风光互补发电系统最大功率跟踪综述

Vol.20No.23ElectronicDesignEngineering

2012年12月Dec.2012

风光互补发电系统最大功率跟踪综述

张丽霞1，张秀霞1，2，刘婷1，王二垒1，杨小聪1，魏舒怡3

（1.北方民族大学电气信息与工程学院，宁夏银川750021；2.西安交通大学电子信息工程学院，陕西西安710049；

3.中国科学院研究生院北京100049）

摘要：风光互补发电系统的运行需要快速准确地进行最大功率点跟踪，为此综述了风光互补发电系统最大功率点跟踪的几种方法，包括在太阳能电池阵列部分日益成熟、改进和优化策略较多的扰动观察法、电导增量法和恒压控制法；风力发电机部分的叶尖速比控制法、功率信号反馈法、扰动观察法，分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处。最后探讨了最大功率点跟踪控制方法的发展思路，对该领域今后的研究方向做了展望。关键词：风光互补；最大功率点跟踪；控制策略；太阳能电池阵列；风力发电机中图分类号：TM614；TM615

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2012）23-0029-03

Reveiwofmaximumpowerpointtrackingforwind-solarhybridgenerationsystem

ZHANGLi-xia1，ZHANGXiu-xia1，2，LIUTing1，WANGEr-lei1，YANGXiao-cong1，WEIShu-yi3

（1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering，NorthNationalUniversity，Yinchuan750021，China；

2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering，JournalofXi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China；

3.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China）

Abstract:TheMaximumPowerPointTrack

（MPPT）ofthewind-solarhybridgenerationrapidlyandaccuratelywas

necessaryanditcanincreasetheoutputpower.ThispapersummarizesthemethodsofMPPT，thesolarpanelsMPPTcontroltechnologyincludingthePerturbationandobservationcontrol，incrementalconductancecontrolandconstantpressurecontrol.thewindturbineincludingtipspeedratiocontrol，powersignalfeedbackcontrolandperturbationandobservationcontrol.Pointsoutthelimitationsandnotesofthosemethods.Finally，somefeasiblethoughtswithnewtechnologiesforwind-solarhybridgenerationarediscussedanditsstudydirectioninthefutureisalsolookedahead.

Keywords:wind-solarhybrid；maximumpowerpointtracking；controltechnologies；solararray；winddrivengenerator

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大推动了人类社会的发展。同时，化石能源的使用带来严重的环境污染和生态系统破坏。因此，世界各国在加强对环境污染治理的同时，加大对可再生、无污染新能源的开发利用[1-3]，风能、太阳能作为可再生清洁能源，成为替代化石能源的首选。

由于风能、太阳能在时间和空间上的互补性，弥补了风能和太阳能发电在资源上的缺陷，使得风光互补发电比单一风力发电或光伏发电更为高效。在实际的应用系统中，外界条件的变化使得系统输出功率不稳定，就存在最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTrack，MPPT）的问题。

能电池板、风电机组、蓄电池、逆变器、控制器、交流负载、直流负载等[1，3]。

图1风光互补发电系统结构图

Fig.1Wind-solarhybridgenerationsystemstructure

2最大功率点跟踪控制

风光互补发电系统在工作时，随着日照强度、环境温度、

风力大小及方向的不同，各组件输出电压将发生变化，使得输出功率也产生很大变化，所以风力发电机和太阳能电池阵列本身就是一种极不稳定的电源。在外界条件变化的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，就需要对系统进行最大功率点跟踪。所谓最大功率点跟踪（MaximumPower

