劉棟,楊蘋,黃錦成
(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室,廣東 廣州 510640)
一種光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長MPPT控制策略研究
劉棟,楊蘋,黃錦成
(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室,廣東 廣州 510640)
為了提高光伏器件的發(fā)電效率,提出一種變擾動步長的最大功率點跟蹤算法,根據(jù)光伏組件輸出P-U特性曲線上各點斜率的絕對值確定最大功率點跟蹤的擾動步長,使搜索的快速性和穩(wěn)定性同時增強(qiáng)。Matlab仿真驗證結(jié)果表明:該算法能夠?qū)崟r對光伏組件輸出功率進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié),大大提高光伏系統(tǒng)跟蹤最大輸出功率速度的同時,有效降低系統(tǒng)輸出功率在最大功率點處的振蕩現(xiàn)象,減小光伏組件的能量損耗。系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,易于推廣應(yīng)用。
光伏發(fā)電;最大功率點跟蹤;變步長
在當(dāng)今能源日益緊張的大環(huán)境下,太陽能作為一種巨大的“清潔能源”日益受到廣泛的關(guān)注。隨著光伏發(fā)電的快速推廣應(yīng)用,如何充分有效利用光伏組件、降低太陽能光伏系統(tǒng)的使用成本成為人們關(guān)注的焦點。其中,光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)[1]控制方法是提高光伏組件效率的有效途徑。MPPT控制方法主要有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等[2]。這些方法利用固定的擾動步長搜索光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率點,不能同時滿足搜索的穩(wěn)定性和快速性要求;而使用模糊控制變步長的方法雖然有較好的效果,但模糊控制器的設(shè)計和參數(shù)的整定比較復(fù)雜,增加了設(shè)計難度和系統(tǒng)成本,不利于大范圍推廣使用[3-4]。
本文提出了一種實現(xiàn)簡單的變步長擾動觀測法,根據(jù)光伏組件輸出P-U特性曲線上各點斜率的絕對值確定最大功率點跟蹤的擾動步長,同時提高搜索的快速性和穩(wěn)定性。通過Matlab進(jìn)行仿真驗證試驗,并與定步長擾動觀察法相比,仿真驗證試驗表明:所提出的算法對光伏組件功率變化的跟蹤更具實時性,不僅能夠提高系統(tǒng)快速跟蹤日照變化的能力,而且可以有效降低輸出功率在最大功率點處的振蕩現(xiàn)象,提高對光伏組件的利用效率。
要對光伏發(fā)電系統(tǒng)實施最大功率輸出跟蹤控制,首先需要建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上,尋求合適的最大功率輸出跟蹤控制算法。
既考慮并聯(lián)電阻,又考慮串聯(lián)電阻的單個光伏電池的精確等值電路見圖1。
圖1 單個光伏電池的精確等值電路Fig.1 The exact equivalent circuit of single photovoltaic cell
單個光伏電池的輸出特性方程為
式中:Rs為光伏電池的內(nèi)阻;Rp為光伏電池的并聯(lián)電阻;I0為流過二極管的反向飽和漏電流;q為電荷量1.6×10-19C;K為 Boltzmann常數(shù),值為1.38×10-23J/K;T為光伏陣列的工作溫度,K;A為二極管的理想常數(shù),其值在1~2之間變化[5]。
一般來說,質(zhì)量好的硅晶片1cm2的Rs約在7.7~15.3mΩ之間,Rp在200~300Ω之間。一個理想的光伏電池,其等效串聯(lián)電阻Rs很小,而等效并聯(lián)電阻Rp很大,在一般的工程應(yīng)用中,它們都可以忽略不計。
光伏組件輸出功率P與輸出電壓U、電流I呈非線性關(guān)系,在不同環(huán)境即溫度、日照強(qiáng)度下,光伏器件存在不同且唯一的最大輸出功率點。光伏組件在不同的光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線見圖2。
圖2 不同的光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線Fig.2 The output curves under different light intensity
針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性,一般采用定步長擾動觀察法實施最大功率輸出跟蹤控制。定步長擾動觀察法的基本原理是:每隔一定的時間通過按固定步長改變占空比來增加或減少電壓,并觀測其后的功率變化方向,決定下一步的控制信號,通過多次這樣的調(diào)節(jié),使光伏組件最終達(dá)到最大功率輸出。
定步長擾動觀察法的控制流程圖見圖3[6]。
圖3 定步長擾動觀察法的控制流程圖Fig.3 The flow chart of perturbation and observation method with fixed step
圖3中占空比的變化步長ΔD為固定值,由于占空比變化步長固定,使得搜索的快速性與穩(wěn)定性相矛盾[7]。
定步長擾動觀測法可以通過變化固定步長進(jìn)行調(diào)節(jié),通過減小ΔD可以改善光伏組件在最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象,但較小的ΔD將降低對日照變化的響應(yīng)速度;而通過增大ΔD能夠提高M(jìn)PPT的搜索速度,但較大的ΔD使得光伏組件在最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象增強(qiáng)。為了克服上述定步長擾動觀測法的不足,提出一種實現(xiàn)簡單的變步長擾動觀測法。
由圖2b所示光伏組件輸出P-U特性曲線可以看出,遠(yuǎn)離最大功率點時,電壓變化量ΔU對光伏組件的輸出功率的影響較大;而在最大功率點附近時,電壓變化量ΔU對光伏組件的輸出功率的變化影響較小。即光伏組件輸出P-U曲線上各點的斜率根據(jù)距離最大功率點位置變化而變化,對圖2b中光照強(qiáng)度1kW/m2的輸出特性曲線上的k1,k2,k3,k4點做切線,見圖4。
