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        電導(dǎo)增量法在光伏系統(tǒng)MPPT中的研究

        2013-08-16 01:08:00季亞鵬孫萬鵬
        關(guān)鍵詞:輸出特性電導(dǎo)增量

        季亞鵬,付 蓉,孫萬鵬

        (南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化院,江蘇 南京210023)

        在光伏系統(tǒng)中,光伏電池具有非線性特征,并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度影響較大。為了提高效率,目前廣泛采用的技術(shù)是最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(maximum power point tracking)。為了達(dá)到更好的穩(wěn)定性和更快的跟蹤速度,光伏電池MPPT控制一般選用電壓控制方式。其中Boost電路采用的是輸入端電壓控制方式,即在輸出端電壓基本恒定的情況下,通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸入端電壓。

        [1-3]對電導(dǎo)增量法在MPPT中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)地論述,但缺少對最大功率點(diǎn)的跟蹤過程及Boost升壓電路的分析。本文首先分析了光伏電池的輸出特性,然后通過Matlab/Simulink建立了整個(gè)光伏系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。分析了定步長電導(dǎo)增量法中步長的取值對系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的影響,并且闡述了在該方法下功率輸出出現(xiàn)振蕩的原因,使用變步長的電導(dǎo)增量法,改善了定步長的缺點(diǎn)。最后考慮外部環(huán)境的變化,對仿真結(jié)果作出了詳細(xì)的分析,通過其P-V曲線,再現(xiàn)了系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的整個(gè)過程。

        1 光伏電池特性

        1.1 光伏電池理論模型

        光伏電池等效電路如圖1所示[1]。

        圖1 光伏電池等效電路

        設(shè)定圖中所示的電壓、電流正方向,可以得出光伏電池的I-V方程為:

        在式 (1)中,Iq為光電流;Isat為二極管反向飽和電流;q為電子電荷 (1.6×1019C);K為玻耳茲曼常數(shù) (1.38×10-23J/K);T為絕對溫度;A為二極管因數(shù);Rs為串聯(lián)電阻;Rp為并聯(lián)電阻。

        1.2 光伏電池輸出特性

        由于光伏元件為非線性元件,不能用一個(gè)固定的數(shù)值或簡單的方程式來表示其電壓與電流之間的關(guān)系。所以,光伏電池的輸出特性可用曲線的形式表示[4],如圖2所示。

        圖2 光伏電池的輸出特性曲線

        圖中 Isc、Voc、Im、Vm和 Pm分別為太陽電池的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓和最大功率點(diǎn)功率。由圖2可知,在光伏電池的輸出電壓比較小時(shí),輸出電流的變化量也非常小。隨著輸出電壓的上升,輸出電流逐漸減小,當(dāng)輸出電壓上升到一定值時(shí),輸出電流急劇下降,在這個(gè)過程中,存在一個(gè)最大功率點(diǎn)Pm,在此點(diǎn)工作的太陽能電池輸出功率最大。

        2 用于MPPT的Boost電路原理

        最大功率跟蹤控制中常用的DC/DC變換器是Buck和Boost電路。由于Buck電路的輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)下,若不加入儲能電容,則光伏電池工作時(shí)斷時(shí)續(xù),不能處于最佳工作狀態(tài)。相比之下,Boost電路只要輸入電感足夠大,可始終工作在輸入電流連續(xù)狀態(tài)??紤]到實(shí)際使用的光伏電池輸出電壓不高,則采用Boost升壓電路比較合適[5]。

        由圖3可知,Boost電路是由功率開關(guān) S、二極管 D、電感L、電容C和負(fù)載電阻R構(gòu)成。Boost電路輸入輸出電壓關(guān)系為:

        圖3 Boost升壓電路原理圖

        由于占空比D恒小于1,所以輸出電壓始終大于輸入電壓,故該變換器稱為升壓變換器。

        3 MPPT算法

        MPPT算法是一個(gè)自尋優(yōu)的過程[6]。通過實(shí)時(shí)檢測光伏電池的輸出電壓與電流,不斷改變系統(tǒng)工作點(diǎn),比較光伏陣列前后的功率輸出情況,從而逐步搜索出當(dāng)前陣列的最大功率點(diǎn)。

        3.1 定步長電導(dǎo)增量法

        由圖2可知,太陽能電池P-V特性是一單峰值曲線,電壓由零逐漸增大,dP/dV的數(shù)值由大于零變到小于零,當(dāng)dP/dV=0時(shí)取得最大功率Pm。

        對P=VI,兩邊同時(shí)對V求導(dǎo)得:

        式(4)為在MPP處的條件。圖4為固定步長電導(dǎo)增量法的流程圖,圖中ΔD的大小固定使得不能同時(shí)兼顧MPPT的快速性和穩(wěn)定性。

        圖4 定步長電導(dǎo)增量法控制流程圖

        3.2 變步長電導(dǎo)增量法

        理論上,電導(dǎo)增量法能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤,但實(shí)際中由于系統(tǒng)一般處于動(dòng)態(tài)過程,dP/dV為0的情況很少出現(xiàn),所以即使在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中也存在一定的振蕩。而變步長的電導(dǎo)增量法能改善這一問題。而且占空比跟蹤步長可變,其中變步長的系數(shù)取自dP/dV的絕對值;當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP時(shí),加大步長,加快跟蹤速度;當(dāng)工作點(diǎn)在MPP附近時(shí),減小步長,以減小波動(dòng)導(dǎo)致的功率損失。所以變步長電導(dǎo)增量法可表述為:

        式中,k為占空比變化固定分量,A為步長控制常數(shù)。

        4 仿真結(jié)果及分析

        設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1 kw/m2和常溫25℃。在初始條件下,設(shè)定電導(dǎo)增量法步長為0.01,測得其到達(dá)相對穩(wěn)定的狀態(tài)所需時(shí)間為5 ms。把步長設(shè)為0.001后,測得其到達(dá)相對穩(wěn)定的狀態(tài)所需時(shí)間為32 ms。兩次仿真波形如圖5所示。由此可見,定步長電導(dǎo)增量法只能使得系統(tǒng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近,在其周圍振蕩,只是步長不同振蕩幅度不同而已。

        雖然當(dāng)步長比較小時(shí),系統(tǒng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近的時(shí)間變長,但是系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近工作時(shí)的振蕩比較小,對系統(tǒng)功率的損失影響比較小。當(dāng)步長比較大時(shí),雖然系統(tǒng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近的速度比較快,但是當(dāng)系統(tǒng)保持在最大功率點(diǎn)附近工作時(shí),功率振蕩比較大。經(jīng)過以上分析可得,步長較大時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比較好;步長較小時(shí),系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比較好。所以,固定步長電導(dǎo)增量法不能同時(shí)兼顧MPPT的快速性和穩(wěn)定性。采用變步長的電導(dǎo)微增法可以有效改善這種情況。

        為了研究溫度和光照強(qiáng)度變化對MPPT算法的影響,分別改變溫度和光照,得出光伏電池電壓、電流的仿真波形如圖6所示。

        當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí),系統(tǒng)在0.03 s時(shí)給外界溫度一個(gè)擾動(dòng),由25℃突變?yōu)?50℃,輸出電壓和電流的波形分別如圖 6(a)、(b)中標(biāo)號為 1的曲線所示。可見,溫度的改變對于最佳工作電壓影響較大,對最佳工作電流影響較小,符合太陽能電池輸出特性。

        當(dāng)溫度不變時(shí),系統(tǒng)在0.03 s時(shí)給外界光照強(qiáng)度一個(gè)擾動(dòng),由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2,輸出電壓和電流的波形分別如圖 6(a)、(b)中標(biāo)號為 2的曲線所示??梢姡庹盏母淖儗ψ罴压ぷ麟娏饔绊戄^大,電流隨光照減弱而減小,對最佳工作電壓影響較小,符合光伏電池的輸出特性。

        通過Matlab/Simulink的仿真分析得出,電導(dǎo)增量法在最大功率點(diǎn)附近都有一定的振蕩,而變步長電導(dǎo)增量法能大幅度減小在最大功率點(diǎn)附近的振蕩。在外界環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下,變步長電導(dǎo)增量法控制具有良好的穩(wěn)定性,使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn);當(dāng)外界環(huán)境突變時(shí),變步長電導(dǎo)增量法能準(zhǔn)確快速地跟蹤到太陽電池的MPP,具有良好的快速性。

        參考文獻(xiàn)

        [1]湯濟(jì)澤,王叢嶺,房學(xué)法.一種基于電導(dǎo)增量法的MPPT實(shí)現(xiàn)策略[J].電力電子技術(shù),2011,45(4):73-75.

        [2]原敬磊,張建成.一種改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量光伏電源MPPT 控制方法[J].電網(wǎng)與清潔能源,2012,28(1):75-79.

        [3]董密,楊建,彭可,等.光伏系統(tǒng)的零均值電導(dǎo)增量最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(21):48-53.

        [4]MUTOH N, OHNO M, INOUE T.A method for MPPT controlwhile searching forparameters corresponding to weather conditionsforPV generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53 (4):1055-1065.

        [5]GLASNER I.Advantage of boost vs buck top-ology for maximum power point tracker in PV system[R].Nineteenth Convention of Electrical and Electronics Engineers.1996:335-358.

        [6]HUSSEIN K H.Maximum photovoltaic power tracking:an algorithm for rapidly changing atm- ospheric conditions [J]. IEEE Proceedings of Generation Transmission and Distribution, 1995, 142(1): 59-64.

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