1风光互补发电系统

风光互补发电系统结构如图1所示，其组成主要有太阳

收稿日期：2012-08-17稿件编号：201208077

基金项目：国家自然科学项目基金（60844006）；北方民族大学研究生创新项目基金（2012XYC040、2012XYC041）；国家级大学生

创新项目（CJJ-CX-DX-39）；宁夏高等学校科学研究项目基金（2011JY002）；北方民族大学科学研究专项任务项目基金资助（2011XJZKJ02）。

作者简介：张丽霞（1986—），女，山西太原人，硕士研究生。研究方向：信息处理与信号检测、计算机测控。

《电子设计工程》2012年第23期

PointTracking，MPPT），即是指控制器能够实时侦测太阳能电

池阵列及风电机的发电电压，并追踪最高电压电流值（VI），使系统以最高的效率对蓄电池充电[4]。MPPT控制实质是一个自寻优过程，通过控制系统各组件的特定参数，或控制DC/

DC变换器开关管的开通时间，使系统各组件在各种不同的

外界环境下智能化地输出最大功率[3]。

3MPPT控制算法

在风光互补发电系统的开发和应用过程中，由于太阳能

电池阵列和风力发电机组的转换效率比较低，所以对于其最大功率跟踪技术的研究一直是一个重要内容。近年来，国内外学者已提出了多种控制算法[4-6]。

3.1太阳能电池阵列的MPPT控制算法

太阳能电池阵列输出电压具有非线性特性，因外界日照

强度及温度的改变而变化，因此在特定的情况下存在相应的最大功率点[3]，目前，进行太阳能发电MPPT控制的方法主要有以下3种：功率扰动观察法、增量电导法和恒压控制法。

1）功率扰动观察法（P&O）[4-6]，又称爬山法，是目前常用

的一种MPPT控制方法。其原理是通过扰动前后功率的变化量进行扰动方向的判断，先赋予一个输出电压信号（UPV+

ΔU），再进行功率测量，若功率变化量大于零，则表示扰动方

向正确，可向同一方向继续扰动；若功率变化量小于零，则向反方向扰动[6]，图2为其控制框图[3]。

图2

扰动观察法控制框图

Fig.2P&Ocontrolblockdiagram

P&O法的优点是测量参数少，结构简单，通过不断扰动

趋于系统的最大功率点；缺点是跟踪精度和速度与跟踪步长

ΔU以及初始值UPI的选取密切相关，且有可能在最大功率点

附近产生震荡；若跟踪步长ΔU太小，当外界环境变化较快时其跟踪速度缓慢；若跟踪步长ΔU太大，当到达最大功率点附近时，会加大震荡从而损失较多功率[7]，有时在运行中发生程序控制失序，出现“误判”现象[4-6]。

2）增量电导法（INC），由K.H.Hussein提出，该方法解决

了P&O法功率损失等问题，P&O法是在不确定最大功率点的大致方向的情况下进行工作点电压或者电流调整，使之逐渐接近最大功率点电压来实现最大功率跟踪，而增量电导法避免了这种盲目性，根据太阳能电池板的P-U特性曲线在最大功率点处的斜率为零，即dP/dU，可得：

!##dP#U=I+UdI#ddU=0\"###dII（1）

#dU=-$

U式（1）为判断系统是否工作在最大功率点处的条件，即为输出电导变化量等于负的输出电导，该法使用瞬间电导值、电压和电流变化量比值这两个参数来判断输出电压的

变化量，若输出电压变化量为零，则表明此时系统工作在最大功率点；反之，需要改变系统的被控参数或者DC/DC变换器驱动信号的占空比，然后继续进行判断，图3为其控制框图[3，6-7]。