圖4 光伏組件輸出特性曲線的切線圖Fig.4 The tangent map of output characteristic curve of PV module
由圖4可得k1,k2,k3,k4點切線斜率的大小關(guān)系:
根據(jù)上述分析,可利用光伏組件輸出P-U曲線上各點的斜率的絕對值確定擾動步長,來同時提高搜索的穩(wěn)定性和快速性。
當(dāng)采樣周期很小時,輸出電壓變化量ΔU很小,則輸出P-U特性曲線上各點斜率的絕對值等于光伏組件各點輸出功率變化量與輸出電壓變化量的比值的絕對值,|dP/dU|=|ΔP/ΔU|。即可以通過求得|ΔP/ΔU|,進(jìn)而確定最大功率點跟蹤的擾動步長。k時刻擾動步長ΔD(k)的計算方法為
式中:ΔD(k)為k時刻的占空比變化步長;ΔP(k),ΔU(k)分別為k-1時刻到k時刻占空比變化引起的光伏模塊輸出功率變化量和電壓變化量;ΔD為占空比的固定變化量,為定值。
變步長擾動觀測法的控制流程圖見圖5。
圖5 變步長擾動觀測法的控制流程圖Fig.5 The flow chart of perturbation and observation method with variable step
利用Matlab中的Simulink軟件環(huán)境得仿真電路圖見圖6。
圖6 變步長擾動觀測法仿真電路圖Fig.6 The simulation circuit of variable step perturbation and observation method
其中MPPT算法的實現(xiàn)通過S函數(shù)進(jìn)行編寫。由于在實際系統(tǒng)中光伏組件輸出P-U曲線不是平滑的,所以在仿真驗證中為避免占空比的大干擾使得|ΔP(k)/ΔU(k)|取值過大從而降低算法穩(wěn) 定 性,限 制|ΔP(k)/ΔU(k)|≤20。即 當(dāng)|ΔP(k)/ΔU(k)|≥20時?。(k)/ΔU(k)|=20。
采用變步長的ode23tb(stiff-TR-BDF)進(jìn)行仿真,設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1kW/m2和常溫25℃。仿真結(jié)果見圖7。
圖7 在固定光照和溫度的仿真結(jié)果Fig.7 The simulation result of constant light intensity and temperature
從圖7中可以看出變步長擾動觀測法的暫態(tài)結(jié)束時間在0.04s,而定步長擾動觀測法的暫態(tài)結(jié)束時間則是0.3s,變步長擾動觀測法的搜索速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于定步長擾動觀測法,而且在接近穩(wěn)態(tài)時的震蕩現(xiàn)象較之定步長擾動觀測法也較小。
設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1kW/m2和常溫25℃,在0.5s時光照變?yōu)?00W/m2。仿真結(jié)果見圖8。從圖8中可以看出定步長擾動觀測法可以根據(jù)光照強(qiáng)度的變化進(jìn)行功率跟蹤,而且跟蹤速度快于定步長擾動觀測法。
圖8 在不同光照強(qiáng)度下的仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of different light intensity
本文在對光伏模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過對MPPT算法的研究,提出了一種實現(xiàn)簡單的變步長擾動觀測法。利用Matlab進(jìn)行了仿真驗證,且在相同條件下與定步長擾動觀測法相比較,驗證結(jié)果表明該算法在各種日照變化情況下均能迅速穩(wěn)定地重新輸出最大功率,并有效地解決了定步長擾動觀測法搜索的穩(wěn)定性和快速性相矛盾的問題。
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修改稿日期:2010-11-15
Research on Variable Step MPPT Strategy for Photovoltaic System
LIU Dong,YANG Ping,HUANG Jin-cheng
(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangdongKeyLaboratory ofCleanEnergyTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)
For improving the efficiency on power generation of photovoltaic(PV)device,a variable perturb step method was proposed which uses the absolute value ofP-Ucharacteristic curve′s points slope of PV device output to determine the variable perturb step and can enhance the search speed and stability at the same time.The Matlab simulation results show that this method can be effective to adjust PV output power in real time.It can greatly improve the tracking speed and reduce the oscillation around the maximum power point(MPP)to lower the engery lost of PV device.This system is simple and easy to promote and use.
photovoltaic power generation;maximum power point tracking;variable step
TM615
A
劉棟(1985-),男,碩士研究生,Email:657962482@qq.com
2010-05-22