駱 力

(安徽工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

0 引言

隨著電力需求日益增長的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)能源已經(jīng)無法滿足發(fā)展要求，必須要加大對可再生能源的開發(fā)力度，推廣綠色能源在各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用，根據(jù)目前研究和實(shí)踐成果，太陽能是值得探索和應(yīng)用的理想能源.作為傳統(tǒng)資源，國民經(jīng)濟(jì)對電力需求的依賴性越來越強(qiáng)，比如在照明中正在推廣的LED技術(shù)，都需要有穩(wěn)定的電力供應(yīng)［1～2］.因此，將太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中的用電設(shè)備，具有環(huán)保、安全、無外接電源等優(yōu)點(diǎn).

圖1 光伏電池MPPT原理圖

圖2 基于占空比D的MPPT調(diào)節(jié)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和控制器三部分組成，從功率變換的角度看，逆變部分主要是將光伏電池吸收形成的直流電，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥刂频慕涣麟?，控制器則為了滿足各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行智能調(diào)節(jié).為保證在不同環(huán)境因素下，光伏電池能夠輸出最大功率電能，滿足與電網(wǎng)饋入功率的平衡，需要在系統(tǒng)控制器中引入最大功率跟蹤技術(shù)(MPPT)［3］.通過數(shù)學(xué)建模和仿真是研究太陽能光伏電池特性的重要手段，專家學(xué)者對于光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的理論分析較為成熟，在此不再贅述，論文主要針對MPPT技術(shù)進(jìn)行研究.

圖3 擾動觀察法基本流程圖

目前，常見的MPPT算法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等，為提高算法精確度和實(shí)時性，引入不定步長的計(jì)算方法，這些對于一般單峰值的光伏陣列模型都是可以正常工作的［4～5］.但不可忽略的是，由于客觀因素，當(dāng)電池陣列中存在局部陰影導(dǎo)致出現(xiàn)多峰值點(diǎn)現(xiàn)象時，上述的MPPT算法則無法滿足要求［6～7］.為此，論文通過分析基本 MPPT 算法原理，對比各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在保證有效工作的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的PSC－MPPT算法，并驗(yàn)證了其可行性.

圖4 不同采樣時間、步長對輸出性能的影響

1 基本原理

以光伏電池工程模型為例，圖1所示即為光伏電池的最大功率跟蹤原理圖，其控制方法即為調(diào)整負(fù)載阻抗值Rload與電池輸出阻抗Rpv的匹配特性，RL為Boost逆變器輸出等效負(fù)載，Upv，Ipv為光伏電池的輸出、電流.必須指出，光伏電池的輸出阻抗Rpv值在外界環(huán)境的作用下將不斷改變，如果采取有效的方法及時人為調(diào)整負(fù)載阻抗值Rload，使其依據(jù)電池的輸出Rpv而跟隨變化，即可滿足光伏系統(tǒng)的MPPT控制［8］.假定逆變器輸入和輸出能量守恒，根據(jù)等效阻抗原理，可以求得光伏電池等效負(fù)載:

當(dāng)Rpv=時，光伏電池輸出最大功率:

因此，Boost逆變器在MPPT調(diào)節(jié)中的應(yīng)用可以理解為調(diào)整占空比D來實(shí)現(xiàn):

圖2所示為光伏電池基于占空比D的調(diào)節(jié)曲線，將MPPT算法的輸出量記為光伏電池的參考電壓電流，以求通過占空比的變化實(shí)時自適應(yīng)地調(diào)整電池電壓電流的變步長.

圖5 光伏電池I－U、P－U曲線

2 擾動觀察MPPT算法

2.1 技術(shù)原理

擾動觀察法屬于自適應(yīng)閉環(huán)控制方法，根據(jù)上述關(guān)于占空比調(diào)節(jié)的方法，按照一定的時間周期，在輸出占空比上形成一個方向的小擾動ΔD，觀察在該擾動作用下原有電壓、電流等數(shù)據(jù)的變化效果，對比擾動前后的輸出功率，判斷其增大和減小的方向，若在擾動后輸出功率降低，說明改變朝功率減小方向運(yùn)行，應(yīng)立即調(diào)整方向，若輸出變大，說明方向有效，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)添加擾動值，通過這樣不斷地?cái)_動判斷和搜索，直至尋求滿足最大功率點(diǎn)判定要求.在MPPT的最大功率點(diǎn)處，系統(tǒng)會因?yàn)檎袷幮纬赡芰繐p耗，這時可以通過減小擾動步長進(jìn)行改善，但為了保證跟蹤速度的實(shí)時性需要通過變步長擾動觀察法來實(shí)現(xiàn).

