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        基于MPPT光伏路燈照明系統(tǒng)光伏充電仿真模型的設計

        2018-08-06 08:15:56張志宏
        關(guān)鍵詞:輸出功率路燈擾動

        張志宏

        (銅陵職業(yè)技術(shù)學院,安徽 銅陵 244000)

        太陽能是一種無污染可再生的能源,各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略都大力發(fā)展大陽能應用技術(shù)。光伏發(fā)電是太陽能應用的主要方面,其在路燈照明系統(tǒng)有廣泛的應用。其中,太陽能電池板(光伏組件PV)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能,是光伏應用系統(tǒng)中的核心部件。因此,對光伏組件的特性研究成為光伏應用系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié),其中計算機軟件仿真分析是很重要的方法。要實現(xiàn)對光伏路燈照明系統(tǒng)光伏充電的動態(tài)仿真,首先一步解決如何對光伏組件I-V特性進行仿真模擬,該模型一旦建立,可用于所研究系統(tǒng)的輸入電源[1]。第二步,研究該PV模型的光電轉(zhuǎn)換效率最大化控制的問題。

        由于太陽能電池輸出特性的非線性特性,使得對其分析十分困難。本文通過使用國際上權(quán)威的仿真軟件Matlab,利用其Simulink模型模擬實際的電力系統(tǒng),對電路進行輔助分析,為實際系統(tǒng)設計提供方法依據(jù),可大大簡化對本應用電路的設計過程。

        1 光伏電池的simulink模型

        在應用于路燈照明的光伏充電的獨立光伏系統(tǒng)設計中,要分析光伏電池組件的輸出特性,研究其輸出電壓、電流與輸出功率的關(guān)系才能更好的解決光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的問題。所以在分析時,首先建立PV組件的數(shù)學模型,有了各項參數(shù)的數(shù)學關(guān)系,可以反映出它們之間變化規(guī)律,也為后續(xù)建立Simulink仿真模型做準備。

        圖1:PV等效模型

        光伏電池是光伏系統(tǒng)中重要器件,如圖1所示,在實際應用中,以光伏組件(PV)形式。內(nèi)部特性等效看成一個電流源Ig與二極管Vd、等效電阻Rsh、Rs混聯(lián)組成。其中Ig作用相當于光能轉(zhuǎn)化的內(nèi)部電流,稱為光生電流;電流Id為暗電流;流過旁路電阻Rsh的電流用Ish表示;R0為電池外接負載電阻,Uo為輸出電壓;輸出電流用Io表示[2]。

        光伏電池輸出功率的函數(shù)為:

        其方程為一超越方程,求解較復雜,不利于在小型太陽能充電控制系統(tǒng)中實現(xiàn),一些參數(shù)在PV組件廠家所提供的規(guī)格書中不包含。所以從工程應用角度,本文提出一種簡化的PV組件數(shù)學模型。利用Simulink軟件工具,在PV組件簡化后的參量數(shù)學關(guān)系的基礎上,構(gòu)建了一種簡潔PV組件仿真模型。本仿真模型忽略一些工程上的次要因素影響,參考PV組件廠商提供的產(chǎn)品參數(shù)。本實驗系統(tǒng)中PV板在參考工作環(huán)境S=1000 W/m2,T=25℃測試條件下,提供了4個電氣參數(shù),最大功率點電流Im=5.71A、最大功率點電壓Vm=17.5V,開路電壓Voc=21.5V,短路電流Isc=6.31A。

        Simulink作為MATLAB的一個重要組件,給工程系統(tǒng)設計者提供了良好的建模、以及仿真分析的平臺。Simulink平臺下,PV組件的建模仿真分析有常見的兩種方法。其一,利用S函數(shù)編程構(gòu)建PV組件的數(shù)學模型,其二,直接利用Matlab/Simulink里的模塊搭建,內(nèi)部功能更直觀。本文采用模塊直接搭建的方法,根據(jù)PV組件的工程簡化后數(shù)學關(guān)系,構(gòu)建Simulink仿真模型。使用時,將實驗中的PV組件參數(shù)代入模型,這樣建立的仿真模型具有通用性,即不同類型的電池只需改變相應的參數(shù)(如圖2)。

        圖2 光伏組件Simulink仿真模型

        圖3是實際工程中光伏組件為依據(jù)仿真模型的P-V特性曲線,在外部環(huán)境參數(shù)一定時(如溫度和光照強度),在某一特定輸出電壓值時,其輸出功率最高,此電壓值記為PV組件最大功率點電壓Vm。PV組件發(fā)電的輸出電壓高于Vm時,光伏組件的輸出功率隨著工作電壓的增大反而減?。欢敼夥姵氐墓ぷ麟妷盒∮赩m時,它的輸出功率會隨著工作電壓的上升反而增大。光伏發(fā)電就是要盡量輸出電壓穩(wěn)定在最大工作點電壓值附近,以獲得最大的光電轉(zhuǎn)換效率。

