蔡明想,姜希猛,謝巍

(1.華南理工大學 自動化科學與工程學院,廣東 廣州 510640;2.中國科學技術大學 工程科學學院,安徽 合肥 230026)

1 引言

太陽能由于其明顯的優(yōu)點越來越受到關注,其主要的利用方式為光伏并網發(fā)電[1]。

為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉換效率,研究高效的最大功率跟蹤(MPPT)算法是非常必要的。目前,常用的最大功率跟蹤算法有:固定電壓(CV)法[2],擾動觀測(P&O)法[3],電導增量(INC)法[4]等。CV法實現簡單,具有良好的可靠性和穩(wěn)定性,但是只能固定在最大功率點附近工作。INC法實質上是一種改進的P&O法,這兩種算法因轉化效率高而得到了廣泛應用,但是在天氣快速變化的情況下會產生誤判,導致系統(tǒng)的工作點遠離其最大功率點;而且均采用定步長的方式,難以兼顧跟蹤的快速性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面的要求[5]。針對上面這些問題,本文提出了一種改進的MPPT控制方法,最后通過仿真表明該方法的可行性,提高了轉換效率。

2 光伏陣列的特性

在考慮光照強度變化和溫度影響時,太陽能電池的數學模型為[6]

其中

式中:Rref,Tref分別為光照強度和光伏陣列溫度參考值,一般取為1 kW/m2,25℃;a為電流變化溫度系數,A/℃;b為電壓變化溫度系數,V/℃;Rs為光伏陣列的串聯電阻,Ω;Voc為開路電壓,V;Vm為最大功率點電壓,V;Isc為短路電流,A;Im為最大功率點電流,A。

運用上述模型對某太陽能電力有限公司的光伏模塊STP175S224/Ac進行仿真分析,其主要參數為:Voc=44.2 V,Vm=35.2 V,Isc=5.2 A,Im=4.95 A,Rs=0.65 Ω,a=0.015,b=0.7。

圖1和圖2分別為光伏陣列在不同光照強度和極板溫度下的P-V和I-V曲線。從圖1、圖2中可知其輸出特性是非線性的。當溫度上升時,輸出最大功率和最大功率點處對應的電壓均減小;當光照減小時,輸出最大功率和最大功率點處對應的電壓也均減小。

圖1 不同光照和溫度下的 P-V曲線Fig.1 P-V curves under different illumination and temperature

圖2 不同光照和溫度下的 I-V曲線Fig.2 I-V curves under different illumination and temperature

3 最大功率跟蹤算法

由光伏電池輸出特性可知,光伏陣列有一個最大功率點(MPP),它取決于電池板溫度和光照大小,不同的溫度和光照條件下光伏陣列的最大功率點不同。即使在同一溫度和光照條件下,也會使太陽能電池輸出功率不同。要使光伏電池盡可能地工作在最大功率點,需要使用最大功率點跟蹤(MPPT)控制。

3.1 傳統(tǒng)電導增量法

電導增量法判斷的依據為當光伏陣列的P-V曲線的斜率為零時在MPP點,為正時在MPP點左邊,為負時在MPP點右邊。即

因此可通過判斷I+VdI/dV的符號來實現跟蹤策略[7]。假設在最大功率點Vref等于VMPP,光伏陣列將維持在這個點直到dI發(fā)生變化,然后通過增加或者減少Vref跟蹤新的最大功率點。其流程圖如圖3所示,其中V(K),I(K)分別表示當前檢測到的光伏陣列的輸出電壓和輸出電流,V(K-1),I(K-1)分別表示上一次檢測到的輸出電壓和輸出電流,Vref表示光伏陣列輸出電壓參考值,ΔV表示跟蹤步長。

圖3 傳統(tǒng)電導增量法的流程圖Fig.3 Flowchart of the traditional INC method

3.2 改進型電導增量法

傳統(tǒng)的電導增量法采用固定步長。當步長選擇較大時,對光照變化跟蹤速度快,但振蕩比較嚴重,導致穩(wěn)態(tài)誤差較大,無法滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求;當步長選擇較小時,振蕩現象有所減弱,但對光照變化的跟蹤速度變慢,無法滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求。同時傳統(tǒng)電導增量法含有復雜的除法計算,這對于數字處理器的實時處理影響較大,影響到了執(zhí)行的效率和正確性。

鑒于固定步長的缺陷,在此采用變步長方式,且取步長為K|dP/dV|,其中K為固定系數。變步長的電導增量法原理是:當實際工作點離最大功率點較遠時,斜率較大,系統(tǒng)跟蹤的步長較大;反之,則斜率較小,系統(tǒng)跟蹤的步長較小。這樣就可以解決固定步長帶來的問題。

為了去除除法運算,可以對式(1)進行處理,兩邊同時除以I,可以得到:

首先判斷式(2)中dV的符號,進而判斷IdV+VdI的符號,最后通過判斷dP/dV的符號來決定輸出電壓參考值應該增加、減小還是保持不變。其流程圖如圖4所示。通過結合固定電壓法,首先采樣當前光伏陣列開路電壓值Voc,由于光伏陣列MPP處的電壓約為開路電壓的0.78倍[8],因此系統(tǒng)將0.78Voc作為初始基準值,控制輸出電壓移動到MPP電壓附近,然后啟動變步長電導增量法,實現精確的MPPT控制。

圖4 改進型電導增量法流程圖Fig.4 Flowchart of the improved INC method

4 最大功率點跟蹤控制的仿真

本文以Boost變換器作為DC/DC變換電路,建立了基于改進型電導增量法的仿真模型如圖5所示。圖5中R,L,C,C1的值分別為50 Ω,0.000 4 H,0.001 F,0.000 5 F。

其控制過程如下:檢測到的當前光伏陣列工作點的電壓和電流值,通過S-Function和脈寬調制模塊得到占空比不同的脈寬調制波以控制DC/DC變換器中IGBT功率開關管的開通與關斷,以達到阻抗匹配,從而實現太陽能電池陣列的最大功率跟蹤。

圖5 M PPT仿真模型Fig.5 Simulation model of MPP T

在標準狀態(tài)25℃,1 kW/m2,采用兩種控制方法仿真所得光伏陣列的輸出功率、電壓波形如圖6所示。從圖6可以看出,采用改進的方法,其輸出功率能在0.1 s內穩(wěn)定在最大功率點,且波動比傳統(tǒng)INC小很多,穩(wěn)態(tài)精度高達98%,提高了光伏陣列的轉換效率。

圖6 標準狀態(tài)下,光伏陣列輸出功率、電壓波形Fig.6 Waveforms of output power,voltage under standard state

圖7給出了在光強恒定(1 kW/m2),溫度在0.8 s時突然從25℃升到30℃,又在1.6 s時突然從30℃升到35℃的光伏陣列的輸出功率、電壓的波形。從圖7中可以看出,當溫度快速變化時,采用改進的方法能快速、平穩(wěn)、準確地跟蹤最大功率點。且光伏陣列的功率、電壓隨溫度的變化情況也符合前面建模所仿真出的輸出特性。

圖8給出了在溫度恒定(25℃),光照強度在0.8 s時突然從1 kW/m2降到0.8 kW/m2,又在1.6 s時突然從0.8 kW/m2降到0.6 kW/m2的光伏陣列的輸出功率、電壓的波形。從圖8中可以看出,當采用改進的方法時,光伏陣列的輸出功率、電壓均能快速、精準地跟蹤變化,且振蕩小,穩(wěn)態(tài)精度高。

圖7 溫度快速變化時光伏陣列輸出功率、電壓波形Fig.7 Waveforms of output power,voltage under the rapid change temperature

圖8 光強快速變化時光伏陣列輸出功率、電壓波形Fig.8 Waveforms of output power,voltage under the rapid change illumination

5 結論

本文針對傳統(tǒng)電導增量法的缺點,結合固定電壓法的優(yōu)點,提出了一種改進的電導增量法,并通過Matlab/Simulink進行了實驗仿真,通過分析可以看出該方法能在外界環(huán)境快速變化的情況下,保證光伏陣列快速、精確地跟蹤最大功率點,且在最大功率點附近的振蕩極小,穩(wěn)態(tài)精度較高。仿真和實驗結果均表明該方法的可行性和精確性。

[1]劉飛,段善旭,殷進軍.單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的實現與穩(wěn)定性研究[J].電力電子技術,2008,42(3):28-30.

[2]張波,鄭宏,曹豐文,等.LED光伏路燈系統(tǒng)的研究與設計[J].電氣傳動,2010,40(9):38-40.

[3]Roberto F Coelho,Filipe Concer,Denizar C Martins.A Study of the Basic DC-DC Converters Applied in Maximum Power Point T racking[C]∥Power Electronics Conference,COBEP,2009:673-678.

[4]Elgendy M A,Zahawi B,Atkinson D J.Analysis of the Performance of DC Photovoltaic Pumping Systems with Maximum Power Point Tracking[C]∥4th IET Conference on Power Electronics,Machines and Drives,PEMD,2008:426-430.

[5]高吉磊,賀明智,鄭瓊林.天氣變化時光伏并網系統(tǒng)MPPT算法的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2010,22(4):1000-1005.

[6]茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有 M PPT功能的光伏陣列M atlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學報,2005,17(5):1248-1251.

[7]張崢,男海鵬.基于Matble/Simulink的兩級式光伏并網系統(tǒng)仿真分析[J].可再生能源,2010,28(1):81-84.

[8]Hu Jing,Zhang Jiancheng,Wu Hongbo.A Novel MPPT Control Algorithm Based on Numerical Calculation for PV Generation Systems[C]∥IEEE 6th International of Power Electronics and Motion Control Conference,2009:2103-2107.