光伏发电有功功率的控制

姜茂林 李君妍 卢子润

摘要：太阳能作为最具潜力的绿色能源之一，尤其是太阳能光伏发电在近些年来引起较大关注及快速发展。但其本身仍存在着一些缺点，如一次投资成本高、供电稳定性差等。本文在分析常用最大功率点跟踪控制方法原理和优缺点的基础上，提出了一种改进变步长电导增量的控制方法，比起常用方法，该方法更能快速稳定精确地跟踪。同时也在Matlab环境下搭建了带有功率控制器的光伏发电系统仿真模型，对所提改进变步长电导增量的MPPT控制方法与定功率跟踪控制方法进行了验证，仿真结果证明了所提控制方法的有效性。

关键词：太阳能光伏发电；最大功率点跟踪；改进变步长电导增量法；Matlab

Photovoltaic power generation active power control

Abstract：As one of the most promising green energy sources，solar energy，especially solar photovoltaic power generation，has attracted great attention and rapid development in recent years. However，it still has some shortcomings，such as high investment cost and poor power supply stability. Based on the analysis of the principle，advantages and disadvantages of the commonly used maximum power point tracking control method，this paper proposes a control method to improve the variable step size conductance increment. Compared with the common methods，this method can track the fast，stable and accurate. At the same time，the simulation model of photovoltaic power generation system with power controller is built in Matlab environment. The MPPT control method and the fixed power tracking control method for the improved variable step size conductance increment are verified. The simulation results prove the proposed The effectiveness of the control method.

Key words：Solar photovoltaic power generation；maximum power point tracking；improved variable step size conductance increment method；Matlab

引言

作為20世纪人类文明高速发展的动力之源，化石能源面临着前所未有的危机。一方面不断增加的能源需求，造成了化石能源储藏量不断下降。另一方面，化石能源使用后所产生温室效应，导致了全球变暖等环境问题。化石能源利用过程中产生的问题，引发了人们对未来社会能源种类和结构广泛关注和思考。在此背景下，新的能源替代转型方兴未艾。世界能源结构正在从高二氧化碳排放的化石能源转向更为清洁的太阳能、风能和水能等可再生能源和清洁能源。

目前，我国有功调度采取的是节能调度的模式，即全额收纳包括光伏发电在内的新能源，以环保利益最大化作为调度的指导方针。节能调度的模式可以保证系统对光伏发电的最大化消纳。但是由于该方式无法提供明确的价格信息引导，虽然在光伏电源建设初期可以起到促进作用，但过度地刺激会造成了光伏投资的无序增长。同时，在全额收纳的调度模式下，系统需要独立解决光伏发电功率波动的问题，增加了系统的调频压力。特别是在系统有功调节能力的不足的地区，系统被迫采取弃光、弃风等手段。如我国西北地区，光伏利用多采用大规模光伏电站的建设模式，由于系统负荷结构的原因，造成光伏电量无法就地消纳。同时又受到外送通道容量限制，导致弃光、弃风频繁出现。针对上述问题，现有解决问题思路主要包括通过合理制定光伏发电的发展规划，改变光伏发电投资的无序局面，或者通过对光伏发电随机波动性进行研究，在电力系统现有调频能力的框架下，解决光伏波动问题。

本文主要是针对光伏电站有功功率控制策略进行分析。目前光伏电源能源利用率较低、供电稳定性与可靠性也不高。光伏系统的最大功率点跟踪方法可以最大限度地利用光伏电池所产生的直流电能，因此是为提高光伏发电系统运行效率、降低光伏电能成本的研究热点。同时，随着光伏并网技术的逐步成熟，提高光伏电能质量、保证光伏并网系统稳定运行的理论与方法研究可为光伏电能的全面应用奠定理论基础，所以光伏发电系统定功率跟踪控制方法的研究非常必要。通过最大功率点跟踪控制可以提高能量转换率，充分利用太阳能资源。同时，由于电能的不可大量存储性，在低负荷情况下，通过定功率跟踪控制可以实现提高供电稳定性。

1 实验及方法

1.1 最大功率追踪点模式

最大功率追踪点模式，即光伏电站按照电网的调度机构下发的调度指令投入或者退出相应的功率控制模式，各模式可以同时选择多个模式进行投入。在该模式下，将光伏发电站的额定容量作为控制曲线中相关时刻点的功率值，确保光伏发电站出力保持最大出力跟踪，不采取限出力措施。

1.2 光伏发电最大功率点跟踪控制

光伏电池具有明显的非线性输出特征，并且其输出受光照强度、环境温度影响较大。在光照强度和环境温度一定时，光伏电池既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流電源，但每一时刻都存在着唯一的最大功率点，从能源利用率角度考虑，光伏电池输出功率越大，所利用的直流电能越多，能源利用率也越高。要提高光伏发电系统的整体效率、降低电能成本，一个重要的途径就是实时调整光伏模块的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点跟踪，我们则通过这一方法对功率进行跟踪控制，从而提高供电稳定性。

