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(三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210012)

1 引言

在當(dāng)今世界能源危機(jī)以及各國(guó)大力倡導(dǎo)新能源開(kāi)發(fā)的大背景下，太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受到重視。而光伏發(fā)電就是太陽(yáng)能利用的重要形式，并且隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷提高，光伏發(fā)電將成為最有潛力的發(fā)電技術(shù)之一，這一觀(guān)點(diǎn)已成為全世界的共識(shí)。光伏發(fā)電是利用光伏電池接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。與常規(guī)發(fā)電技術(shù)(水力發(fā)電、火力發(fā)電等)和其他綠色發(fā)電技術(shù)(風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等)相比較，光伏發(fā)電有以下優(yōu)勢(shì)[1]：

(1)太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽(yáng)能比人類(lèi)生產(chǎn)生活實(shí)際消耗大6000倍；且光伏發(fā)電安全可靠，能避免能源危機(jī)以及煤、石油等燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定因素的沖擊。

(2)任何地方都有太陽(yáng)能，因此，太陽(yáng)能不像煤炭、石油等能源一樣需要運(yùn)輸，更不會(huì)被任何人、任何國(guó)家和地區(qū)所壟斷，運(yùn)行成本較低。

(3)發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生工業(yè)三廢，綠色、低碳、環(huán)保。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)

對(duì)于光伏陣列來(lái)說(shuō)，其輸出功率會(huì)受到外界環(huán)境(光照度、溫度等)的影響，且光伏陣列的輸出電壓不同時(shí)輸出功率也將隨之改變，但系統(tǒng)只有在最大功率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)才能充分利用太陽(yáng)能，因此，需要對(duì)光伏陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)以使光伏陣列以最大功率輸出。所謂MPPT技術(shù)就是以人為的方法控制光伏陣列在最大功率點(diǎn)輸出運(yùn)行的技術(shù)手段。擾動(dòng)觀(guān)察法是一種人為的改變光伏陣列的工作點(diǎn)、根據(jù)對(duì)比改變前后光伏陣列的輸出功率的變化來(lái)確定最大功率跟蹤方向的一種自尋優(yōu)方法。該方法在外部環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)，將出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。在光照度變化不是持續(xù)且劇烈的情況下，擾動(dòng)觀(guān)察法能夠進(jìn)行自我修正，找到正確的功率跟蹤方向，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

本文將詳細(xì)分析基于擾動(dòng)觀(guān)察法的改進(jìn)方法。其中利用最多的是變步長(zhǎng)的思想，即在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的區(qū)域使用較大的步長(zhǎng)工作，可以提高跟蹤速度；在靠近最大功率點(diǎn)的區(qū)域使用較小的步長(zhǎng)工作，可以提高跟蹤精度。變步長(zhǎng)的方法不僅可以避免光伏陣列長(zhǎng)時(shí)間工作在非MPP區(qū)域，又可以減少能量損失。

2 光伏電池模型分析

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛使用硅光伏電池作為其光電轉(zhuǎn)換器件，該光伏電池相當(dāng)于一個(gè)大的二極管，其等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池板的等效電路圖

圖中，Iph為光伏電池中由光能激發(fā)的電流，它取決于光照度、溫度等因素；Id為二極管電流；Rsh為旁漏電阻，是由電池不清潔或電池內(nèi)部缺陷造成的；Rs為串聯(lián)電阻；IPV為光伏電池的輸出電流，UPV為輸出電壓。由圖2可知輸出電流IPV可表述為:

(1)

一般來(lái)說(shuō)，光伏電池的串聯(lián)等效電阻Rs很小，而并聯(lián)等效電阻Rsh很大。由于Rsh一般為數(shù)千歐姆且并聯(lián)在電路中，故在進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)可作開(kāi)路處理，則理想的光伏電池特性為：

(2)

輸出電壓UPV可寫(xiě)成表達(dá)式：

(3)

式(1)～(3)中的參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 光伏電池板的等效電路參數(shù)表

從式(2)和(3)可以看出光照度和環(huán)境溫度對(duì)光伏電池板的輸出特性有非常直接的影響。在Matlab仿真平臺(tái)上搭建光伏組件模型，仿真分析不同溫度和光照情況下光伏組件的輸出特性和功率特性，得到圖3和圖4所示的一系列曲線(xiàn)。

通過(guò)數(shù)據(jù)抓取，共采集超過(guò)5157萬(wàn)條數(shù)據(jù)，收集海淀區(qū)六大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的7852個(gè)行業(yè)崗位，崗位覆蓋38個(gè)細(xì)分行業(yè)，10681家海淀區(qū)六大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)企業(yè)。

圖3 溫度T=25℃條件下，改變光照強(qiáng)度時(shí)I-U、P-U特性曲線(xiàn)對(duì)比圖

綜上所述，光伏電池的輸出功率在不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下會(huì)發(fā)生較大變化，且可以看出光伏電池既不是恒壓源，也不是恒流源，而是一個(gè)非線(xiàn)性直流電源。