圖3為擾動觀察法基本流程圖，在實(shí)際應(yīng)用中，為防止由于外界環(huán)境變化時，擾動步長引起的功率變化不能跟蹤真實(shí)變化引起的功率變化值，可適當(dāng)增加擾動步長，對于算法中的擾動周期，通常給定的時間越短，系統(tǒng)判斷越頻繁，越容易尋求至最大功率點(diǎn)，但也會帶來系統(tǒng)計(jì)算任務(wù)偏重、計(jì)算數(shù)據(jù)交錯的問題，不利于算法的穩(wěn)定運(yùn)行.因此，根據(jù)光照變化，實(shí)時調(diào)節(jié)占空比，改變調(diào)節(jié)輸出功率，應(yīng)合理匹配擾動步長和擾動周期.

2.2 仿真分析

仿真系統(tǒng)功率等級為3KW，采取十塊電池單元五串兩并的組合方式，光伏陣列參數(shù):最大功率點(diǎn)電壓 Um=189.5V，最大功率點(diǎn)電流 Im=15.48A，開路電壓 Uoc=226.5V，短路電流 Isc=16.62A，仿真時間為3s，1.5s時光照突變由 1000W/m2變?yōu)?00W/m2，算法基于Matlab的M函數(shù)編程實(shí)現(xiàn).

圖4為研究采樣時間和擾動步長對跟蹤效果的研究.對比圖4(a)與(b)，采樣時間為0.2e～3s時，系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯增快，1.6s時刻系統(tǒng)即穩(wěn)定運(yùn)行，但由于擾動周期較短，控制過程動態(tài)交錯，系統(tǒng)運(yùn)動受到相互影響產(chǎn)生波動，采樣時間為1e～3s可以在1.65s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，占空比波形較好.對比圖4(a)與(c)，采樣時間相同，擾動步長增大，跟蹤時間變短，但引起的擾動振蕩損耗較大.

圖6 電導(dǎo)增量法流程圖

3 電導(dǎo)增量MPPT算法

3.1 技術(shù)原理

電導(dǎo)增量法相比擾動觀察法，在于量化了最大功率點(diǎn)處工作電壓和輸出功率的變化關(guān)系，尋求兩者之間變化規(guī)律，增強(qiáng)判斷效果，調(diào)節(jié)精度更高，根據(jù)P=UI，對U求導(dǎo):

根據(jù)在相同溫度、不同光照條件下的電池特性曲線分析，如圖5所示，在最大功率點(diǎn)處滿足d P/d U=0，大于0說明在曲線左側(cè)應(yīng)增大電壓值，而小于0則表示電壓值偏高，應(yīng)按照減小方向運(yùn)行.

圖7 電導(dǎo)增量法輸出性能分析

圖8 P－U特性曲線與函數(shù)C關(guān)系

上述改變均可以利用電路輸出占空比的變化進(jìn)行控制.電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于，增強(qiáng)了判斷方向的明確性，即使在光照突變的情況下，也能以平穩(wěn)的方式正常工作，但同樣也產(chǎn)生了大量的微分運(yùn) 算，具體方法如圖6所示.

圖9 改進(jìn)PSC－MPPT算法原理

3.2 仿真分析

光伏電池特性、仿真時間、光照變化參數(shù)與擾動觀察法一致，采樣時間設(shè)為1e～3s，擾動步長為0.005.考慮到在計(jì)算過程中存在多種與0比較的判據(jù)，因此增加冗余判斷，即在滿足 －ζ＜d P/d U＜ζ時，認(rèn)為d P/d U值即為零.仿真結(jié)果如圖7所示，對比分析，可以看到圖7(a)相對于圖4跟蹤效果，減小了在穩(wěn)態(tài)時最大功率點(diǎn)處的振蕩損耗，而圖7(b)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程更為穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩更小.

