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        光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點的跟蹤

        2018-01-18 13:09:17萬莉
        電子技術(shù)與軟件工程 2017年21期

        摘 要并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT跟蹤裝置使光伏陣列持續(xù)工作在MPP上。MPPT隨著外界因素條件發(fā)生改變?nèi)フ{(diào)整擾動步長以控制光伏陣列始終工作在MPP點。

        【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng) MPP MPPT

        在傳統(tǒng)化石能源短缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天,開發(fā)低污染、安全、環(huán)保的光伏發(fā)電系統(tǒng)是迫切所需。光伏電池是一種不穩(wěn)定的電源,光伏陣列的輸出功率受太陽光輻照度、溫度、元器件老化一起光伏電池材料等因素影響很大,光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流和輸出電壓間呈非線性關(guān)系,運用光伏系統(tǒng)最大功率點的跟蹤技術(shù)來提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體效率。在一定光照與溫度的外界條件下,光伏組件在不同的電壓下工作,但只有在某一個電壓值時,光伏陣列可以達到最大輸出功率,那么這個點就叫做最大功率點,簡稱MPP。那么在不同光照與溫度的外界條件下不斷調(diào)整光伏組件的工作點,讓其始終工作在MPP上,這一技術(shù)稱之為最大功率點的跟蹤,英文簡稱MPPT。

        1 光伏電池最大功率點跟蹤原理

        MPPT跟蹤裝置是一種高效的DC-DC變換器,為太陽能面板產(chǎn)生合適的電壓并提供一個最優(yōu)的電力負荷。MPPT的目標(biāo)是讓光伏發(fā)電系統(tǒng)實時輸出功率達到最大值,發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大效率,因此MPPT是光伏發(fā)電系統(tǒng)運行控制中的一項至關(guān)重要的技術(shù)。

        當(dāng)光伏陣列的電壓值V 和電流值I 的乘積得到最大值,那么這個工作點即為MPP,它所對應(yīng)的V/I值是一個特殊的阻值。光伏陣列的V和I成指數(shù)關(guān)系,功率曲線的拐點就是MPP,該點的阻值等于V/I=-dV/dI電阻微分的負數(shù)。

        在傳統(tǒng)系統(tǒng)中每塊光伏電池流過的電流相同,電流的大小由逆變器來控制。由于生產(chǎn)時的誤差、部分被遮擋等原因,不同的光伏發(fā)電板I-V特性有不同,所以它們的最大功率點也不一樣,一些光伏發(fā)電板達不到MPP,導(dǎo)致了能量的損失。一些太陽能研發(fā)公司將峰值功率點轉(zhuǎn)換器植入到每塊光伏發(fā)電板中,這樣不管形狀是否平整、是否有遮擋都能使每塊光伏發(fā)電板工作在MPP。

        對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說,公共電網(wǎng)就相當(dāng)于是一個無線容量的電池,電網(wǎng)可以吸收掉富余的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,而且能在陰雨天或是晚上等光伏發(fā)電量不足的時候補充電量,儲能電池的作用是在電網(wǎng)停電時作備用。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT跟蹤裝置使光伏陣列持續(xù)工作在MPP上,如果儲能元件充滿電或電網(wǎng)停電同時光伏發(fā)電量大于負載的需求量,此時光伏陣列就不能工作在MPP,與未接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)一樣。

        MPPT技術(shù)考慮的問題是在一定的輻照度和溫度的條件下自動找到Vmpp或者Impp,在這個電壓或者電流下的光伏陣列可以獲得最大輸出功率Pmpp。在有陰影的環(huán)境條件下,可能會有多個局部最大值,但總體來說還是會有一個MPP。

        2 光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)

        隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展MPPT技術(shù)多種多樣,其中增量電導(dǎo)法和微擾觀察法這兩種基于功率測量的MPPT技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

