文中公式下标均为正体
点跟踪方法与实验研究*过滤网篮
方小坤1，安毓英2
（1扬州市职业大学，江苏扬州225009;2 西安电子科技大学，西安 710071）
摘要：太阳能光伏并网发电易受到电网不稳定因素影响，造成对最大功率点跟踪的误判。针对太阳能光伏并网发电过程中，电网负载变化影响光伏发电对最大功率点的跟踪问题，提出了一种能够在电网负载突变情况下的，防止最大功率点跟踪误判的方法。该方法在Boost 前级电路利用扰动观察法对最大功率点判断跟踪时，通过对电网电压和频率的检测，得到电网负载变化功率，补偿到最大功率点跟踪过程，避免由电网负载变化而引起的跟踪误判现象。通过实验结果表明：改进的防误判扰动观察法能够在电网负载变化下，对跟踪方向进行有效的判断，避免跟踪误判现象的发生，与一般扰动观察法相比，该方法能够有效的提高光伏并网发电效率。 关键词：光伏并网发电；最大功率点；跟踪算法；控制器
中图分类号：TM615文献标志码：A 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00 Study of maximum power point tracking method and experiment of photovoltaic power based on sudden changing
load
Fang Xiaokun1, An Yuying2
(1.Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, Jiangsu, China. 2 Xi′dian University, Xi′an
710071, China)
Abstract: Photovoltaic power system is easily influenced by unstabilizing factors, which can cause the misjudgment of maximum power point tracking. According to the effect of the changing load on the maximum power point tracking of photovoltaic power,a new maximum power point tracking method is presented to prevent the misjudgment of maximum power point tracking. The method can test and calculate maximum power point correctly which is superposed to the power of maximum power point, and compensate for power in the process of the maximum power point tracking, which can avoid the phenomenon of misconception. The experiment results show that, the improved method can avoid the misjudgment and obtain better tracking under the changing load. Compared wi
th traditional perturbation and observation, the new control method of maximum power point tracking improves the efficiency of grid-connected PV.
Keywords: grid-connected PV, maximum power point, tracing algorithm, controller
0 引言
随着科技的进步，太阳能利用已经在人们生活的方方面面得以体现，对人们日常生活起到了重大的影响，例如太阳能路灯、太阳能热水器、太阳能房屋和太阳能电池等，其本质的过程是对光能的转化利用。
基金项目：国家自然基金（50977081）
在对太阳光能转换利用过程中，利用效率是关键，这关系到太阳能利用的成效和利用的成本。尤其在光伏并网发电过程中，高的转化效率能够有效的利用太阳光照，提高发电量，减少光伏发电的成本，促进光伏发电行业的长足发展。然而，在光伏并网发电过程中，电网负载的变化严重影响了发电的效率，主要是由于光伏电池的光伏特性呈非线性变化，严重制约了光伏发电效率，即负载、光照和温度变化严重影响光伏电池的输出功率，造成对最大功率点的跟踪输出较为困难。
