文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0073-04
隨著能源短缺和環境污染問題的日益嚴重，太陽能光伏發電技術得到了持續發展，光伏并網發電已經成為利用太陽能的主要方式之一。由于太陽能電池板的成本一直居高不下以及轉換效率的低下，制約了太陽能光伏發電技術的大規模應用[1]。為了盡可能地提高光伏發電系統的轉換效率，越來越多的研究集中到最大功率跟蹤(MPPT)算法上。本文在分析傳統MPPT算法缺點及產生功率誤判斷原因的基礎上，提出了一種新型的MPPT算法，并將它應用在光伏并網系統中，以提高并網的功率因數和效率。
1 MPPT算法
目前應用較多的MPPT算法有擾動觀察法(P&O)和電導增量法(INC)等。擾動觀察法是通過將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較來確定增加或減少光伏方陣工作電壓來實現MPPT；電導增量法(INC)是利用光伏方陣輸出端的動態電導值(dI/dV)與此時的靜態電導的負數(-I/V)相比較，以判斷調節光伏方陣輸出電壓方向的一種MPPT的方法。
1.1 傳統MPPT算法存在的問題
傳統擾動觀察法和電導增量法的原理及其優缺點在參考文獻[2]中分別做了詳細闡述。它們共有的缺點是在光照強度發生驟變時，電池板的輸出功率都會產生明顯誤判。誤判不但給電池板的功率造成很大損失，而且最重要的是還會造成逆變器輸入端的直流母線電壓潰崩，直接影響光伏并網環節。判斷跟蹤原理如圖1所示，據此具體分析傳統算法產生功率誤判的原因。
在電導增量法中，當光照強度由S1變為S2時，如果傳感器采樣電壓為M1點，按照電導增量算法的流程圖ΔU≠0且dI/dV<-I/V，從而系統就會發出減少電壓的信號，此時會導致錯誤的跟蹤方向，使得輸出功率遠離最大功率點MPP；在擾動法中，當工作點在最大功率點的左側時，光強由上一時刻的S1減小為當前時刻的S2（如圖1所示），按照擾動觀察算法的原理可知，此時W2-W1=ΔP<0，電池板工作于最大功率點Pm的右側，則工作電壓被減小，而實際上電池板工作點處于上坡段，工作電壓應該增大才能向最大功率點靠近。同理，在最大功率點的右側時，也有W3-W4=ΔP<0，從而認為追蹤超過的MPP，此時就會增大工作電壓。這兩種情況都會使電池板產生錯誤的擾動。參考文獻[3]中雖然給出了一種防止擾動觀察法誤判的方法，但是當檢測的值稍有偏差時仍然會產生明顯的功率誤判。
1.2 新型MPPT算法
基于以上分析，本文結合擾動觀察法、電導增量法和恒定電壓法提出一種新型MPPT算法，其原理為：在追蹤MPP選擇合適步長時，采用恒定電壓法和擾動觀察法相結合的方式；在算法判斷擾動電壓方向時，采用擾動觀察法和電導增量法相結合的方式。這樣可以有效地防止擾動觀察法在光照變化、檢測值不準確等情況下的功率誤判，并且恒定電壓法能使系統減少工作點在離MPP較遠時的循環次數，而變步長的擾動控制方法也解決了擾動觀察法在跟蹤的快速性與穩態時的穩定性難以兼顧的問題。
1.2.1 初始電壓及擾動步長的選取
在傳統的擾動觀察算法中，初始電壓V和擾動步長因子Δu的設置比較盲目。如若設置都不當，可能會需要很長的時間才能達到最大功率點，甚至可能會導致在最大工作點兩邊大范圍振蕩。本文設計的新型MPPT算法恰好解決了以上問題。其算法為：對于初始值V，由于最大功率點電壓Um與電池板的開路電壓Uoc之間存在著一定的近似等價關系(Um=0.8×Uoc)，所以在初始時刻，選取V=0.8×Uoc。對于步長，首先引入步長系數N，因為越接近最大功率點處，系統輸出功率對于光伏陣列端電壓的導數dP/dU越小，而在最大功率點附近需要盡量減小光伏陣列輸出電壓的振蕩幅度，以提高光伏并網系統的穩定性以及能量利用效率。新型變步長MPPT算法的步長給定電壓因子Δu和步長系數N可以通過式(1)～式(4)計算得到：
1.2.2 擾動電壓方向的判斷
在光照強度漸變和不變時，傳統的MPPT算法幾乎不會產生功率誤判現象。但是當光照強度突變時，誤判現象就會很嚴重。針對光照快速變化時的問題，本文設計的判斷方法為：以擾動觀察法為基礎，當判斷式1：p(k+1)<p(k)成立時，對于電池板的功率變化的原因有兩種情況，情況1：最大功率點已經在P-U特性曲線MPP的右邊；情況2：由于光照強度減小，然后進行判斷式2：u(k+1)<u(k)如果成立，此時仍無法判斷電池板處于以上的哪種情況(如果此時做出擾動方向判斷則可能會產生本文1.1所述的誤判現象)，由于判斷式2存在假成立的情況(當檢測原件測量數據不準確時)，所以增加判斷式3：Δp/Δu>0，它可以把判斷式2中假成立的情況排除。如果判斷式3成立，則此時可確定功率減小是由于情況2引起且工作點在MPP的左邊，擾動方向選定需要增大擾動電壓。否則認為是情況1引起功率減小，需要減小擾動電壓。下面分別列出判斷流程式，其原理與上面分析的判斷流程式1相同。
