丁 陸，鄧秋玲,陳 可,謝吉堂

(湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101)

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額定功率下光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率控制研究

丁 陸，鄧秋玲,陳 可,謝吉堂

(湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101)

通過對光伏電池的分析，應用Matlab/simlink仿真軟件工具，建立了光伏電池的數(shù)學模型和仿真模型.基于此模型，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)效率低的問題，研究了在額定條件下光伏發(fā)電最大功率跟蹤問題.分別對最大功率跟蹤控制的兩種方法PID控制與改進擾動法控制進行了仿真，并分析了這兩種方法各自的優(yōu)缺點.仿真結(jié)果表明，PID控制的振蕩小，而改進擾動法的效率更高.

光伏發(fā)電；最大功率跟蹤；PID控制；改進擾動法控制

0 引 言

對新能源的利用是21世紀全球的一個重大課題，近年來光伏發(fā)電和風力發(fā)電兩種新能源發(fā)展迅速.隨著社會的發(fā)展，分布式發(fā)電技術的應用也會越來越廣泛，而光伏發(fā)電、風力發(fā)電等是分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分[1].因此，對新能源的研究的重要性日益突出.光伏發(fā)電經(jīng)過近年的發(fā)展開發(fā)較為成熟，相對風力發(fā)電來說光伏發(fā)電在某些方面具有自身的優(yōu)勢，比如前期建設投資相對較少、運行維護方便等，但光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低， 所以對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率跟蹤控制是必不可少的.本文基于Matlab/simlink仿真軟件工具，并在建立起光伏電池仿真模型的基礎上，在額定條件下，分別用傳統(tǒng)PID控制和目前應用廣泛的擾動法控制對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率進行了對比仿真.最后對這兩種控制算法的優(yōu)缺點進行了分析并做出展望.

1 光伏電池模型與輸出特性

1.1 光伏電池模型

光伏電池發(fā)電原理是根據(jù)半導體的光生伏打效應，由光照產(chǎn)生光生電流.等效電路如圖1所示.

圖1 光伏電池等效電路

由電路圖可知輸出電流與各參數(shù)的關系如[2]：

(1)

式中：I是太陽能電池的輸出電流；Iph是太陽能電池的光生電流；Id是流經(jīng)二極管電流；I0是 二極管反向飽和電流；Ish是流過并聯(lián)電阻Rsh的電流；Rs是太陽能電池串聯(lián)等效電阻；q是電池組電子電荷(q=1.6×101-9C )；U是電池輸出電壓；n是二極管的因子；k是波爾茲曼常數(shù)(k=1.38×10-23J/K)；T是電池溫度(標準狀態(tài)下25 ℃).

(2)

通過對太陽能電池模型的分析推理，在不同條件下的相關公式如下[3]：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 光伏電池模型仿真與輸出特性

由上述數(shù)學模型可在Matlab/simlink中建立光伏電池的仿真模型，仿真模型如圖2所示，通過對仿真模型參數(shù)的設置進行仿真，可得到光伏電池在不同條件下的輸出特性.

圖2 光伏電池仿真模

圖中T是溫度，G是光照強度，Tr、Gr、Imp.r、Isc.r、Ump.r、Uoc.r、Uoc200分別是標準條件下(光照強度為1000 W/m2，溫度為25 ℃)的參數(shù).為便于仿真，對光伏電池進行封裝，封裝模塊如圖3所示.

圖3 光伏電池封裝圖

在T=25 ℃時，不同光照強度下的輸出特性曲線如圖4所示.

圖4 T=25 ℃時，不同光照強度

當光照強度不變時，不同溫度下的輸出特性曲線如圖5所示.

圖5 光照強度G=1000 W/m2 時，不同溫度下光伏電池P-U特性曲線

由圖5可知，在溫度為298 K時，不同光照強度下光伏電池的輸出功率與光照強度是成正比.在光照強度一定，溫度變化時，隨著溫度的升高，光伏電池的輸出功率減小.從圖5的分析可知，在已知開發(fā)商所提供的數(shù)據(jù)的前提下，本文所建的光伏電池模型可以很好的對光伏電池輸出特性進行描述，該模型可以做為對光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真分析的使用模型.