目前，用于对光伏电池组的最大功率点的跟踪的方法（Maximum PowerPoint Tracking, MPPT）研究
有很多，主要包括：电流跟踪或者固定电压法、扰动观察法和增量电导法等[1]。其中电流跟踪法存在电流能测能耗损失；固定电压法的灵活性较差；增量电导法的计算较为复杂，对控制硬件要求较高；扰动观察法通过一个电压扰动量，结合功率变化方向，实现对最大功率点的跟踪，相比于其它跟踪方法，该方法结构较为简单，与电池光伏特性无关，算法简单并广泛使用在光伏电池最大功率点跟踪方面，但是存在步长确定较难，且在并网发电过程中，受电网负载变化的影响，易出现误判跟踪现象[3]。近年来，较多的专家学者对扰动观察法进行了改进，例如根据斜率调整步长的扰动观察法，变步长的扰动观察法，扰动观察法与固定电压法相结合的方法等[4]。大多研究点集中在步长确定方面，而对并网发电负载变化对扰动观察法的影响研究较少，故无论步长如何高效快速的确定，电网负载变化往往会影响电压的扰动方向，造成对最大功率点的跟踪误判，影响光伏并网发电的效率[5]。
本文在Boost前级电路利用扰动观察法对光伏并网发电的光伏电池最大功率点进行跟踪，分析电网负载突变过程中最大功率点的跟踪效果，提出在扰动过程中加入电网负载变化的功率补偿机制。即在扰动观察法扰动判断过程中，加入由电网负载变化引起的功率修正量，对其进行理论分析，建立新的防误判扰动观察法实现机制。最后通过DSP搭建Boost前级电路，分别对扰动观察法和本文提出的防误判扰动观察法进行实验，验证了本方法在并网发电过程中，防误判的最大功率点跟踪效果。
1光伏特性
1.1光伏输出特性
光伏电池可以通过等效成半导体装置，来研究太阳能光伏发电的输入和输出特性。根据能量转换的过程，将光伏列阵等效成一个与受光面平行的大面积等效二极管，其具有极薄的PN截面，其等效电路如图1所示[6]。
图1光伏等效电路图
Fig.1 Equivalent circuit diagram of PV 图1中，I为太阳能电池输出电流；I LG为光伏电池电流；Rs为串联等效电阻，与I LG共同组成光伏阵列等效电流源；R sh为等效并联电阻；I d 为二极管工作电流代表暗电流；R L为负载；I Rsh 表示漏电流。根据图1可以得到以下的光伏特性方程：
Rsh
IRs
V
IRs
V
AKT
q
I
多任务手势
I
I
I
I
I
os
LG
Rsh
d
LG
+
-
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
-
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
+
-
=
-
-
=
1
)
(
exp
（1）式中：
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
-
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
=)
T
1
1
(
exp
3
Tr麦弗逊式独立悬架
BK
qE
Tr
T
I
I GO
or
os
（2）
[]
1000
)
298
(
1
λ
-
+
=T
k
I
I
SCR
LG
（3）以上公式中，I LG和I os与电磁表面温度T有关；
I SCR代表在标准电池温度和日照强度电池短路电流；k1为温度系数；λ表示日照强度；Tr（301.18 K）作为参考温，；I or为参考温度下的暗饱和电流；B为理想因子，一般在1-2之间；E GO为半导体材料的禁带宽度。R sh越大，对短路电流的影响越小。故在设计过程中，可通过忽略R sh简化光伏列阵输出特性方程[7]：
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
-
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
+
-
=1
)
(
exp
s
os
LG
IR
V
AKT
q
I
I
I（4）
在R L变动时，即负载发生变化，对应的温度和光照下，存在唯一的最大功率点，即可以得到如图2所示的太阳能电池板功率特性曲线和伏安特性曲线。改变负载RL的值，使得对应的电压Vm和电流Im的乘积达到最大值Pm，即为对应的最大功率点MPP。
图2 太阳能电池输出特性
Fig.2 Output characteristics of solar cell 1.2 最大功率点求解
采用Boost 电路作为获取最大功率点的前级电路，如图3所示。其中U0为输出电压，US 为输入电压，Uin 为光伏电池输出电压；R0为输出电阻，Rin 为输入电阻；开关管Q ，主电感 L ，电容C0和二极管DR 共同组成DC/DC 变换电路拓扑结构。
