CN101572417B - 单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏发电系统控制技术应用领域的单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法，首先通过检测光伏阵列输出的电压、电流，计算出光伏阵列的输出功率对电压的微分k及k的变化率Δk；然后，通过k和模糊控制器(输入量为k和Δk，输出量为Step1)的输出量Step1来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压U_ref上的扰动电压ΔU的扰动步长和方向，使U_ref快速迭代收敛至当前环境条件下光伏阵列最大功率点所对应的最佳参考电压。最后，通过由电压PI控制器和带前馈补偿的同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统来实现光伏阵列输出电压对U_ref的快速准确的跟踪。

Description

单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。

背景技术

对于光伏并网系统而言，最主要的问题是如何提高系统的发电效率以及整个系统的工作稳定性。单级式光伏并网系统由于只有一个能量变换环节，系统具有简单的结构，较高的效率和稳定性，已成为国内外的研究热点。一般，其控制系统采用多环控制，即首先由最大功率点跟踪MPPT环节给出光伏阵列最大功率点参考电压U_ref，再通过由电压PI控制器和同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统控制光伏阵列输出电压U_pv跟踪U_ref。在整个光伏并网控制系统中，MPPT对于提高整个系统的发电效率具有重要的意义。但是，由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化以及光伏阵列输出功率-电压特性曲线的非线性特征，使得光伏阵列最大功率点的快速准确跟踪成为一个非常复杂的问题。

目前，扰动观察法是研究很多同时也是非常常用的最大功率点跟踪方法。其基本原理为：周期性地给光伏阵列最大功率点参考电压U_ref增加扰动，比较光伏阵列输出功率P_pv与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动；否则，以相反方向加扰动。经对现有技术的文献检索发现，周德佳等在2008年发表的“Design and Control of a Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic System withDeveloped Maximum Power Point Tracking”(一种具有改进最大功率点跟踪方法的三相光伏并网系统的控制与设计)一文中对单级三相光伏并网系统提出了一种改进的最大功率点跟踪方法。其主要是采用式(1)和(2)进行当前采样时刻i(i为自然数且i≥2)光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)的计算，并且该文献所采用的扰动电压的扰动步长Step为一定值，而Step的取值与能否很好地实现最大功率点跟踪关系紧密。因为若Step设置太大，则导致跟踪精度不够，光伏阵列的工作点将始终在最大功率点附近振荡；反之，若Step设置太小，虽然提高了跟踪精度，但是跟踪速度很慢，系统在跟踪过程中会浪费很多的能量。另外，当外部环境条件发生较快变化时，这种最大功率点跟踪方法有可能发生扰动方向的误判。

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(1\right)$

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+Step·sign3(k(i))    (2)

式(1)中U_pv为光伏阵列输出电压，k为光伏阵列输出功率对电压的微分，式(2)中sign3(k(i))表示k(i)的符号。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种跟踪快速、自适应能力强、跟踪精度高且稳定性好的单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法。

该方法主要通过光伏阵列输出功率对电压的微分k和模糊控制器(输入量为k和k的变化率Δk，输出量为Step1)的输出量Step1，来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压U_ref上的扰动电压ΔU的扰动步长Step和方向，使U_ref快速迭代收敛至当前环境条件下光伏阵列最大功率点所对应的最佳参考电压，从而有效提高对光伏阵列最大功率点跟踪的速度和精度，具体特征为：ΔU的扰动步长Step由k和Step1的乘积的绝对值决定；ΔU的符号，即扰动方向，由k和Step1共同决定。

本发明是通过以下技术方案实现：

1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度θ；

2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤(1)中的旋转角度θ进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分i_d、i_q；

3)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv，由式(3)求得当前采样时刻i(i为自然数且i≥2)及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(4)和(5)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k及k的变化率Δk；

P_pv＝U_pvI_pv    (3)

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(4\right)$

Δk(i)＝k(i)-k(i-1)    (5)

4)将步骤(3)得到的k和Δk作为模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊规则运算和反模糊化后，得到模糊控制器的输出量Step1，其中k、Δk和Step1的模糊集均取为5个，表示为{NB＝负大，NS＝负小，ZE＝零，PS＝正小，PB＝正大}，所采用的25条模糊规则为下表所示：

