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        基于閉環(huán)控制的光伏系統(tǒng)MPPT要點綜述

        2016-12-31 00:00:00邱朝斌
        科技創(chuàng)新與應用 2016年13期

        摘 要:擾動觀察法和電導增量法是目前最常用的兩種閉環(huán)控制最大功率點跟蹤(MPPT)算法,文章先對光伏陣列的輸出特性進行分析,接著基于擾動觀察法和電導增量法,對這兩種閉環(huán)MPPT算法要點進行分析,最后指出存在問題并提出優(yōu)化的探討,具有一定的實踐意義。

        關鍵詞:光伏系統(tǒng);MPPT;振動觀察法;電導增量法

        引言

        光伏系統(tǒng)中,如何提高光伏電池的轉換效率,以使照到地面上的太陽光子的能量盡可能被吸收轉換成電能,從而對發(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,而由此產生的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, 即MPPT)跟蹤技術也成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一個重要方向。

        最大功率點跟蹤(MPPT)是指根據環(huán)境和負載的變化,采用一系列硬件設備和配套軟件控制方法,通過控制太陽能光伏發(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)揮太陽能光伏電池的光電轉化效率,這對提高光伏系統(tǒng)的單位面積功率密度和降低投資成本具有重要意義。

        實驗表明,光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性隨環(huán)境溫度、光照強度以及負載變化而變化,為非線性關系,這些變化規(guī)律能通過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。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基本方法包括電導增量法(Incremental Conductance,INC)和擾動觀察法(Perturbation and Observation Method)?;跀_動觀察法和電導增量法的研究方法的選擇上,據國內期刊文獻顯示,有文獻[1]基于擾動觀察法和短路電流法對MPPT進行研究,文獻[2]利用單片機檢測PV端口電壓實現對天氣變化的擾動法MP

        PT研究,文獻[3]采用零均值電導增量法進行MPPT跟蹤的研究,文獻[4]應用電導增量法對MPPT跟蹤的研究等;文章先對光伏陣列的輸出特性進行分析,接著基于擾動觀察法和電導增量法算法,對MPPT跟蹤要點進行分析,然后指出存在問題并進行優(yōu)化探討,最后形成結論。

        1 光伏陣列的輸出特性分析

        1.1 光伏陣列的電路模型[3]

        太陽能光伏陣列是利用晶體半導體在受到光照射時產生電動勢(光生伏特效應),從而產生電能帶動負載或為蓄電池充電。其電池電路模型如圖1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為內阻,Ish為旁路電流,Rsh為并聯旁路電阻,U為開路電壓,其接負載RL后為負載端電壓URL。

        輸出負載RL上的電壓、電流關系式為:

        式中:K,q分別為波爾茲曼常數和電子電荷量;A為太陽能板的理想因數,可取A=1.5;T為光伏面板的溫度;Isat為太陽能電池內部等效二極管的P-N結的逆向飽和電流。

        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,太陽能電池陣列的輸出參數(輸出電流、開路電壓等)是一個隨光照強度、溫度以及負載等因素變化的變量。圖2為太陽能電池在幾種測試條件下,即光照強度分別為1000W/m2、600W/m2、200W/m2,溫度T=25℃時的典型輸出特性。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,其輸出電流變化很小,可視為一個直流的恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線,光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化,在變化過程中存在一個最大值,即最大功率點,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載曲線和輸出特性曲線的I-U圖,由圖可見,負載線與光伏電池輸出特性曲線交于a點,工作點隨光伏模塊的I-U特性和負載線的變化而變化,工作點不同,光伏電池輸出功率也不同。在不同的負載和環(huán)境條件下,按Pm=Um·Im輸出值最大來調整負載阻抗,使得Um·Im≈U1·I1,使光伏電能得到最大利用,從而實現 MPPT 的控制。由圖3可知,當只考慮光伏電池時,系統(tǒng)輸出的最大功率點取決于光伏模塊Imax和Umax的交點,若將光伏電池通過變換器與負載連接,其工作點則由負載限定。當負載不可調節(jié)時,光伏電池運行在a點,該點的輸出功率小于最大功率點(MPP)的輸出功率。當負載可調節(jié)時,通過檢測光伏電池的輸出U、I,計算出光伏電池輸出功率,再根據dP/dU調整Boost升壓變換器的占空比D,調節(jié)光伏電池的輸出電壓,從而將負載電壓調節(jié)至 (U1+ΔU)處,使負載功率從a點右移到(a+Δa)點。而(a+Δa)點與光伏電池的MPP曲線在同一條等功率線上,此時光伏電池的輸出功率最大。當外界環(huán)境變化時,仍然可通過不斷調整占空比,實現光伏電池與 Boost 升壓變換器之間的動態(tài)負載匹配,從而實時獲得光伏電池的最大輸出功率。

        3 擾動觀察法和電導增量法MPPT跟蹤策略要點分析[6][7]