图3 Boost 电路MPPT 结构 Fig.3 MPPT structure of Boost circuit
忽略元器件的损耗，依据输出功率与输入功率相等的原则，图1中能量传递可表示为[8]：
2
s R U U R U U in in in =
⨯- （5） 0)1(U D U in -= （6）
4020
2
2
20200)1()1(2)1(D R D R R R U D R U P P in m
s in -+-+-===（7） 式中D 为采用扰动观察法实现对最大功率点跟踪的控制参数占空比；Pin 和P0分别为光伏列阵的输入和输出功率。根据公式（7），在负载变化时，输出功率P0也随着变化，对公式P0求关于R0的偏导数，得到对应的最大功率输出点，即：
00
=∂∂R P （8） 求解得到，当02
)1(R D R in -=时，输出最大
功率：
in
s R U P 42
0= （9） 依据以上公式，最大功率输出点只与输入电压和输入电阻有关，输入电阻可以通过占空
比D 来实现调节，进而得到最大的功率点MPP 。 2 负载变化下跟踪算法与改进 2.1负载突变分析
在负载突变的情况下，光伏特性输出曲线发生变化，对应的最大功率点跟着改变。由公式（7），占空比D 与输出功率P0之间的关系，可描述不同负载下，最大功率点的变化，如图4所示。
图4 不同负载时P-D 曲线关系[9]
Fig.4 Curved relationship of P-D in different
workloads
图中R1、R0、R2分别代表不同负载，其大小关系依次递减。根据不同负载下，曲线变化规律，对应在图中划分3块区域，分别为1区、2区和3区。负载R0到负载R1代表负载减小，负载R0到负载R2说明负载增加，对应P 0-D 关系曲线发生变化，即占空比D 依据功率大小变化依次减小或者增加下一步的占空比D 的值。以2区为例，在R0曲线区域，对应某点的坐标值为（D ，P 0），正常情况下，D 的扰动方向为正方向，P0随着的D 的增大而持续增大。若由于电网负载的变化，使得负载由R0变为R2，对应的坐标点变为（D ，P2），由于当前P2大于P0，使得的D 的扰动方向一直增大，与R2的功率曲线调整变化相反，故存在电网负载变化时，存在误判现象。以此类推在1区和3区同样存在误判现象，各区的误判现象如下所示：
表1负载突变引起的误判分析 Tab.1 Analysis for error conclusion of load
sudden change
区间
突变方向 前一拍
当前拍
后一拍 是否误判 1
R 0 转R 2
D 正，P 增 D 正，P 增
D 正，P 增剖分轴承
真空脱蜡炉
否
R0 转R1D正，P增D正，P减D负，P减是
2
R0 转 R2D正，P增D正，P增D正，P减是
R0 转R1D正，P增D正，P减D负，P减是
3
R0 转R2D正，P增D正，P减D负，P增否
R0 转R1D正，P增D正，P减D负，P减是2.2控制算法与改进
根据以上分析，最大功率点的跟踪是基于调节占空比D的扰动方向来实现对功率的控制，故这里选择的扰动观察法作为本文研究的最大功率跟踪算法。作为一种自寻优的算法，能够通过自动改变扰动方向确定最大功率点工作范围，以适应外界温度、湿度和光照的变化，其算法流程如图5所示[10]。
图5扰动观察法
Fig.5 Perturbation observation method
图5中，扰动观察法每隔一段时间对输出的电压和电流进行采集，继而得到输出功率的变化状况，即P（K+1），与采样前的功率P（K）进行比较，从而得到输出功率的变化，以此来调节占空比变化方向，实现对最大功率点的跟踪。在温度、光照等变化过程中，该方法能够对最大功率点进行有效跟踪，同时具有结构简单，容易实现的有点，成本较低特点。但存在当外部影响因素突然发生变化时（例如：并网发电时，电网负载的突变），该算法可能会判断错误，导致跟踪方向反向。由2.1中负载突变分析可知，扰动观察法在负载突变当前拍功率计算和前一拍功率对比过程出现前后功率对比不匹配，导致误判现象。即在图5中，P（K+1）与P（K）比对之前缺少对负载变化引起的P-D关系曲线变换的识别。
由于电网负载变化相对于温度变化和光照变化具有时间短、突变的特点，考虑将电网负载变化的功率变化以参数形式加入到原扰动观察法的判别中。根据图4，在3区，负载R0突变到R2过程中，功率输出曲线发生变化，即功率曲线R0转变成R2，造成扰动观察法中前后功率的比对量不在同一功率输出曲线上，故此处将电网负载功率变化量转变成功率变化参数对功率曲线R2进行补偿，使得在前后功率比对在同一功率输出曲线上。具体过程包括：在对在当前拍功率P（K+1）与前一拍功率P（K）比对