5)采用步骤(3)得到的k、Δk和步骤(4)得到的Step1，按照式(6)～(9)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)，其中式(6)中Step为扰动电压ΔU的扰动步长，式(7)和式(9)中sign1(ΔU(i))表示ΔU(i)的符号，式(7)中sign2为符号函数，其定义为式(8)；

Step(i)＝|Step1(i)·k(i)|    (6)

$\mathrm{sign}2\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x>0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.---\left(8\right)$

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+Step(i)·sign1(ΔU(i))    (9)

6)光伏阵列输出电压U_pv与步骤(5)得到的U_ref的差值经过第一比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流i^* _d，i^* _d与步骤(2)得到的电流i_d的差值经过第二比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电压u^* _d；为使逆变器输出电流与电网电压同相位，给定逆变器输出的q轴参考电流i^* _q＝0，将i^* _q与步骤(2)得到的电流i_q的差值经过第三比例积分PI调节器处理后与前馈补偿k_ci^* _d相加得到逆变器输出的q轴参考电压u^* _q，k_c为前馈补偿系数；

7)利用步骤(1)得到的旋转角度θ将步骤(6)得到的u^* _d和u^* _q进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u^* _α和u^* _β，然后采用空间矢量脉宽调制SVPWM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)跟踪快速、自适应能力强。由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图1所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在最大功率点处，斜率为0，离最大功率点越远，斜率越大，因此，当光伏阵列最大功率点参考电压U_ref离光伏阵列最大功率点越远时，k自适应地变大，又由模糊规则知模糊控制器的输出量Step1也变大，则由式(6)知扰动电压ΔU的扰动步长Step变大，跟踪速度加快；同理，当U_ref逐渐接近光伏阵列最大功率点时，k自适应地变小，同时模糊控制器的输出量Step1也变小，因此，Step也随之变小；

2)跟踪精度高。由光伏阵列输出功率-电压特性曲线知，当U_ref逐渐接近光伏阵列最大功率点时，k自适应地变小，直至到达光伏阵列最大功率点处时，有k＝0，由式(6)知扰动电压的扰动步长Step为0，再由式(9)知U_ref(i)与U_ref(i-1)相等，即光伏阵列的工作点可以稳定在最大功率点处，没有振荡；

3)稳定性好。当模糊控制器的输出量Step1与k至少有一个为0时，当前时刻扰动电压ΔU的扰动方向，即ΔU的符号，取为0，即这一时刻不扰动；当Step1与k同号时，ΔU的符号取为k的符号；当Step1与k异号时，ΔU的符号取为0，即这一时刻不扰动，如式(7)所示，由此构成Step1与k的投票表决机制。正是由于本发明所提出的这一投票表决机制，有效提高了最大功率点跟踪的稳定性，防止外部环境条件发生较快变化时，现有技术有可能对扰动电压的扰动方向发生误判的情况。

附图说明

图1为10kW光伏阵列输出功率-电压特性曲线。

图2为单级三相光伏并网系统拓扑结构和控制框图。

图3为光伏阵列最大功率点跟踪方法流程图。

图4为模糊控制器的输入量k、Δk及输出量Step1的隶属度函数。

图5为采用本发明方法的仿真效果图。

具体实施方式

本发明具体是通过以下技术方案实现：

1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度θ；

2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤(1)中的旋转角度θ进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分i_d、i_q；

3)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv，由式(3)求得当前采样时刻i(i为自然数且i≥2，每次光伏并网系统开始运行时，i从初值2一直增加，直至系统停止运行时再初值化为2)及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(4)和(5)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k及k的变化率Δk；

P_pv＝U_pvI_pv    (3)

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(4\right)$

Δk(i)＝k(i)-k(i-1)    (5)

4)将步骤(3)得到的k和Δk作为模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊规则运算和反模糊化后，得到模糊控制器的输出量Step1，其中k、Δk和Step1的模糊集均取为5个，表示为{NB＝负大，NS＝负小，ZE＝零，PS＝正小，PB＝正大}，所采用的25条模糊规则为下表所示：

该模糊规则表是通过结合实际经验总结得出的，主要原则为：当U_ref离光伏阵列最大功率点较远时，模糊控制器的输出量Step1应较大，以加快跟踪速度；反之，当U_ref离光伏阵列最大功率点较近时，模糊控制器的输出量Step1应较小，以提高跟踪精度；