        3.1 擾動觀察法MPPT跟蹤策略要點

        擾動觀察法通過改變光伏模塊的輸出電壓,通過控制器施加一定的擾動增量△U,得到光伏電池在擾動下的實時輸出功率,然后將其和上一采樣時刻的功率相比較。若大于上一時刻功率,則維持原來電壓擾動的方向;若小于上一時刻功率,則施加反向擾動電壓。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,從而實現 MPPT。圖4 為光伏電池輸出功率對電壓的P-U曲線。由圖可知,在MPP處的功率對電壓的導數為零;在MPP左邊導數為正,在MPP右邊導數為負。

        dP/dU可表示為[6]:

        式中:I/U,△I/△U 分別為電導和增量電導。

        通過判斷 I/U+△I/△U 值來確定擾動的方向。當 I/U+△I/△U>0,增大光伏模塊的電壓;當 I/U+△I/△U=0 時,維持光伏模塊不變,當 I/U+△I/△U<0時,減小光伏模塊電壓,從而實現 MPPT。

        振動觀察法算法程序框圖如圖5所示。

        3.2 電導增量法(INC法)MPPT跟蹤策略要點[3]

        電導增量法是一種以控制、調整光伏電池的輸出電壓進行MPPT的方法,它通過比較光伏電池的電導和瞬間電導來改變輸出電壓參數,從而使工作點工作在光伏電池的最大輸出功率曲線上,其算法的數學模型為:

        即在最大功率點有:

        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 存在問題與優(yōu)化探討

        4.1 擾動觀察法

        擾動觀察法雖然具有計算簡單,無需PV電池模塊的具體參數等優(yōu)點,但也存在跟蹤響應速度慢,穩(wěn)態(tài)情況下,由于不可避免的輸入誤差,會造成光伏模塊的實際工作點在MPP附近振蕩、波動,造成功率損失,而且在光照強度變化快的情況下會背離實際最大功率點的變化方向,造成振蕩過大跟蹤失敗。

        為避免上述反應速度慢、效率低及工作點波動過大等不利情況,實踐中應考慮對傳統(tǒng)的擾動觀察法進行改進,以提高其精度和穩(wěn)定性。例如,將光伏系統(tǒng)輸出參數的采樣信號通過DSP控制器進行閉環(huán)反饋控制,充電電路采用變換器調制。利用DSP控制器的A/D轉換器實時采集計算PV系統(tǒng)的輸出功率,通過調節(jié)電壓波型的占空比,控制變換器的半導體功率管開關時間,調整系統(tǒng)負載的等效阻抗與太陽能板的內阻相匹配,從而使太陽能板輸出最大功率?;蚪Y合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

        4.2 電導增量法

        電導增量法通過比較光伏模塊的電導和瞬間電導來改變控制信號,能減小跟蹤的穩(wěn)態(tài)振蕩,精度較擾動法精確,響應速度較快,在溫度和(或)光照強度發(fā)生變化時,輸出電壓能以平衡的方式跟蹤其變化。但是,該方法計算復雜,對參數檢測精度要求高,當受到噪聲、測量誤差和數字控制量化誤差時,該方法也無法避免最大功率點附近的振蕩,特別是當外界環(huán)境變化劇烈時。

        為避免上述環(huán)境影響和輸入誤差所帶來的振蕩,實踐中應考慮對傳統(tǒng)的電導增量法進行改進,以提高其精度和穩(wěn)定性。例如,采用零均值電導增量法[3],或結合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

        5 結束語

        太陽能光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性為非線性關系,輸出特性隨外界溫度、光照和負載的變化而變化。擾動觀察法和電導增量法是目前最常用的閉環(huán)控制最大功率點跟蹤(MPPT)的兩種方法,其中擾動觀察法雖然具有計算簡單,無需PV電池模塊的具體參數等優(yōu)點,但傳統(tǒng)單一的擾動觀察法存在跟蹤響應速度慢,穩(wěn)態(tài)情況下,會造成實際工作點的振蕩、功率損失甚至跟蹤失敗,因此實際應用時應優(yōu)化算法,例如,引入DSP控制器或單片機控制調節(jié)PMW波占空比,或與其它算法結合采取綜合控制。與擾動觀察法相比,電導增量法具有更小的穩(wěn)態(tài)振蕩,和更優(yōu)的精度,響應速度較快,但該方法對參數檢測精度要求高,當受到噪聲、測量誤差和數字控制量化誤差時,也無法避免最大功率點附近的振蕩,因此實際應用時也應優(yōu)化算法,例如,采用零均值電導增量法,或結合其它方法,采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

        參考文獻

        [1]劉軍,張成林.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤算法的研究[J].青島科技大學學報(自然科學版),2012,2,33(1):78-81.

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        [3]董密,楊建,彭可,等.光伏系統(tǒng)的零均值電導增量最大功率點跟蹤控制[J].中國機電工程學報,2010,7,30(21):48-53.

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