摘 要:擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法是目前最常用的兩種閉環(huán)控制最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法,文章先對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析,接著基于擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法,對(duì)這兩種閉環(huán)MPPT算法要點(diǎn)進(jìn)行分析,最后指出存在問(wèn)題并提出優(yōu)化的探討,具有一定的實(shí)踐意義。
關(guān)鍵詞:光伏系統(tǒng);MPPT;振動(dòng)觀察法;電導(dǎo)增量法
引言
光伏系統(tǒng)中,如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率,以使照到地面上的太陽(yáng)光子的能量盡可能被吸收轉(zhuǎn)換成電能,從而對(duì)發(fā)展清潔能源、降低不可再生能源的消耗和碳排放,具有十分重要的意義,而由此產(chǎn)生的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, 即MPPT)跟蹤技術(shù)也成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。
最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是指根據(jù)環(huán)境和負(fù)載的變化,采用一系列硬件設(shè)備和配套軟件控制方法,通過(guò)控制太陽(yáng)能光伏發(fā)電模塊輸出電壓和輸出電流,使輸出功率始終保持在光伏模塊最大輸出功率曲線上,從而最大限度發(fā)揮太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率,這對(duì)提高光伏系統(tǒng)的單位面積功率密度和降低投資成本具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)表明,光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性隨環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度以及負(fù)載變化而變化,為非線性關(guān)系,這些變化規(guī)律能通過(guò)PV(Photovoltaic,光伏)的系統(tǒng)狀態(tài)(PV電池端口電壓Upv和電流Ipv)形成控制信號(hào)。傳統(tǒng)的MPPT方法可分為開環(huán)和閉環(huán)MPPT方法,而最常用的閉環(huán)MPPT基本方法包括電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance,INC)和擾動(dòng)觀察法(Perturbation and Observation Method)?;跀_動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法的研究方法的選擇上,據(jù)國(guó)內(nèi)期刊文獻(xiàn)顯示,有文獻(xiàn)[1]基于擾動(dòng)觀察法和短路電流法對(duì)MPPT進(jìn)行研究,文獻(xiàn)[2]利用單片機(jī)檢測(cè)PV端口電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣變化的擾動(dòng)法MP
PT研究,文獻(xiàn)[3]采用零均值電導(dǎo)增量法進(jìn)行MPPT跟蹤的研究,文獻(xiàn)[4]應(yīng)用電導(dǎo)增量法對(duì)MPPT跟蹤的研究等;文章先對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析,接著基于擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法算法,對(duì)MPPT跟蹤要點(diǎn)進(jìn)行分析,然后指出存在問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化探討,最后形成結(jié)論。
1 光伏陣列的輸出特性分析
1.1 光伏陣列的電路模型[3]
太陽(yáng)能光伏陣列是利用晶體半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(光生伏特效應(yīng)),從而產(chǎn)生電能帶動(dòng)負(fù)載或?yàn)樾铍姵爻潆姟F潆姵仉娐纺P腿鐖D1所示。
圖1中:I為輸出電流,Iph為光伏模塊的光生電流,ID為暗電流, Rs為內(nèi)阻,Ish為旁路電流,Rsh為并聯(lián)旁路電阻,U為開路電壓,其接負(fù)載RL后為負(fù)載端電壓URL。
輸出負(fù)載RL上的電壓、電流關(guān)系式為:
式中:K,q分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電荷量;A為太陽(yáng)能板的理想因數(shù),可取A=1.5;T為光伏面板的溫度;Isat為太陽(yáng)能電池內(nèi)部等效二極管的P-N結(jié)的逆向飽和電流。
1.2 光伏陣列的輸出特性