        2.1 增量電導(dǎo)法

        根據(jù)dI/dU和-I/U之間的關(guān)系來調(diào)整工作電壓實現(xiàn)最大功率點跟蹤。通過測量增量值與電導(dǎo)值滿足符合公式時,說明已達到MPP,即不繼續(xù)擾動,以上是增量電導(dǎo)法的工作原理。

        當(dāng)傳感器的精確度有限時,滿足dI/dU=-I/U的概率是很有限的,不可避免的產(chǎn)生誤差,實現(xiàn)有困難。電導(dǎo)增量法是通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)對光伏陣列電壓的控制,以實現(xiàn)MPPT。

        2.2 恒定電壓控制法

        恒定電壓控制法CVT的控制原理是將光伏陣列的輸出電壓控制在功率-電壓曲線上MPP附近的Umax處,這時光伏陣列相當(dāng)于工作在MPP,從生產(chǎn)廠家處得到Umax的值,使光伏陣列的輸出鉗位電壓在Umax值,控制簡單,易于實現(xiàn)。

        CVT不是真正意義上的MPPT,它屬于固定電壓控制,且局限性較大,氣候、溫度等外界因素變化較大時會引起光伏陣列無法做到實時輸出最大功率,光伏陣列工作效率不高,可通過手工調(diào)節(jié)、根據(jù)溫度表查詢調(diào)節(jié)以及參考電池法來輔助調(diào)整光伏陣列的最佳工作點。

        2.3 微擾觀察法

        微擾觀察法又稱爬山法,測試的項目參數(shù)不多,因此該方法的應(yīng)用度最廣。循環(huán)增大或是降低負載的數(shù)值,以此來調(diào)整光伏陣列輸出P和U,進一步比較負載變化前與變化后的輸出P和U的數(shù)值,通過DSP計算出結(jié)果,決定接下來如何調(diào)整負載。如果P較之前變大,則負載按現(xiàn)行方向調(diào)整,這樣保證了太陽能輸出功率朝升高的趨勢調(diào)整;反之亦然,若P較之前要小,則負載按現(xiàn)行的反向調(diào)整,即需要在下一周期改變負載變動的方向。通過周期性的擾動、觀察和對比,使光伏陣列工作在MPP點處,這是微擾觀察法的基本動作原理。

        微擾觀察法是通過循環(huán)調(diào)整光伏陣列輸出的U和P來跟蹤MPP,當(dāng)達到Pmax后,擾動繼續(xù)在Pmax點附近波動,這樣會降低光伏光伏陣列的工作效率,損耗電能,在氣候等外界因素條件變化不大時,電能的損耗越大。

        2.4 三點比較法

        三點比較法利用軟件編程通過不斷調(diào)整電壓步長ΔU對MPP進行控制,利用閾值ε判斷是否在最佳工作點。這種方法在光伏組件P-U特性曲線峰值周圍按順序取參考點A、B、C,UA、UB、UC和PA、PB、PC分別對應(yīng)各個參考點,假設(shè)UB為初始MPP處的Umax,UD是預(yù)設(shè)常量,取值UD=0.3ΔU,用來調(diào)整電壓步長。

        當(dāng)PA

        當(dāng)PAPC或者當(dāng)PA≥PB、PB≤PC時,執(zhí)行程序{UA=UB-ΔU,ΔU =ΔU-UD,UC=UB+ΔU},參考點工作在在MPP處,此時則要采用變步長調(diào)節(jié)縮短三個參考點間的長度,將參考點間的差值控制在某一值ε內(nèi),從而近似的得到最大功率點。

        當(dāng)PA≥PB、PB>PC時,執(zhí)行程序{UA=UB-ΔU,UB=UA, UC=UB+ΔU},參考點工作在MPP右邊,此時將參考點沿X軸反向移動,重新比較,如此重復(fù)以求得MPP處的Umax。