之前，加入电网负载判断，计算电网负载变化引起的功率变化修正参数ΔP*，并与前一拍功率P（K）叠加后，使得P（K）+ΔP*与当前拍功率P（K+1）在同一功率输出曲线上，具体改进的算法流程如图6所示。
图6 改进的最大功率跟踪算法
Fig.6 Improved MPPT algorithm
参照图6，改进的扰动观察法，在前后两拍功率对比之前，加入了电网负载变化带来的功率修正参数ΔP*，通过对前一拍功率P（K）的修正，使得的P（K+1）与修正后的P*（K）具有可比性，即前后功率在同一负载曲线或者同一P-D关系曲线上比较。对电网负载变化带来的功率修正参数的ΔP*进行计算，首先需要计算电网负载变化对应的功率变化量ΔP，通过电网电压频率f和幅值U G，根据公式（10）和公式（11）计算判别ΔP。
）
，
G
GN
G
U
I
U
U
K>
-
=
∆
G
i()
(
P（10）
）
（
G
N
f
I
f
f
K<
-
=
∆
G
i
),
(
P（11）
顶空瓶
其中U GN 表示有效值（电网额定电压），K U 表示电压修正系数；f N 为电网额定频率，k f 代表频率的修正系数；i G 是光伏组件的输出电流，I G 代表电网电流幅值大小。依据光伏组件的输出电流与电网电流的大小关系，确定ΔP 的值。然后利用函数
()dc N P P ，C 对ΔP 进行修正，修正公式如下：
()2
dc N dc N P P P P ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=，C （12）
将光伏输出额定功率P N 与直流输入功率P dc
的比值的平方作为修正参量，得到修正后的功率变化修正参数ΔP*。
改进的算法主要包括将电网负载的突变转换成电网功率变化，通过对电网功率变化的进行一定的修正，
形成输出功率补偿参数，加入到扰动观察法功率比对过程，通过对前一拍功率进行补偿，使得即使负载发生突变，也能确保前后拍功率对比在同一P-D 变化曲线下进行，从而确定下一步扰动量D 的变化方向，避免原扰动观察法在电网负载的突变时，前后功率对比不在同一输出功率曲线上，防止电网负载变化带来的误判现象发生。
3 实验研究
利用Boost 实验电路，以单片机作为跟踪算法控制芯片，分别对本文提出的防电网负载突变的改进的扰动观察算法和一般扰动观察算法进行实验，观察分析在对最大功率点跟踪过程中，占空比D 的扰动方向，对比两种跟踪方法对并网发电光伏系统的最大功率跟踪效果，实验样机平台如图7所示。
图7并网发电实验样机图
Fig.7 Experimental prototype diagram of grid power
其中实验过程中Boost 电路元件参数选择如下：
表2 Boost 电路元件参数
Tab.2 Circuit component parameters of Boost
参数名称 取值 参数名称 取值 输入电压Us 20V 输入电阻Rin 1Ω 开关管频率 40KHZ 电感值L 1000uH 滤波电容C0 2200uF 稳压电容 470uF 二极管D R
NF835
控制芯片
TMS320F2812
为了能够比较清晰的观察占空比D 的扰动方向，这里对D 的取值为0.02，以光伏输出电压Uin 的幅值做为纵坐标，单位为2 V/格，通过观察Uin 的幅值变化来推断D 的扰动方向。横坐标表示时间，每个刻度之间表示100 ms 。选择输出电阻 R 等于R0作为研究对象，代表不同负载下的电阻值，初始取值为4 Ω。在电网负载突变下的电阻值R1为8Ω，R2为2Ω，分别代表了电网负载减小和负载变大。在电网负载不变情况下，其输出的波形如图8所示。
图8 Uin 扰动实际波形图
Fig.8 Actual waveform diagram of Uin
perturbation
图中描述了光伏输出电压Uin 从初始扰动到稳定过程，分为3个区域，分区原则参考文章第二部分负载突变分析。根据公式（6），结合上文P-D 变化曲线，随着占空比D 的扰动方向一直增大，Uin 的幅值在持续减小，当到达稳定状态以后（最大功率点附近），在最大功率点附近徘徊。总体来说，扰动观察法通过对电压的实时检测和及时调整扰动量达到了对最大功率点的有效跟踪。在此基础之上，在2区加入电网负载突变，即R0的阻止突然变化，此时扰动观察法最大功率跟踪效果，如图9所示。
（a ）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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