從以上光伏陣列電路模型分析可知,太陽(yáng)能電池陣列的輸出參數(shù)(輸出電流、開路電壓等)是一個(gè)隨光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載等因素變化的變量。圖2為太陽(yáng)能電池在幾種測(cè)試條件下,即光照強(qiáng)度分別為1000W/m2、600W/m2、200W/m2,溫度T=25℃時(shí)的典型輸出特性。由圖2光伏電池輸出特性曲線可知,光伏電池在輸出電壓較低時(shí),其輸出電流變化很小,可視為一個(gè)直流的恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個(gè)單峰值曲線,光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化,在變化過(guò)程中存在一個(gè)最大值,即最大功率點(diǎn),如圖2所示。
2 光伏電池模塊MPPT[6]
圖3為PV電池在一定光照條件下的負(fù)載曲線和輸出特性曲線的I-U圖,由圖可見,負(fù)載線與光伏電池輸出特性曲線交于a點(diǎn),工作點(diǎn)隨光伏模塊的I-U特性和負(fù)載線的變化而變化,工作點(diǎn)不同,光伏電池輸出功率也不同。在不同的負(fù)載和環(huán)境條件下,按Pm=Um·Im輸出值最大來(lái)調(diào)整負(fù)載阻抗,使得Um·Im≈U1·I1,使光伏電能得到最大利用,從而實(shí)現(xiàn) MPPT 的控制。由圖3可知,當(dāng)只考慮光伏電池時(shí),系統(tǒng)輸出的最大功率點(diǎn)取決于光伏模塊Imax和Umax的交點(diǎn),若將光伏電池通過(guò)變換器與負(fù)載連接,其工作點(diǎn)則由負(fù)載限定。當(dāng)負(fù)載不可調(diào)節(jié)時(shí),光伏電池運(yùn)行在a點(diǎn),該點(diǎn)的輸出功率小于最大功率點(diǎn)(MPP)的輸出功率。當(dāng)負(fù)載可調(diào)節(jié)時(shí),通過(guò)檢測(cè)光伏電池的輸出U、I,計(jì)算出光伏電池輸出功率,再根據(jù)dP/dU調(diào)整Boost升壓變換器的占空比D,調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓,從而將負(fù)載電壓調(diào)節(jié)至 (U1+ΔU)處,使負(fù)載功率從a點(diǎn)右移到(a+Δa)點(diǎn)。而(a+Δa)點(diǎn)與光伏電池的MPP曲線在同一條等功率線上,此時(shí)光伏電池的輸出功率最大。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí),仍然可通過(guò)不斷調(diào)整占空比,實(shí)現(xiàn)光伏電池與 Boost 升壓變換器之間的動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配,從而實(shí)時(shí)獲得光伏電池的最大輸出功率。
3 擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法MPPT跟蹤策略要點(diǎn)分析[6][7]
3.1 擾動(dòng)觀察法MPPT跟蹤策略要點(diǎn)
擾動(dòng)觀察法通過(guò)改變光伏模塊的輸出電壓,通過(guò)控制器施加一定的擾動(dòng)增量△U,得到光伏電池在擾動(dòng)下的實(shí)時(shí)輸出功率,然后將其和上一采樣時(shí)刻的功率相比較。若大于上一時(shí)刻功率,則維持原來(lái)電壓擾動(dòng)的方向;若小于上一時(shí)刻功率,則施加反向擾動(dòng)電壓。這樣確保了光伏電池的輸出電壓向著輸出功率增大的方向變化,從而實(shí)現(xiàn) MPPT。圖4 為光伏電池輸出功率對(duì)電壓的P-U曲線。由圖可知,在MPP處的功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零;在MPP左邊導(dǎo)數(shù)為正,在MPP右邊導(dǎo)數(shù)為負(fù)。
dP/dU可表示為[6]:
式中:I/U,△I/△U 分別為電導(dǎo)和增量電導(dǎo)。
通過(guò)判斷 I/U+△I/△U 值來(lái)確定擾動(dòng)的方向。當(dāng) I/U+△I/△U>0,增大光伏模塊的電壓;當(dāng) I/U+△I/△U=0 時(shí),維持光伏模塊不變,當(dāng) I/U+△I/△U<0時(shí),減小光伏模塊電壓,從而實(shí)現(xiàn) MPPT。
振動(dòng)觀察法算法程序框圖如圖5所示。
3.2 電導(dǎo)增量法(INC法)MPPT跟蹤策略要點(diǎn)[3]
電導(dǎo)增量法是一種以控制、調(diào)整光伏電池的輸出電壓進(jìn)行MPPT的方法,它通過(guò)比較光伏電池的電導(dǎo)和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變輸出電壓參數(shù),從而使工作點(diǎn)工作在光伏電池的最大輸出功率曲線上,其算法的數(shù)學(xué)模型為:
即在最大功率點(diǎn)有:
其算法程序流程圖如圖6所示。
圖6中,U0、△U分別為光伏電池輸出電壓初值和增量;dI和dU 分別為光伏電池兩次采樣讀取的電流差值和電壓差值;U(i)和I(i)分別為光伏電池統(tǒng)第i次采樣的輸出電壓值和電流值。
