文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2012)11-0073-04
随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，太阳能光伏发电技术得到了持续发展，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。由于太阳能电池板的成本一直居高不下以及转换效率的低下，制约了太阳能光伏发电技术的大规模应用[1]。为了尽可能地提高光伏发电系统的转换效率，越来越多的研究集中到最大功率跟踪(MPPT)算法上。本文在分析传统MPPT算法缺点及产生功率误判断原因的基础上，提出了一种新型的MPPT算法，并将它应用在光伏并网系统中，以提高并网的功率因数和效率。
1 MPPT算法
目前应用较多的MPPT算法有扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)等。扰动观察法是通过将本次光伏方阵的输出功率和上次的相比较来确定增加或减少光伏方阵工作电压来实现MPPT；电导增量法(INC)是利用光伏方阵输出端的动态电导值(dI/dV)与此时的静态电导的负数(-I/V)相比较，以判断调节光伏方阵输出电压方向的一种MPPT的方法。
1.1 传统MPPT算法存在的问题
传统扰动观察法和电导增量法的原理及其优缺点在参考文献[2]中分别做了详细阐述。它们共有的缺点是在光照强度发生骤变时，电池板的输出功率都会产生明显误判。误判不但给电池板的功率造成很大损失，而且最重要的是还会造成逆变器输入端的直流母线电压溃崩，直接影响光伏并网环节。判断跟踪原理如图1所示，据此具体分析传统算法产生功率误判的原因。
在电导增量法中，当光照强度由S1变为S2时，如果传感器采样电压为M1点，按照电导增量算法的流程图ΔU≠0且dI/dV<-I/V，从而系统就会发出减少电压的信号，此时会导致错误的跟踪方向，使得输出功率远离最大功率点MPP；在扰动法中，当工作点在最大功率点的左侧时，光强由上一时刻的S1减小为当前时刻的S2（如图1所示），按照扰动观察算法的原理可知，此时W2-W1=ΔP<0，电池板工作于最大功率点Pm的右侧，则工作电压被减小，而实际上电池板工作点处于上坡段，工作电压应该增大才能向最大功率点靠近。同理，在最大功率点的右侧时，也有W3-W4=ΔP<0，从而认为追踪超过的MPP，此时就会增大工作电压。这两种情况都会使电池板产生错误的扰动。参考文献[3]中虽然给出了一种防止扰动观察法误判的方法，但是当检测的值稍有偏差时仍然会产生明显的功率误判。
1.2 新型MPPT算法
基于以上分析，本文结合扰动观察法、电导增量法和恒定电压法提出一种新型MPPT算法，其原理为：在追踪MPP选择合适步长时，采用恒定电压法和扰动观察法相结合的方式；在算法判断扰动电压方向时，采用扰动观察法和电导增量法相结合的方式。这样可以有效地防止扰动观察法在光照变化、检测值不准确等情况下的功率误判，并且恒定电压法能使系统减少工作点在离MPP较远时的循环次数，而变步长的扰动控制方法也解决了扰动观察法在跟踪的快速性与稳态时的稳定性难以兼顾的问题。
1.2.1 初始电压及扰动步长的选取
在传统的扰动观察算法中，初始电压V和扰动步长因子Δu的设置比较盲目。如若设置都不当，可能会需要很长的时间才能达到最大功率点，甚至可能会导致在最大工作点两边大范围振荡。本文设计的新型MPPT算法恰好解决了以上问题。其算法为：对于初始值V，由于最大功率点电压Um与电池板的开路电压Uoc之间存在着一定的近似等价关系(Um=0.8×Uoc)，所以在初始时刻，选取V=0.8×Uoc。对于步长，首先引入步长系数N，因为越接近最大功率点处，系统输出功率对于光伏阵列端电压的导数dP/dU越小，而在最大功率点附近需要尽量减小光伏阵列输出电压的振荡幅度，以提高光伏并网系统的稳定性以及能量利用效率。新型变步长MPPT算法的步长给定电压因子Δu和步长系数N可以通过式(1)～式(4)计算得到：
1.2.2 扰动电压方向的判断