图3

增量电导法控制框图

Fig.3INCcontrolblockdiagram

INC法的优点是响应速度快、控制精确、具有高速、稳定

的跟踪特性，因此对硬件的要求比较高，并且运行速度快[8]，从而决定了该法适用于光强和温度大幅度变化的地区[3]。

3）恒压控制法（CVT），其原理是外界温度保持不变、光照

强度发生改变的情况下，当系统的最大功率点处的电压近似等于某一恒定值VM，则此时追踪到了系统的最大功率点，因此，为了使太阳能电池板的输出电压稳定在VM附近，需调节

DC/DC变换器的占空比改变负载阻抗，便可以实现MPPT控

制[3，7-8]，图4为其控制框图[7]。

图4

恒压法控制框图

Fig.4CVTcontrolblockdiagram

CVT法的优点是简单、易实现、稳定性高。但根据其工作

原理忽略了温度造成的影响，因此该方法只是光照强度改变情况下的最大功率点跟踪，对于温差较大的地区，该法不能因温度的变化进行最大功率点跟踪，从而导致功率的损失。

3.2风力发电机的MPPT控制算法

风力发电系统与太阳能发电系统一样也存在最大功率

点，风力发电部分若要捕获最大风能，须根据风速的变化对风力机的转速进行实时调整，这就产生了变速发电运行模式[9]。根据风力发电机的原理可知，当输出功率大于输出机械功率时，风力发电机的转速下降；反之，转速将会增加。因此，可以通过风轮转速的控制调节风力发电机的输出功率，即调节控制电路驱动信号的占空比[10]，目前，应用于风力发电机

MPPT控制技术主要有叶尖速比控制法、功率信号反馈法、扰

动观察法3种方法[11]。

1）叶尖速比控制法。其原理是只要风速一定，风力机或

者发电机的转速就保持一个值不变，即当叶尖速比λ为最佳条件λm时，就跟踪到了系统的最大功率点，图5为其控制原理图[12]。

图5

叶尖速比法控制框图

Fig.5Tipspeedratiocontrolblockdiagram

该方法的优点：易实现，只要1个PI控制器即可满足控制要求，在风速测量精确的前提下，准确性高、反应速度快[12]；缺点是需要风速计测量风速，对于小型风光互补发电系统成本过高，且增大了系统维护的难度[11]。

2）功率信号反馈法。风力机输出的最大功率Pmax是根据

最大功率曲线得出，按照相应的输出功率选择风轮转速ω，对风力机进行调节控制，图6为其控制原理图[12]。

图6功率信号反馈法控制框图

Fig.6Powersignalfeedbackcontrolblockdiagram

该方法的优点是不需要了解风力机特性，也不需要测风装置测量风速，从而避免了风速检测环节存在的问题，具有更好的使用价值[12]。缺点是外界风速发生变化时，风速曲线不容易确定，无法进行相应的调整[11]；理论的最大功率曲线在实际运行中，其参数的设定将影响跟踪的准确性；对于不同风轮机，其风速曲线也是不同的，需进行离线或仿真实验得出相应的风速曲线，会增加应用成本和控制难度[12]。

3）扰动观察法。与太阳能发电系统基本相似，风力发电

的最大功率的获取是比较寻找得到某个风速所对应的功率，首先给风轮施加一个较小的转速波动，然后检测系统的输出功率的变化量，如果变化量大于零，则表明扰动方向正确；如果变化量小于零，则向相反的方向进行扰动。

4结束语

通过上述分析可以看出，各种跟踪控制方法都有自己的

优点同时又不可避免的存在缺点，扰动观察法作为较为常用的一种控制方法之一，其缺点是的系统扰动的步长大小难以确定，会造成在最大功率点附近震荡；增量电导法印其对参数的精确测量所以设备初期投入资金较大，导致其维修费用昂贵；恒压控制法无法因外界环境的剧烈改变而做出相应的调节；叶尖速法与增量电导法类似，在费用方面降低了其效益；功率信号反馈法则需要人为的经验，无法因实际变化做出相应的调节。因此，风光互补发电系统最大功率点跟踪控制方法的发展不很完善，其技术手段尚未完全成熟，为了更好的满足实际需求，根据相应的情况将各种MPPT控制方法相结合，取长补短，成为风光互补发电系统MPPT的研究方向。随着我国对清洁可再生能源的规划，太阳能、风能的利用将会蓬勃发展，而风光互补发电系统最大功率点跟踪控制方法的简化以及跟踪精度与速度的提高是将来必然的发展趋势。参考文献：

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