4 存在問(wèn)題與優(yōu)化探討
4.1 擾動(dòng)觀察法
擾動(dòng)觀察法雖然具有計(jì)算簡(jiǎn)單,無(wú)需PV電池模塊的具體參數(shù)等優(yōu)點(diǎn),但也存在跟蹤響應(yīng)速度慢,穩(wěn)態(tài)情況下,由于不可避免的輸入誤差,會(huì)造成光伏模塊的實(shí)際工作點(diǎn)在MPP附近振蕩、波動(dòng),造成功率損失,而且在光照強(qiáng)度變化快的情況下會(huì)背離實(shí)際最大功率點(diǎn)的變化方向,造成振蕩過(guò)大跟蹤失敗。
為避免上述反應(yīng)速度慢、效率低及工作點(diǎn)波動(dòng)過(guò)大等不利情況,實(shí)踐中應(yīng)考慮對(duì)傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行改進(jìn),以提高其精度和穩(wěn)定性。例如,將光伏系統(tǒng)輸出參數(shù)的采樣信號(hào)通過(guò)DSP控制器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,充電電路采用變換器調(diào)制。利用DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集計(jì)算PV系統(tǒng)的輸出功率,通過(guò)調(diào)節(jié)電壓波型的占空比,控制變換器的半導(dǎo)體功率管開關(guān)時(shí)間,調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載的等效阻抗與太陽(yáng)能板的內(nèi)阻相匹配,從而使太陽(yáng)能板輸出最大功率?;蚪Y(jié)合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。
4.2 電導(dǎo)增量法
電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏模塊的電導(dǎo)和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào),能減小跟蹤的穩(wěn)態(tài)振蕩,精度較擾動(dòng)法精確,響應(yīng)速度較快,在溫度和(或)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),輸出電壓能以平衡的方式跟蹤其變化。但是,該方法計(jì)算復(fù)雜,對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度要求高,當(dāng)受到噪聲、測(cè)量誤差和數(shù)字控制量化誤差時(shí),該方法也無(wú)法避免最大功率點(diǎn)附近的振蕩,特別是當(dāng)外界環(huán)境變化劇烈時(shí)。
為避免上述環(huán)境影響和輸入誤差所帶來(lái)的振蕩,實(shí)踐中應(yīng)考慮對(duì)傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法進(jìn)行改進(jìn),以提高其精度和穩(wěn)定性。例如,采用零均值電導(dǎo)增量法[3],或結(jié)合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。
5 結(jié)束語(yǔ)
太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性為非線性關(guān)系,輸出特性隨外界溫度、光照和負(fù)載的變化而變化。擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法是目前最常用的閉環(huán)控制最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的兩種方法,其中擾動(dòng)觀察法雖然具有計(jì)算簡(jiǎn)單,無(wú)需PV電池模塊的具體參數(shù)等優(yōu)點(diǎn),但傳統(tǒng)單一的擾動(dòng)觀察法存在跟蹤響應(yīng)速度慢,穩(wěn)態(tài)情況下,會(huì)造成實(shí)際工作點(diǎn)的振蕩、功率損失甚至跟蹤失敗,因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)優(yōu)化算法,例如,引入DSP控制器或單片機(jī)控制調(diào)節(jié)PMW波占空比,或與其它算法結(jié)合采取綜合控制。與擾動(dòng)觀察法相比,電導(dǎo)增量法具有更小的穩(wěn)態(tài)振蕩,和更優(yōu)的精度,響應(yīng)速度較快,但該方法對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度要求高,當(dāng)受到噪聲、測(cè)量誤差和數(shù)字控制量化誤差時(shí),也無(wú)法避免最大功率點(diǎn)附近的振蕩,因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)也應(yīng)優(yōu)化算法,例如,采用零均值電導(dǎo)增量法,或結(jié)合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。
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