在光照强度渐变和不变时，传统的MPPT算法几乎不会产生功率误判现象。但是当光照强度突变时，误判现象就会很严重。针对光照快速变化时的问题，本文设计的判断方法为：以扰动观察法为基础，当判断式1：p(k+1)<p(k)成立时，对于电池板的功率变化的原因有两种情况，情况1：最大功率点已经在P-U特性曲线MPP的右边；情况2：由于光照强度减小，然后进行判断式2：u(k+1)<u(k)如果成立，此时仍无法判断电池板处于以上的哪种情况(如果此时做出扰动方向判断则可能会产生本文1.1所述的误判现象)，由于判断式2存在假成立的情况(当检测原件测量数据不准确时)，所以增加判断式3：Δp/Δu>0，它可以把判断式2中假成立的情况排除。如果判断式3成立，则此时可确定功率减小是由于情况2引起且工作点在MPP的左边，扰动方向选定需要增大扰动电压。否则认为是情况1引起功率减小，需要减小扰动电压。下面分别列出判断流程式，其原理与上面分析的判断流程式1相同。
1.3 新型MPPT算法与传统算法的仿真
利用已经建立的光伏方阵Simulink仿真模型，根据传统扰动观察法和新型MPPT算法原理, 对它们进行计算机仿真，由于光照突变具有随机性，所以本文设定两种算法在相同的情况下，对电池板加一个跳变函数用以模拟光照的突变。在温度25 ℃下，仿真时间0.8 s时将电池板的光照强度由1 000 W/m2突变为600 W/m2，两种算法跟踪MPP的速度及当光照突变时的仿真波形如图2、图3所示。
两种算法的仿真结果表明，新型MPPT法能够在较短的时间内稳定到最大功率点附近，其功率振荡范围也很小，并且当光照发生突变时没有出现功率误判现象；而传统的扰动观察法在在最大功率点附近功率振荡比较大，且在光照强度突变时产生了明显的功率误判。这个误判不但造成了电池板功率的损失，而且会使逆变器输入端的直流侧母线电压溃崩，影响逆变输出端并网电流的质量，进而直接导致并网电流功率因数和效率的降低。
2 并网系统的分析与建模
在并网系统中，电网可看成容量无穷大的交流电压源。这里逆变器输出采用电流控制方式，参考文献[3]说明了该方式的优势，它无需控制幅值，只需要控制频率和相位，这样可以减少一个控制变量简化控制。由于在传统MPPT算法控制的并网系统中，电压电流双环控制中的电压外环通过PI控制器来稳定逆变器输入端的直流母线电压，但是当光照突变时已经设定好的PI控制参数便无法对突变的直流电压做出快速调整，所以在一个小范围内并网电流仍然会发生畸变[4]。由此本文将新型MPPT算法配合双环控制应用到并网系统中，用以解决光照突变时并网电流对电网的扰动问题。
2.2 光伏并网系统整体仿真模型及波形分析
本文在Simulink中将多个电池板组合成一个光伏阵列，构建了基于新型MPPT算法的光伏并网系统模型。在温度25 ℃，仿真时间经过1 s时将光照强度由800 W/m2变为1 200 W/m2，电网电压增加扰动(幅值由311 V变为260 V，频率由50 Hz变为40 Hz)，通过上述变化来验证新型MPPT算法配合双环控制的光伏并网系统，在光照突变和电网电压扰动等状况下的并网电流均能够跟随电网电压的相位和频率。
由以上仿真结果可以看出，在新型MPPT算法配合双环并网控制下，当光照突变时并网电流波形由于在光照变化点没有误判现象，所以并网电流幅值平缓的增大没有发生畸变，如图5所示。当光照强度及电网电压扰动（幅值和相位均变化）同时变化时，并网电流波形出现的小的失调，由于电网电压频率发生变化，锁相环的鉴相器需要重新检测电网电压相位，然后经过滤波和压控振荡器计算出电网电压相角?兹，所以具有一定的时间延时，从图6所示波形可以看出在经过0.1 s后，并网电流又重新与电网电压同频同相，保持了功率因数为1。逆变器输出电压都达到了峰值电压311 V、频率50 Hz的要求，输出波形保持了很好的正弦度，纹波含量较少，可达到并网的要求。
本文阐述了整个光伏并网系统的原理框图，分析了传统MPPT算法产生误判的原因及其对并网电流的影响，引入新型MPPT算法，并有效防止了功率误判的发生，同时变步长控制方式提高了最大功率的跟踪速度和精度。将此方法应用在逆变并网系统中，当光伏并网系统的光照强度和电网电压分别变化时，并网电流没有发生畸变，能够快速地与电网电压同频同相，由此验证了本文所提出的新型MPPT算法配合电压电流双环并网控制系统，对并网电流的效率和功率因数有很大提高。
参考文献
[1] 李彦，张庆范，刘畅，等.家用数字光伏并网逆变电源的研究与设计[J].电力电子技术，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] 崔岩，蔡炳煌，李大勇，等.太阳能光伏MPPT控制算法的对比研究[J].太阳能学报，2006，27(6)：535-537.
[4] 张彦，赵义术，余蜜，等.光伏并网逆变器电流控制技术研究[J].电力电子技术，2009，43(5)：29-32.
[5] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]. 北京：机械工业出版社，2011.