2 最大功率跟蹤控制

通過圖4與圖5可知，在不同條件下系統(tǒng)輸出功率均不同，但總存在有一點輸出功率最大，這一點就是最大功率點.為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠工作在最大功率點上而提出的一系列算法就是最大功率跟蹤控制算法.最大功率跟蹤算法就是在發(fā)電過程中，不管在何種情況下，總是以輸出最大功率為目標，通過對這一過程跟蹤控制而實現(xiàn)輸出最大功率.光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率低(目前國內(nèi)最高20.5% )，因此對最大功率的輸出問題也顯得極其重要最大功率點隨外界條件變化而變化，在不同的功率點處的電壓值也是不同的，所以對最大功率點的控制研究是十分必要的.

目前，在額定情況下，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率控制主要有恒電壓法、電導增量法、擾動觀察法[4].根據(jù)戴維寧理，當外部等效電阻與內(nèi)阻相等時輸出功率最大，這幾種最大功率控制方法均是通對控制外圍斬波電路開關管的開通與關斷，從而調(diào)節(jié)外部電阻與內(nèi)阻相等以達到最大功率輸出的目的.不同的光照和負載條件采取的跟蹤方法也不同，若輸出功率超過額定值則采用負載跟蹤法[4]，這里只討論額定值以下的跟蹤方法.本文主要討論了PID與擾動法兩種最大功率控制的仿真.PID控制是傳統(tǒng)控制方法，控制算法成熟，但在非線性系統(tǒng)中很少應用.

2.1 PID控制

上述功率跟蹤控制方法中，相對于PID控制而言，有功率損失或成本過高.PID控制應用廣泛，發(fā)展成熟，且控制效果好，穩(wěn)定性強.PID控制主要由控制器與被控制對象組成，通過控制偏差e(t)，分別經(jīng)過比例、積分、微分調(diào)節(jié)，從而對被控制對象進行控制[6].PID控制器的輸入與輸出關系：

(8)

式中Kp、Ki、Kd分別是比例、積分、微分.本文中主要用的是PI控制，輸入輸出關系為：

(9)

PI控制器的兩個參數(shù)在控制被對象時分別有不同的作用，它們的取值不同會影響到系統(tǒng)的響應速度、控制精度等.

(1)Kp：Kp的作用主要是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應速度，并對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度產(chǎn)生影響.當取較大值時，響應的速度會較快，調(diào)節(jié)的精度也較高.反之會降低響應速度，對調(diào)節(jié)精度也不利.但Kp不能取過大，會產(chǎn)生超調(diào)量，使系統(tǒng)不穩(wěn)定.

(2)Ki：Ki主要是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差.當取大值時，可以很快消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差.反之，不利于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差從而影響調(diào)節(jié)精度.Ki的取值也不能過大，過大會產(chǎn)生積分飽和，引起超調(diào).

根據(jù)光伏電池的數(shù)學模型，模型參數(shù)與上述相同采用PI控制對光伏系統(tǒng)分別在T=25 ℃光照強度從1000 W/m2降到600 W/m2時以及光照強度為1000 W/m2溫度從25 ℃升到50 ℃時，兩種情況下進行最大功率跟蹤控制，仿真時間0.2 s.仿真模型如圖6所示.

圖6 PI控制最大功率跟蹤仿真模型

PWM模塊的輸出由PI控制的輸出與三角波比較而得.PWM子系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 PWM子系統(tǒng)模塊圖

2.2 擾動法控制

擾動法控制主要是通過對光伏系統(tǒng)輸出的電壓進行擾動，再觀察輸出功率的變化，進而決定下一步的控制信號[7]，以達到最大功率點的輸出.本文采用改進的擾動法功率控制，首先對電壓進行擾動，觀察輸出功率的變化，若功率增大，則繼續(xù)原來方向擾動直到輸出功率最高點.若加擾動后輸出功率減小，則相反方向擾動，尋找最大功率點.擾動法功率控制的流程圖如圖8所示.

圖8 擾動法程序流程圖

根據(jù)圖8所示流程圖可在Matlab/simulink中建立擾動法的仿真模型圖如圖9所示.

圖9 擾動法仿真模型圖

采用相同的光伏電池數(shù)學模型，為了與PI控制形成對比，參數(shù)設置與PI控制相同，建立基于擾動法功率控制的仿真模型如圖10所示.

圖10 擾動法功率控制仿真模型圖

3 仿真結(jié)果分析

通過對上述兩種控制算法的仿真建模，得到PI控制仿真結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示.其中，圖11是在T=25 ℃，G=1000 W/m2時的光伏電池輸出功率.圖12是T=25 ℃，光照強度G在仿真0.1 s后從600 W/m2增加到1000 W/m2時的光伏電池輸出電壓與輸出功率波形.圖13是G=1000 W/m2時，T從開始25 ℃在0.1 s后提高到50 ℃時的光伏電池輸出電壓與功率.