5)采用步骤(3)得到的k、Δk和步骤(4)得到的Step1，按照式(6)～(9)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)，其中式(6)中Step为扰动电压ΔU的扰动步长，式(7)和式(9)中sign1(ΔU(i))表示ΔU(i)的符号，式(7)中sign2为符号函数，其定义为式(8)，式(6)～(9)表明：叠加在光伏阵列最大功率点参考电压U_ref上的扰动电压ΔU的扰动步长Step由光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k和模糊控制器的输出量Step1的乘积的绝对值决定；ΔU的符号，即扰动方向，由k和Step1共同决定；式(9)：U_ref(i)＝U_ref(i-1)+Step(i)·sign1(ΔU(i))实际上是通过扰动电压ΔU(i)，即Step(i)·sign1(ΔU(i))，使光伏阵列最大功率点参考电压U_ref迅速从初始值迭代收敛到当前环境温度和光照强度下的光伏阵列最大功率点所对应的最佳参考电压；

Step(i)＝|Step1(i)·k(i)|    (6)

$\mathrm{sign}2\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x>0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.---\left(8\right)$

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+Step(i)·sign1(ΔU(i))    (9)

6)为保证光伏阵列输出电压U_pv能快速、稳定地跟踪光伏阵列最大功率点参考电压U_ref，使光伏并网系统能稳定地将光伏阵列的最大功率输送到市电电网，本发明采用由电压PI控制器和带前馈补偿的同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统来实现光伏阵列输出电压U_pv对U_ref的快速、稳定的跟踪，具体为光伏阵列输出电压U_pv与步骤(5)得到的U_ref的差值经过第一比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流i^* _d，i^* _d与步骤(2)得到的电流i_d的差值经过第二比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电压u^* _d；为使逆变器输出电流与电网电压同相位，给定逆变器输出的q轴参考电流i^* _q＝0，将i^* _q与步骤(2)得到的电流i_q的差值经过第三比例积分PI调节器处理后与前馈补偿k_ci^* _d相加得到逆变器输出的q轴参考电压u^* _q，k_c为前馈补偿系数；

7)利用步骤(1)得到的旋转角度θ将步骤(6)得到的u^* _d和u^* _q进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u^* _α和u^* _β，然后采用空间矢量脉宽调制SVPWM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。

下面参照附图并结合Matlab/Simulink & Simpowersystems对10kW单级三相光伏并网系统的仿真实例对本发明作进一步的详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

此例所采用的10kW光伏阵列标准环境条件(光照强度R＝1kW/m²，环境温度T＝25℃)下参数为：最大功率点电压U_max＝390V，最大功率点电流I_max＝26A，开路电压U_oc＝506V，短路电流I_sc＝30A。环境温度为25℃时，不同光照条件下，10kW光伏阵列功率-电压特性曲线如图1所示，其中R＝100、300、600和1000W/m²时的最大功率点分别为A(319.0V，815.8W)、B(364.0V，2833.1W)、C(382.2V，5987.6W)、D(384.9V，10076.0W)。

系统拓扑结构及控制框图如图2所示，其中单元1为光伏并网逆变器，单元2为单级三相光伏并网系统拓扑结构，单元3为电压比例积分PI控制器，单元4为带前馈补偿的同步矢量电流PI控制器，电路参数为：电容器电容C＝0.012F，电抗器电感L＝0.018H，电抗器电阻R＝0.08Ω，仿真步长Ts＝50μS。

最大功率点跟踪方法的流程图如图3所示，此例中电容器两端的初始电压，即光伏阵列输出电压U_pv的初始值为319.0V(在光照强度为100W/m²时的最大功率点处)，光伏阵列最大功率点参考电压U_ref初始值取为319.1V，光伏阵列输出电压U_pv和电流I_pv的采样周期均为2.5ms。模糊控制器的两个输入量分别为光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k和k的变化率Δk，输出量为Step1。k、Δk和Step1均采用5个模糊子集的三角形隶属度函数，分别如图4(a)、(b)、(c)所示，定义模糊集合为{NB＝负大，NS＝负小，ZE＝零，PS＝正小，PB＝正大}。k、Δk和Step1的量化因子均取为1，论域分别为[-10W，10W]，[-8000W，8000W]，[-0.03V，0.03V]。首先，k和Δk分别通过如图4(a)、(b)所示的三角形隶属度函数得到相应的模糊量，然后，按本发明模糊规则表所示的25条模糊规则运算得到模糊控制器的输出模糊量，最后，根据图4(c)的三角形隶属度函数，采用重心法将模糊量反模糊化，得到精确的模糊控制器的输出量Step1。