圖4 光照強(qiáng)度S=10000W/m2條件下，改變溫度時(shí)I-U、P-U特性曲線(xiàn)對(duì)比圖

3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法

擾動(dòng)觀(guān)察法(Perturbation and Observation method，P&O)是實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的自尋優(yōu)類(lèi)方法，屬于自尋優(yōu)類(lèi)算法之一。擾動(dòng)觀(guān)察法因其原理簡(jiǎn)單易懂、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量的參數(shù)較少等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在光照強(qiáng)度變化緩慢的情況下，該方法具有較好的跟蹤效果。其基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓(或電流)，然后觀(guān)察光伏電池輸出功率的變化[3]，若輸出功率增大，則可保持?jǐn)_動(dòng)方向不變；若輸出功率減小，則改變擾動(dòng)方向，最終使光伏電池工作在MPP。擾動(dòng)觀(guān)察法的具體工作流程圖如圖5所示。

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法使用的是固定步長(zhǎng)值進(jìn)行擾動(dòng)以此跟蹤MPP，使用較大的步長(zhǎng)值可以提高系統(tǒng)的跟蹤速度，卻增大了振蕩幅度而使精度下降；使用較小的步長(zhǎng)值可以確保系統(tǒng)的精度，卻使速度減緩了，不管是哪種情況最終都將造成系統(tǒng)的能量損耗。為此，提出了變步長(zhǎng)的思路。以基于Boost電路的擾動(dòng)觀(guān)察法進(jìn)行說(shuō)明，如圖6所示。

Ta為擾動(dòng)周期，擾動(dòng)變量取為占空比D[2]。當(dāng)占空比D受到擾動(dòng)時(shí)，ΔD表示占空比每次擾動(dòng)改變的值：

圖5 擾動(dòng)觀(guān)察法的流程圖

圖6 基于Boost電路的光伏電池最大功率跟蹤原理圖

D((k+1)Ta)=D(kTa)±ΔD

=D(kTa)+{D(kTa)-D[(k-1)Ta]}sign{P[(k+1)Ta]-P(kTa)}

(4)

給占空比一個(gè)ΔD的擾動(dòng)時(shí)，經(jīng)線(xiàn)性化處理后得輸出電壓響應(yīng)和輸出功率響應(yīng)：

(5)

(6)

若光照和溫度不發(fā)生劇變時(shí)，式中ΔUd和ΔId表示由占空比擾動(dòng)引起電壓電流變化值，文獻(xiàn)[2]中推導(dǎo)出由占空比變化引起的功率變化ΔPd為：

(7)

外界環(huán)境變化引起的電壓變化ΔUd與工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓UMPP相比可以忽略，可得由光照變化引起的功率變化ΔPs為：

ΔPs=UMPPΔIs+ΔUdΔIs≈UMPPΔIs=UMPPKΔS

(8)

ΔIs為光伏電池的電流變化值，ΔS為光照度變化值，k為一個(gè)材料相關(guān)常數(shù)，通常k=6.895×10-3A·m2/W。不因外界環(huán)境變化而失敗的條件是|ΔPd|>|ΔPs|，即

(9)

所以擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔD需滿(mǎn)足以下約束條件：

(10)

通常ΔS=50W/(m2s)，計(jì)算可得ΔDmin≈0.001。

4 仿真驗(yàn)證

本文實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，此處給出仿真驗(yàn)證。為驗(yàn)證本文所提方法的可行性和有效性，利用MATLAB中的Simulink工具搭建了基于Boost電路的光伏陣列控制電路，如圖7所示。將本文所提方法用MATLAB中S-Function進(jìn)行程序化實(shí)現(xiàn)，Boost輸出負(fù)載接入39Ω電阻，采樣時(shí)間1e-3s，光照強(qiáng)度為1000W/m2。

圖7 Matlab仿真系統(tǒng)圖

對(duì)比圖8和圖9發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用大擾動(dòng)步長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)的跟蹤時(shí)間短，但較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)也帶來(lái)了擾動(dòng)振蕩損耗。圖10為改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法，該算法的判斷原則是當(dāng)輸出功率變化大于2W時(shí)選用大步長(zhǎng)0.008，否則選用小步長(zhǎng)0.004，穩(wěn)定后振蕩幅度較小，跟蹤精度明顯提高，跟蹤時(shí)間較快。所以在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)能力以及跟蹤精度來(lái)選擇合適的擾動(dòng)步長(zhǎng)，以使系統(tǒng)的綜合性能更好。

圖8 固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法，擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.004時(shí)光伏電池輸出功率波形

圖9 固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法，擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.008時(shí)光伏電池輸出功率波形

圖10 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法光伏電池輸出功率波形

5 結(jié)論

本文提出了一種變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法，該控制方法運(yùn)算簡(jiǎn)單、跟蹤精度明顯提高，跟蹤速度較快、便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的可行性和有效性。

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