独立的小型光伏发电系统中，在储能能量达到最大，光伏出力大于负荷时，多于的出力可能影响电能质量，此时需要减小光伏出力，根据负荷曲线定功率控制。光伏并网系统中，在系统调频、调峰等特定情况下，调度可能要求光伏电站短时间运行于定功率控制状态。

1.3 改进的变步长电导增量法

本研究提出了变步长电导增量的思想，其数学模型如式1所示，通过设置合适的系数A，使其兼具较高的跟踪精度和可变的步长。从图P-U曲线可以看出，当dP/dU>0时，曲线上升越慢斜率的绝对值越小；但当dP/dU<0时，曲线下降斜率的绝对值较上升时大的多，即所得步长是上升时的几倍。由于最大功率点两侧的不对称性，在最大功率点右侧可能因为调节步长过大直接跳到左侧，从而产生较大振荡。

选取适当步长，首先判断系统运行在最大功率点左侧还是右侧，若在左侧，则增大电压以快速地运行在最大功率点右侧；若已经运行在右侧，对其进行定功率的准确控制。本文所提方法基于改进电导增量法，利用左右两侧斜率绝对值之比约为4：1，若在左侧，则以较大步长快速的跟踪到右侧，以保证系统不会运行于不稳定平衡点；若已经运行在右侧，则以较小步长准确跟踪，从而实现定功率的快速跟踪。

直流/直流（DC/DC）转换采用Boost升压斩波电路进行转换，充分利用其升压性质、储能电感位于输入侧、输入电流脉动小、输出容量大等特点。功率控制器以单片机为控制核心，根据电池板输出电压与电流值，通过单片机芯片控制高频开关IGBT的占空比，进而实现对最佳工作点的跟踪。

改进的变步长电导增量MPPT控制方法的控制流程具体步骤如下：

步骤一：首先对当前光伏阵列进行采样，采样当前电流值In与电压值Vn，同时快速计算出当前输出功率Pn。

步骤二：比较当前时刻与前一时刻的电压值，初次启动时前一时刻初值Vb为零。若当前时刻与前一时刻电压值相等时，认为该点为最大功率点所对应电压，否则进入下一步骤。

步骤三：比较当前时刻与前一时刻的输出功率值，若相差较小，说明该时刻的电压在最大功率点所对应电压附近，下次变化时应减小步长，以此避免在最大功率点附近大幅度振荡；若相差较大，表明该时刻的电压偏离最大功率点所对应电压较大，应以较大步长以快速追踪到最大功率点附近，此时考虑到在最大功率点两侧所对应斜率绝对值相差数倍，应用先验结论，即在最大功率点右侧的斜率值约是左侧斜率绝对值的4倍，使在左侧较远处的步长为右侧较远处的4倍，以平衡两边步长变化情况，体现左侧快速性与右侧稳定性的特点。

步骤四：根据斜率的正负判断步长的增减，在最大功率点左侧则应增加步长，在最大功率点右侧应减小步长追踪最大功率点。

步骤五：把当前值赋给前一时刻，返回采样环节进入下一轮循环。

2 仿真结果

在Boost升压电路中加入有功功率控制器，利用Matlab搭建其仿真模型，通过与M文件的组合构成其控制模块，对光伏电池的有功功率进行跟踪控制。有功功率仿真模型如图2所示，功率控制器仿真模块内部结构如图3所示。

我们在Matlab环境下搭建了带有功率控制器的光伏发电系统仿真模型，图4中的各图依次为光照强度、光伏模块输出电压、电流及功率随时间变化的曲线图。各图中光照强度的变化完全一样，在0.1S内光照强度为100W加2，1.2 s内光强斜坡上升为900W/m2，3s时阶跃上升为l000w/m2，而后在4.5s斜坡下降为200W/m2，之后保持200W/m2不变.光伏模块的输出电压、电流和功率都随着光照强度的变化而变化。

改进的变步长电导增量法MPPT仿真结果在稳定条件下输出电压、电流波动、较小，输出功率的振荡幅度也相对较小，所以改进的变步长电导增量法能有效地减小稳定条件下的功率振荡范围，且对阶跃信号及斜坡信号的跟踪也很迅速，从而有效地提高了光伏电源的能源利用率。这种改进变步长电导增量的光伏电源MPPT控制方法，比起常用方法，该方法更能反应光伏电池阵列的动态特性，且可以快速稳定精确地跟踪到MPP附近。另外还分析了定功率跟踪控制在光伏发电系统中的作用及其重要性，提出了一种简单的定功率跟踪控制方法，该方法结构简单易于实现具有较强的应用价值。

3 结论

本文针对提高光电转换效率的问题，即最大功率点跟踪问题，在分析最大功率点跟踪方法的基础上，提出一种改进的变步长电导增量法，从而取得更好的跟踪效果。另外，针对光电转换后的稳定性问题，分析了定功率输出控制的重要性，并提出一种简单的控制方法。从而进一步完善了光伏发电系统的有功功率控制策略。

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（作者单位：江苏大学电气信息工程学院）