圖11 T=25 ℃，G=1000 W/m2時的光伏電池輸出功率

圖12 T=25 ℃，G變化時輸出電壓與功率

圖13 G=1000 W/m2，溫度變化時輸出電壓與功率

擾動法功率控制仿真如圖14、圖15、圖16所示.

圖14 T=25 ℃，G=1000 W/m2時的

圖15 T=25 ℃，光照強度變化時光伏系統(tǒng)輸出曲線

圖16 G=1000 W/m2溫度變化時，光伏系統(tǒng)輸出曲線

圖14是在T=25 ℃，G=1000 W/m2時的光伏電池輸出功率與占空比.圖15是T=25 ℃，光照強度G在仿真0.1 s后從600 W/m2增加到1000 W/m2時的光伏電池輸出電壓與輸出功率以及占空比波形.圖16是G=1000 W/m2時，T從開始25 ℃在0.1 s后提高到50 ℃時的光伏電池輸出電壓與功率和占空比波形.

由以上兩種方法的仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)PI控制輸出結(jié)果穩(wěn)定，波動小，能很快的跟蹤到輸出功率點并穩(wěn)定運行，在穩(wěn)定運行時基本沒有振蕩，但輸出效率不高，很難跟蹤到最大功率點運行.擾動法輸出效率高，響應速度快，可以在最大功率點附近運行，但是有波動，只能在最大功率點附近波動運行.

4 結(jié) 論

本文建立了光伏電池數(shù)學模型，在額定功率以下時，采用了兩種不同的控制方法在該模型的基礎上對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行功率控制仿真.仿真了在溫度和光照強度變化時的幾種情形，通過對DC-DC的控制，驗證兩種控方法功率跟蹤情況，并分析了傳統(tǒng)PI控制算法與改進擾動法的各自優(yōu)缺點.鑒于這兩種方法的特點，可以看出具有互補性質(zhì)，把兩種控制方法結(jié)合起來對功率跟蹤控制可以進一步進行研究.本文的仿真對光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制問題有一定的啟發(fā)作用，通過對本文的分析，可以得出更好的控制算法，從而提高發(fā)電效率.同時，本文的方法還可以推廣到其它形式的發(fā)電系統(tǒng)中，如風光互補發(fā)電系統(tǒng)等.

[1] Yun Wei Li，Ching-Nan Kao.An Accurate Power Control Strategy for Power Electronics Interfaced Distributed Generation Units Operating in a Low-Voltage Multibus Microgrid[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2009,24(12):2977-2988.

[2] Aissa Chouder，Santiago Silvestre，Nawel Sadaoui，Lazhar Rahmani.Modeling and Simulation of a Grid Connected PV System Based on the Evaluation of Main PV Module Para-meters[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2012，20:46-58.

[3] 侯金明，許 鵬.基于四參數(shù)模型的光伏陣列Matlab/Simulink仿真模型[J].可再生能源，2013，31(6)：10-14.

[4] 艾 芊，鄭志語.分布式發(fā)電與智能電網(wǎng)[M].上海：上海交通大學出版社，2012：65-74.

[5] 齊志遠，王生鐵，田桂珍.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[J].太陽能學報，2010，31(5)：654-660.

[6] 孫然然，張寅孩.基于模糊PID 控制的光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤[J].工業(yè)控制計算機，2014，27(5)：69-71.

[7] 王廈楠.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其MPPT的研究[D].江蘇：南京航空航天大學碩士學位論文，2008.

Research on Power Control of Photovoltaic Power Generation System Under the Rated Power

DING Lu,DENG Qiu-ling, CHENG Ke, XIE Ji-tang

(College of Elect. and Information，Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411101， China)

Through the analysis of the photovoltaic cells,and the application of Matlab/simlink simlation software tools,the mathematical model and simulation model of photovoltaic cells are established.Based on this mode,and aiming at the problem of low efficiency of photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking problem is studied in the rated condition photovoltaic. The two methods of the maximum power point tracking control of the PID and improved perturbation control are stimulated, The advantages and disadvantages of the two methods are analyzed respectively. The results of simulation show that，the oscillation of PID control is small, and the improved perturbation method is more efficient.

photovoltaic power generation；maximum power point tracking；PID control；improved perturbation control

2014-12-08

湖南省科技計劃項目(2012GK2079);湖南省高?？萍紕?chuàng)新平臺建設項目(12K126).

丁 陸(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：分布式風光互補發(fā)電技術.

TP391.9

A

1671-119X(2015)02-0009-06