

(1

(1)/ln(1

dc

dc scref

ocref

mref mref

scref ocref

mref mref

ocref scref

U U

I I C I

C U

I U

C

I C U

U I

C

U I

-∆

=--+∆

⋅

=--

⋅

=--

（1）

式中：exp——以e为底的指数函数；ln——以e为底的

对数函数；ΔU——当日照强度和环境温度变化时电压的

修正值，V；ΔI——当日照强度和环境温度变化时电流的

修正值，A；式（1）的详细计算见文献[17]。

此时，光伏阵列的输出功率P为

1

2

{[1(exp(1)]}

dc

dc dc dc scref

ocref

U U

P U I U I C I

C U

-∆

=⋅=⋅--+∆

⋅

（2）

为使光伏阵列的输出功率最大，将式（2）对U dc进

行求导，并令

d

d

dc

P

U

=，得

1

2

12

2

[1(exp(1)]

exp(/()0

dc

scref

ocref

dc

dc scref ocref

ocref

U U

I C I

C U

U U

U I C C U

C U

-∆

--+∆-

⋅

-∆

⋅⋅⋅⋅=

⋅

（3）

上式所计算出的U dc值，即为在任意日照强度和环境

温度下最大功率点所对应的U m值，该方程是一个超越方

程，因此，可采用牛顿迭代法进行求解

()(1)(1)(1)

()/()

dc k dc k dc k dc k

U U P U P U

---

'''

=-（4）

式中：k——迭代次数；U dc(k-1)——第k-1次迭代时直流

电压值，V；U dc(k)——第k次迭代时直流电压值，V；

P'(U dc(k-1))——第k-1次迭代下光伏阵列输出功率P的一

阶导数；P″(U dc(k-1))——第k-1次迭代下光伏阵列输出功