最大功率点跟踪及孤岛保护

最大功率点跟踪及孤岛保护

第一章：光伏电池的两类模型

1.1原理模型

太阳能光伏电池等效数学模型如图1.1所示[1]。

图1.1 光伏电池等效电路图

由图中设定的电压电流正方向可得到光伏电池的电流公式：

（1）

（2）

（3）

（4）将（2）、（3）、（4）式代入（1）式中，可得到光伏输出电流表达式：

（5）式中，—光伏电池的输出电流，单位A；

—光生电流，单位A；

—流过的电流，单位A；

为流过二极管的电流，单位A；

V—光伏电池的输出电压，单位V；

S—光照强度，标准条件下为1000；

T—光伏电池表面温度，标准条件下为25；

—参考温度，取25；

—温度系数；

—光伏电池的短路电流，单位A；

—二极管反向饱和电流（其数量级为0.0001A）；

q—电荷电量，为C；

n—二极管排放系数；

K—波尔兹曼常数，为J/K；

、—串联和并联电阻，一般为几到几之间，而一般为几。

1.2 工程模型

由于光伏电池厂家只提供光伏电池的五个参数，分别为短路电流，开路电压，最大功率，最大功率点电压及电流。文献[4]只利用厂家给出的五个参数对原理数学模型做了两个近似，提出了太阳能电池的工程数学模型，文献[4]、[5]都通过实验验证了模型是满足工程精度且实用性强。

：

（6）

（7）

（8）

由式[6]、[7]、[8]可以看出只需参数、、、即可解出、，最后可以复现出电池的电流电压、功率电压曲线。但是只利用式（6）、（7）、

（8）只能复现标准条件下的特性曲线，而不能研究不同光照强度及温度对电池输出特性的影响。为了使工程电池具有通用性文献[4]给出两种方法，第一种是对参考日照强度和参考温度下I-V 曲线上的点（V ，I ）的移动得到新的I-V 曲线

上的点（V1,I1）；方法二是对、、、进行修正。本文采用也采用

对、、、进行修正的方法，但修正方法不同于文献[4]的方法二。具体如下：

（9）

（10）

（11）

1.3 光伏阵列数学模型

由电路的串并联理论可知N M ?个光伏电池构成的光伏阵列有如下关系。

NV V a = （11）

MI I a = （12）

NMP P a = （13）

式中V 、I 和P 分别为太阳能电池的输出电压、输出电流和输出功率，N 和M 为太阳能电池串联数目和并联数目，a V 、a I 和a P 为光伏阵列的输出电压、输出

电流及输出功率。

由式以上得到光伏阵列的数学模型如下：

]}1)[exp(1{21--=oc

sc V NC V C MI I （14） 第二章：光伏电池最大功率点跟踪

2.1 光伏阵列的输出特性

为了更好的理解光伏阵列的输出特性，本文根据光伏阵列的工程模型建立了光伏阵列的仿真模型，对光照强度相同、温度不同及温度相同、光照强度不同这两种情况下光伏阵列的I-V 和P-V 输出特性曲线进行了仿真分析。仿真模型中的光伏电池参数采用了实验室现有的某公司生产的100W 的单晶硅光伏电池，其主要参数如表3-1所示。

在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的光伏电池I-V 、P-V 特性曲线，如图2.1、2.2所示。

图2.1光照强度不同情况下l 一V 、P 一V 特性曲线

图2.1为光伏电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I-V 和P-V 特性曲线，从图中可以得出以下结论:

1、光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系;光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大;

2、光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势;到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度;

3、如图2.1左图所示:在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%;

4、如图2.1右图所示:结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的76%。

图2.2光伏器件结温变化情况下l-V、P-V特性曲线图2.2为光伏电池日照强度不变、结温变化情况下的一组I-V和P-V特性曲线，从图中可以得出以下结论:

1、如图2.2左图所示:光伏电池的结温对光伏电池的短路电流影响不大，随着温度的上升输出短路电流只是略有增加;光伏电池的开路电压随电池结温的上升而下降，且变化范围较大;

2、如图2.2右图所示:光伏电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。

综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的日照强度、环境温度有密切的关系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。