1.3 新型MPPT算法與傳統算法的仿真
利用已經建立的光伏方陣Simulink仿真模型，根據傳統擾動觀察法和新型MPPT算法原理, 對它們進行計算機仿真，由于光照突變具有隨機性，所以本文設定兩種算法在相同的情況下，對電池板加一個跳變函數用以模擬光照的突變。在溫度25 ℃下，仿真時間0.8 s時將電池板的光照強度由1 000 W/m2突變為600 W/m2，兩種算法跟蹤MPP的速度及當光照突變時的仿真波形如圖2、圖3所示。
兩種算法的仿真結果表明，新型MPPT法能夠在較短的時間內穩定到最大功率點附近，其功率振蕩范圍也很小，并且當光照發生突變時沒有出現功率誤判現象；而傳統的擾動觀察法在在最大功率點附近功率振蕩比較大，且在光照強度突變時產生了明顯的功率誤判。這個誤判不但造成了電池板功率的損失，而且會使逆變器輸入端的直流側母線電壓潰崩，影響逆變輸出端并網電流的質量，進而直接導致并網電流功率因數和效率的降低。
2 并網系統的分析與建模
在并網系統中，電網可看成容量無窮大的交流電壓源。這里逆變器輸出采用電流控制方式，參考文獻[3]說明了該方式的優勢，它無需控制幅值，只需要控制頻率和相位，這樣可以減少一個控制變量簡化控制。由于在傳統MPPT算法控制的并網系統中，電壓電流雙環控制中的電壓外環通過PI控制器來穩定逆變器輸入端的直流母線電壓，但是當光照突變時已經設定好的PI控制參數便無法對突變的直流電壓做出快速調整，所以在一個小范圍內并網電流仍然會發生畸變[4]。由此本文將新型MPPT算法配合雙環控制應用到并網系統中，用以解決光照突變時并網電流對電網的擾動問題。
2.2 光伏并網系統整體仿真模型及波形分析
本文在Simulink中將多個電池板組合成一個光伏陣列，構建了基于新型MPPT算法的光伏并網系統模型。在溫度25 ℃，仿真時間經過1 s時將光照強度由800 W/m2變為1 200 W/m2，電網電壓增加擾動(幅值由311 V變為260 V，頻率由50 Hz變為40 Hz)，通過上述變化來驗證新型MPPT算法配合雙環控制的光伏并網系統，在光照突變和電網電壓擾動等狀況下的并網電流均能夠跟隨電網電壓的相位和頻率。
由以上仿真結果可以看出，在新型MPPT算法配合雙環并網控制下，當光照突變時并網電流波形由于在光照變化點沒有誤判現象，所以并網電流幅值平緩的增大沒有發生畸變，如圖5所示。當光照強度及電網電壓擾動（幅值和相位均變化）同時變化時，并網電流波形出現的小的失調，由于電網電壓頻率發生變化，鎖相環的鑒相器需要重新檢測電網電壓相位，然后經過濾波和壓控振蕩器計算出電網電壓相角?茲，所以具有一定的時間延時，從圖6所示波形可以看出在經過0.1 s后，并網電流又重新與電網電壓同頻同相，保持了功率因數為1。逆變器輸出電壓都達到了峰值電壓311 V、頻率50 Hz的要求，輸出波形保持了很好的正弦度，紋波含量較少，可達到并網的要求。
本文闡述了整個光伏并網系統的原理框圖，分析了傳統MPPT算法產生誤判的原因及其對并網電流的影響，引入新型MPPT算法，并有效防止了功率誤判的發生，同時變步長控制方式提高了最大功率的跟蹤速度和精度。將此方法應用在逆變并網系統中，當光伏并網系統的光照強度和電網電壓分別變化時，并網電流沒有發生畸變，能夠快速地與電網電壓同頻同相，由此驗證了本文所提出的新型MPPT算法配合電壓電流雙環并網控制系統，對并網電流的效率和功率因數有很大提高。
參考文獻
[1] 李彥，張慶范，劉暢，等.家用數字光伏并網逆變電源的研究與設計[J].電力電子技術，2009，43(6)：53-54．
[2] Pei Xuejun，Lin Xinchun.Analysis and design of the DSP- based fully digital-controlled UPS[J].IEEE Power Electronics and Drive Systems，2010，10(1)：296-300.
[3] 崔巖，蔡炳煌，李大勇，等.太陽能光伏MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學報，2006，27(6)：535-537.
[4] 張彥，趙義術，余蜜，等.光伏并網逆變器電流控制技術研究[J].電力電子技術，2009，43(5)：29-32.
[5] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M]. 北京：機械工業出版社，2011.