4 改進(jìn)PSC－MPPT算法

4.1 技術(shù)原理

在實(shí)際工作時，光伏電池陣列會出現(xiàn)局部陰影或者其他失配情況，這些突發(fā)事件在特性曲線上將表現(xiàn)為峰值階梯狀，這對于上述分析的兩種MPPT計(jì)算方法將出現(xiàn)誤判甚至無法尋求真實(shí)最大功率點(diǎn)，為此對于這種局部陰影最大功率跟蹤(PSCMPPT)技術(shù)值得分析和探索.相對于在傳統(tǒng)MPPT算法基礎(chǔ)上借助改變硬件或者添加補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)方式，論文研究了一種基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的PSC－MPPT技術(shù)，引入了局部陰影判斷法和變步長電導(dǎo)增量法.

圖10 局部遮陰后光伏電池輸出性能

為判斷是否進(jìn)行變步長計(jì)算，在此引入輸出功率對于輸出電壓的微分絕對值與光伏電池本身的功率Pn指數(shù)形成的乘積函數(shù)C，如圖8所示，C由曲線C1和C2組成，對應(yīng)極值點(diǎn)的電壓為U1和U2，當(dāng)電壓U位于U1和U2之間時采用變步長模式，其余則為定步長分析，n取值越大系統(tǒng)響應(yīng)越快.

當(dāng)n=1時，可以將d C/d U的值分為四個部分:

當(dāng)外界環(huán)境突變或者局部陰影時，式(7)將不能滿足，此時在光伏電池I－U特性曲線上作等效電導(dǎo)線1/RMPP，可以注意到，電導(dǎo)線與特性曲線的交點(diǎn)電壓等級較低，所以可依據(jù)此特征來進(jìn)行判斷調(diào)節(jié)，具體方法如圖9所示，首先進(jìn)行電池電壓Upv和電流Ipv的采樣，計(jì)算此時的瞬時阻抗Rpv，將Rpv與RMPP比較，當(dāng)Rpv小于RMPP時，應(yīng)選擇增大占空比，重新計(jì)算直至兩者相等，在完成上述判斷后，再基于變步長的電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤.

4.2 仿真分析

仿真系統(tǒng)參數(shù)與前面一致，設(shè)定變化情況為在0.4s時刻，第一與第五部分光伏組件的光照由標(biāo)準(zhǔn)遮擋為300W/m2，第二與第四部分組件由標(biāo)準(zhǔn)遮擋為600 W/m2，電池特性曲線由圖10(a)中的K1變?yōu)镵2，最大功率點(diǎn)由變?yōu)镻1變?yōu)镻2.若依據(jù)常規(guī)算法進(jìn)行判斷尋找，跟蹤局部最大功率點(diǎn)至380W左右，則形成較大的誤差，從圖10(b)可以看出，依據(jù)PSC－MPPT算法在0.55s時刻系統(tǒng)跟蹤上最大功率點(diǎn)，逐漸穩(wěn)定在500W左右，說明論文所研究的這種改進(jìn)算法可以應(yīng)對不同環(huán)境的突變，能夠在較短的時間內(nèi)及時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤，且具備較好的精確性.

5 結(jié)語

本文對光伏電池的MPPT技術(shù)進(jìn)行了研究，在MPPT技術(shù)原理分析的基礎(chǔ)上，通過對擾動觀察法以及電導(dǎo)增量法的闡述，給出了具體的算法流程，通過Matlab軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，相互對比不同算法的輸出性能，分析出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的PSC－MPPT算法，有效解決了光伏電池局部遮陰的問題，實(shí)現(xiàn)了光伏電池在不同工作環(huán)境下的最大功率點(diǎn)跟蹤，提高了工作效益，有助于光伏電池在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用.

［1］劉麗力.基于RFID技術(shù)的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)［J］.世界電力元器件，2004(9):56－57.

［2］袁學(xué)訪，鄭春霞，李貽久.太陽能LED照明系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(9):218－220.

［3］趙爭鳴，陳劍，孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［4］雷蕾.光伏系統(tǒng)不均勻光照下最大功率點(diǎn)跟蹤研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2011.

［5］陳如亮.光伏熱斑現(xiàn)象及多峰值最大功率點(diǎn)跟蹤的研究［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2010.

［6］劉邦銀，段善旭，康勇.局部陰影條件下光伏模組特性的建模與分析［J］.太陽能學(xué)報，2008，29(2):188－192.

［7］薛陽，張佳棟.部分陰影條件下的光伏陣列仿真建模與特性分析［J］.華東電力，2011，39(6):949－951.

［8］崔巖，蔡炳皇，李大勇，等.太陽能光伏模板仿真模型的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(4):829－834.