2.2 最大功率点跟踪技术

2.2.1恒压法（CVT）

由图2.1可知，在温度不变的情况下，光伏阵列输出最大功率时的工作电压与开路电压Vo存在近似的比例关系，而恒压法则是利用这一近似关系的一种方法。

优缺点：采用CVT控制的优点是控制简单且易实现；系统工作电压具有良好的稳定性。但其缺点是，MPPT精度差，系统工作电压的设置对系统工作效率影响大；控制的适应性差，即当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差。

图2.3 CVT法控制流程图

2.2.2扰动观察法（P&O）

扰动观察法（P&O）是目前实现最大功率点跟踪的常用方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，并观测之后其输出功率变化方

向，来决定下一步的控制信号。这种控制算法一般采用功率反馈方式，通过两个传感器对光伏阵列输出电压及电流分别进行采样，并计算获得其输出功率。该方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度较慢，只适用于那些太阳辐照度变化比较缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。

简述经典的扰动观察算法如下：光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，方向可以是增加也可以是减小，控制对象为光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较该干扰周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么按照上一周期的方向继续“干扰”过程；如果检测到输出功率减小，则改变“干扰”的方向。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷方案是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点附近时采用小步长。

绝大部分光伏发电系统中，不论其拓扑如何，都会在光伏阵列输出上并联一个较大容值的电容，这个电容可以作为光伏阵列输出的滤波器，减小后置电力电子变换装置导致的开关谐波。但在应用干扰观测法的光伏系统中，母线电容过大会影响MPPT方法对天气变化引起的太阳辐照度波动的响应速度。

扰动观测法的流程图如图2.4所示。

对扰动观测法的优点总结如下：

1、模块化控制回路；

2、跟踪方法简单，实现容易；

3、对传感器精度要求不高。

缺点为：

1、在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；

2、跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；

3、在特定情况下会出现判断错误情况。

图2.4 P&O法流程图

2.2.3电导增量法(IncCond)

由光伏电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处有dP/dV=0，通过简单的数学推导可以得出在最大功率点处有dI/dV=-I/V成立，因此，将dI/dV=-I/V 作为判定光伏电池是否工作在最大功率点的依据，并对系统进行相应的控制，即可以实现对最大功率点的跟踪。

电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。其控制算法同样需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。电导增量法的控制流程图如图2.5所示

图2.6 IncCond法流程图

第三章并网逆变器孤岛检测技术

由于光伏并网发电系统直接将太阳能逆变后输送到电网，所以需要各种完善的保护措施。除了通常的电流、电压和频率监测保护外，还需要考虑一种特殊的故障状态，即孤岛状态。

3.1 孤岛概念

所谓孤岛，根据IEEE标准IEEE Std 929-2000[12]所给出的定义，是指：电网的一部分，其中同时包括负载和分布式电源，在与电网的其他部分隔开时仍然保持运行的一种状态。具体到光伏并网逆变系统的情况，可以做如下定义：电网由于电气故障、人为或自然等原因中断供电时，光伏并网系统未能即时检测出停电状态并脱离电网，使该系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电孤岛的情况。

孤岛效应可能带来以下不利影响：

1、导致孤岛区域的供电电压和频率不稳定；

2、影响配电系统的保护开关动作程序；

3、光伏并网系统在孤岛状态下单相供电，引起本地三相负载的欠相供电问题；

4、电网恢复供电时由于相位不同步导致的冲击电流可能损坏并网逆变器；

5、可能导致电网维护人员在认为已断电时接触孤岛供电线路，引起触电危险。

3.2 孤岛检测方法的要求

3.2.1 IEEE标准929-2000对并网逆变器的电压及频率波动响应时间要求

图3.1 电压响应要求

图3.2 频率响应要求

3.2.2 鉴衡认证电压和频率要求

图3.3鉴衡认证电压响应要求

图3.4 鉴衡认证频率响应要求

3.3 孤岛检测方法

3.3.1孤岛效应分析

图3.5 孤岛效应分析图

如图3.5所示，电网断电前并网关系如下：

R V P P P A e pv load /2=+= (3.1)