        通過以上分析,該程序終止條件是閾值ε達到一定值即找到最大功率點。從實際的控制過程來看,一開始的調(diào)節(jié)是粗調(diào)的定步長調(diào)節(jié),可以加快調(diào)節(jié)速度,當(dāng)接近最大功率點時調(diào)節(jié)變?yōu)榧氄{(diào)的變步長調(diào)節(jié),可以提高系統(tǒng)的精確度。選取參數(shù)要先確定UB、UD、ΔU、ε的取值,UB的取定是為了使它在MPP周圍。

        三點比較法采用三個參考點電導(dǎo)功率作比較來實現(xiàn)快速追蹤,能夠準(zhǔn)確、平穩(wěn)、快速的追蹤到Pmax,防止在MPP周圍振蕩而造成能量的損耗。三點比較法是采用程序追蹤,在數(shù)學(xué)模型中將PA≥PB、PB≤PC的情況歸入系統(tǒng)已達到最大功率點,做相同的操作,不隨著輻照強度急速的變化而沒有目標(biāo)的調(diào)整工作點,防止系統(tǒng)過快過繁的來回波動。

        2.5 二次插值法

        光伏陣列在溫度和光照較大變化時輸出功率曲線屬非線性,在一個值時P輸出對于占空比是連續(xù)可導(dǎo)的,極值點是唯一的。采用二次插值法最重要的是對于初始值的設(shè)定。假設(shè)D1、D2、D3為初始值,P1、P2、P3分別為對應(yīng)的功率點。DX為插值點,PX為DX對應(yīng)的功率點。

        當(dāng)DX≥D2且PX≤P2時,表示MPP在DX與D1之間,下一次的插值在[D1、DX],起始值D1=D1,P1=P1; D2=D2,P2=P2;D3=DX,P3=PX。

        當(dāng)DX≤D2且PX≤P2時,表示MPP在DX與D3之間,下一次的插值在[DX、D3],起始值D1=DX,P1=PX;D2=D2,P2=P2;D3=D3,P3=P3。

        當(dāng)DX≤D2且PX≥P2時,表示MPP在D1與D2之間,下一次的插值在[D1、D2],起始值為D1=D2,P1=P2;D2=DX,P2=PX; D3=D3,P3=P3。

        當(dāng)DX≥D2且PX≥P2時,表示MPP在D2與D3之間,下一次的插值在[D2、D3],起始值D1=D2,P1=P2;D2=DX,P2=PX;D3=D3,P3=P3。

        若|D2-DX|≤ε時,表示光伏陣列工作在MPP,若PX >P2,則PMAX=PX,占空比=DX。若PX

        3 幾種MPPT方法的比較

        MPPT跟蹤法的探討已有很多參考述及,它們的基本原理大體而言都是相通的,各自的差別僅僅在于對最大功率點的判斷和實現(xiàn)最大功率點的方法上,這些方法各有其優(yōu)缺點。以微擾觀察法為例,它具有結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)的特征,對于在最大功率點周圍波動的弊端,這就需要使用者在跟蹤速度和擾動幅度上做出取舍,針對這個缺點,已有不少文獻提出在這種方法的基礎(chǔ)上加入模糊控制理論來改善能量損耗的問題。恒定電壓控制法、電導(dǎo)增量法和干擾觀測法均使用模糊控制原理,隨著外界因素條件發(fā)生改變?nèi)フ{(diào)整擾動步長以控制光伏陣列始終工作在MPP點。模糊控制不需要精準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)和電池特性,具有穩(wěn)態(tài)精度高、系統(tǒng)設(shè)計靈活等優(yōu)點,得到了廣泛的應(yīng)用。綜上所述,沒有完美的方法,選擇何種最大功率點跟蹤法取決于應(yīng)用場所的實際情況和使用者的實際需求。

        參考文獻

        [1]萬莉.基于Z源逆變器光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].江蘇大學(xué),2017.

        作者簡介

        萬莉(1981-)女,江蘇省張家港市人。碩士研究生。研究方向為光伏并網(wǎng)。

        作者單位

        江蘇省張家港市第二職業(yè)高級中學(xué) 江蘇省張家港市

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