由图3所示的最大功率点跟踪方法的流程图，得到当前采样时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref后，再通过由电压PI控制器和带前馈补偿的同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统来实现光伏阵列输出电压U_pv对U_ref的快速准确的跟踪。第一PI调节器的参数为：k_p1＝10，k_I1＝900；第二和第三PI调节器采用同一组PI参数：k_p2＝7，k_I2＝50，前馈补偿系数k_c＝11。

仿真效果如图5所示，由图可见：

1)最大功率点跟踪方法快速、准确，自适应能力强。在光照强度R从100到1000W/m²的大范围剧烈变化过程中，本发明的方法均能快速准确地获取当前环境条件下光伏阵列最大功率点所对应的最佳参考电压。0.2秒时，当光照强度从100W/m²突变为300W/m²时，U_ref经过约0.12秒，就从如图1所示的光照强度100W/m²下的最大功率点A平稳到达光照强度300W/m²下的最大功率点B；0.4秒时，光照强度突变为R＝600W/m²，经过约0.08s，U_ref平稳过渡到该光照强度下的最大功率点C；0.6s时，光照强度再次突变为R＝1000W/m²，经过约0.06s，U_ref平稳过渡到该光照强度下的最大功率点D。在整个仿真过程中，可见扰动电压ΔU在光照强度稳定时为0，不作任何调节，而一旦光照强度突变，则其扰动步长随每次光照强度突变的影响大小作自适应平滑的调节，并且扰动步长的最大值不超过0.08V；

2)整个光伏并网系统运行稳定，发电效率高，能稳定地将光伏阵列发出的最大功率输送到市电电网。由图5光伏阵列输出电压U_pv的变化曲线可见，在光照强度短时间大范围急剧变化的恶劣气候条件下，由电压PI控制器和带前馈补偿的同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统能实现U_pv对U_ref快速、准确、稳定的跟踪。

Claims (1)

1.一种单级三相光伏并网系统的最大功率跟踪控制方法，其特征在于按以下步骤对单级三相光伏并网系统进行最大功率跟踪控制：

1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度θ；

2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤1)中的旋转角度θ进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分i_d、i_q；

3)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv，由式(3)求得当前采样时刻i，i为自然数且i≥2，及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(4)和(5)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k及k的变化量Δk；

P_pv＝U_pvI_pv                    (3)

Δk(i)＝k(i)-k(i-1)            (5)

4)将步骤3)得到的k和Δk作为模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊规则运算和反模糊化后，得到模糊控制器的输出量Step1，其中k、Δk和Step1的模糊集均取为5个，表示为{NB＝负大，NS＝负小，ZE＝零，PS＝正小，PB＝正大)，所采用的25条模糊规则为表1所示：

表1

5)采用步骤3)得到的k、Δk和步骤4)得到的Step1，按照式(6)～(9)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)，其中式(6)中Step为扰动电压ΔU的扰动步长，式(7)和式(9)中sign1(ΔU(i))表示ΔU(i)的符号，式(7)中sign2为符号函数，其定义为式(8)； 

Step(i)＝|Step1(i)·k(i)|                        (6)

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+Step(i)·sign1(ΔU(i))        (9)

6)光伏阵列输出电压U_pv与步骤5)得到的U_ref的差值经过第一比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流i^* _d，i^* _d与步骤2)得到的电流i_d的差值经过第二比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电压u^* _d；为使逆变器输出电流与电网电压同相位，给定逆变器输出的q轴参考电流i^* _q＝0，将i^* _q与步骤2)得到的电流i_q的差值经过第三比例积分PI调节器处理后与前馈补偿k_ci^* _d相加得到逆变器输出的q轴参考电压u^* _q，k_c为前馈补偿系数；

7)利用步骤1)得到的旋转角度θ将步骤6)得到的u^* _d和u^* _q进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u^* _α和u^* _β，然后采用空间矢量脉宽调制SVPWM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。 

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