)1(2wC wL

V Q Q Q A e pv load -=+= (3.2) 电网断电后得到如下并网关系：

R V P P A pv load /*== （3.3）

)1(2*C w L

w V Q Q A A A pv load -== （3.4） 当电网提供的有功，无功不为零时，断电前后通过检查A 点电压及频率变化检测出孤岛。但是当电网提供的有功与无功均为零时，即负载功率与逆变器输出功率匹配时，被动式检测方法失效。因此，需要主动式检测方法。

3.3.2被动式孤岛检测方法

在发生孤岛运行情况时，孤岛系统的电压、频率和相位都可能发生一定波动。被动式检测方法就是根据这一原理来判断是否发生孤岛情况的。根据检测的参数不同，可以分为下面几种方法，在实际应用中也可以将它们结合起来同时作为判断的依据。

1、利用基本的电压和频率监测功能

一个具有过压、欠压、过频和欠频保护功能的光伏并网系统，可以看作具有了基本的孤岛检测功能。当并网逆变器输出电压和频率超出正常范围，则认为与电网连接已经中断。逆变器停止输出或转为独立供电状态以确保系统安全。但是在逆变器输出与负载平衡时，由于电压、频率都没有变化，这种检测方法会失效。

2、电压谐波监测法

这种方法主要基于分布式发电系统中变压器或电感的非线性特性。当与电网断开时，并网逆变器的输出电流会导致线路电压上出现较大的谐波分量。监测线路电压的谐波含量，当发现谐波含量突然增加时，就可以认为发生了孤岛现象。文献[13]指出这种方法中很难找到合适的谐波幅值门限，影响判断的准确性。

3、相位跳变监测法

该方法原理是在电网断开的瞬间，逆变器输出的电压和电流相位关系将决定于负载情况，一般会产生一个瞬时的相位跳变，保护电路监测此相位变化作为孤岛检测的信号。

上述三种被动式方法都具有一定的孤岛检测能力，但是在本地负载和并网逆变器输出功率完全平衡时都会失效。因此，要达到IEEE标准中反孤岛功能的要求，被动式方法必须和主动式检测方法结合起来使用。

3.3.3主动式孤岛检测方法

主动式检测方法通过在并网逆变器的输出加以电流、频率或相位扰动信号，并检测其对线路电压的影响，在孤岛运行状态，扰动信号将会在线路电压上体现并累积，从而检测出孤岛状态。主动检测方法主要有以下几种：

1、有功干扰法

该方法原理简单，实现方便，对于孤岛中仅有一个或较少并网发电系统时有较好的检测效果，其原理是：周期性的改变并网逆变器的有功输出功率，同时检测电网线路上的电压幅值是否受到影响。该方法在孤岛中光伏发电系统与本地负载平衡时仍然有效，但对于孤岛中存在多个分布式发电系统的情况，由于存在平均效应，单个并网逆变器的干扰对总体线路的影响将不明显。

2、无功（相位）干扰法

该方法与有功干扰法相似，不同处在于干扰量是并网逆变器的无功输出。系

统并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，基本不受逆变器输出的无功功率多少的影响。当系统进入孤岛状态时，一旦逆变器输出的无功功率和负载需求不匹配，负载电压相位或幅值将发生变化。由于逆变器输出的无功电流可调节，而负载无功需求在一定的电压幅值和频率条件下是不变的，因此将逆变器输出设定为对负载的部分无功补偿或波动补偿可避免系统在孤岛条件下的无功平衡，从而使得负载电压相位或者幅值持续变化达到可检测阈值，最终确定孤岛的存在。

3、主动频移法（AFD）

如图3.6所示，该方法主动提高输出电流的频率，在电网周期开始（电网电压过零点）时发出正弦波电流，这样半波后线路电压和逆变器电流过零点的时刻间就会存在时间差tz，系统保持这一时间差tz与电网1/2周期的比值cf固定。这样，当光伏并网系统处于孤岛运行状态时，若负载为纯阻性，电压波形完全跟随电流波形，系统为保持cf值，就将不断提高输出电流频率，直到线路电压频率超出门限值，触发孤岛保护功能。该方法存在的一个问题是，若负载为R-L-C 并联谐振负载，在其谐振频率附近检测方法可能失效，这一频率区域称为检测盲区（Nondetection Zone，NDZ）。

图3.6 主动频移法的光伏并网系统电压与电流波形

图3.7 AFD法流程图

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