        從光伏組件P-V特性曲線可以看出,溫度、光照強度影響特性曲線的位置,最大功率點也發(fā)生偏移。由于在實際工作環(huán)境中,光照強度和溫度都是在變化的,工程中的問題就是找到一種較好的控制方法來實現(xiàn)動態(tài)的控制光伏電池的輸出電壓,實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

        圖3 光伏組件的P-V特性曲線

        2 基于Buck拓撲結(jié)構(gòu)的MPPT控制

        圖4 Buck拓撲結(jié)構(gòu)的光伏充電器

        2.1 基于Buck拓撲結(jié)構(gòu)DC/DC變換電路工作原理

        本系統(tǒng)蓄電池一組充電電壓13V左右,太陽能板開路電壓達到21.5伏,充電需要降壓處理。本文提出的基于Buck拓撲結(jié)構(gòu)的光伏充電器其Simulink模型如圖4所示。

        Buck電路屬于串聯(lián)型開關(guān)變換器, 又稱降壓變換器,由圖4的仿真模型中可以看出,光伏組件PV通過MPPT控制器輸出最大功率點工作電壓Vre,通過PWM模塊調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比α(公式2),使PV陣列始終工作在當前環(huán)境下最大功率點上, 并實時檢測系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù), 做出相應的控制[3]。

        式中,Ri為DC/DC變化電路的輸入電阻,Ro為DC/DC變化電路的輸出電阻。對于光伏組件PV來說,Ri也就是其負載電阻。通過調(diào)整占空比α,可以調(diào)整Ri大小, 利用光伏組件U-I外特性,實現(xiàn)對光伏組件輸出電壓進行調(diào)整,跟蹤控制光伏組件的輸出電壓,使工作狀態(tài)始終在當前環(huán)境的最大功率點處,保證光伏組件最大的光電轉(zhuǎn)換效率。

        2.2 基于P&O的MPPT控制方法

        從圖3 光伏組件的P-V特性曲線可以看出,在不變的溫度和光照強度外部環(huán)境下,光伏組件可以工作在不同的輸出電壓下發(fā)電,但是只有在某一特定輸出電壓時,光伏組件的輸出功率才能達到最大值。傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng),只簡單采用恒定電壓法進行。這種方法在產(chǎn)品設計時,需在程序中設置好充電電壓值,使其盡量和所選擇的光伏陣列最大功率點電壓值接近。但溫度或光照強度變化很大時,輸出功率會偏離最大功率點很多。而且光伏路燈照明系統(tǒng)的光伏組件選型是隨市場變化的,參數(shù)不能固定,作為工廠化生產(chǎn)的光伏充電控制器使用時需預設充電壓,非常不方便。

        本系統(tǒng)把光伏發(fā)電用的控制技術(shù)——最大功率點跟蹤技術(shù)(MPPT)應用到光伏路燈照明系統(tǒng)的充電控制中。該技術(shù)的主要方法有以下幾類:電導增量法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制法、擾動觀察法等等。都各有優(yōu)勢,但也都存在不足之處。比如:電導增量法的計算較復雜,對采樣的精度要求很高;神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法復雜,對控制器CPU硬件要求高。擾動觀察法計算量小,對控制系統(tǒng)的硬件要求低,但在最大功率點處會產(chǎn)生震蕩。為了適應本系統(tǒng)要求和硬件成本控制,采用優(yōu)化的擾動觀察法[4][5]。

        擾動觀察法P&O(Perturbation and Observation method)是指擾動光伏陣列的輸出電壓,并根據(jù)P=UI計算擾動前后光伏陣列的輸出功率,將擾動前后的兩個輸出功率進行比較的方法。具體來說就是每隔一段時間增加或減少輸出電壓,通過觀測輸出功率的變化來決定隨后輸出電壓是增大還是減小。這種控制方法相對其他方法較簡單, 利用較低配置的硬件電路即可實現(xiàn)。

        圖5 基于P&O的MPPT控制子系統(tǒng)

        圖5是光伏充電器Simulink系統(tǒng)中的一個MPPT控制子系統(tǒng)。第一步是采樣PV輸出電壓、電流,通過零階保持器模擬實際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集時間,把連續(xù)信號離散化處理。接著計算功率,及功率變化ΔP和電壓變化ΔV,用ΔP×ΔV的正負判斷此時功率點的位置,進而確定下一步擾動的方向。如果ΔP×ΔV>0,則表示此時電壓值小于最大功率點電壓,如果ΔP×ΔV<0,則表示此時電壓值大于于最大功率點電壓 (參見圖4),即simulink系統(tǒng)中sign1為1時,要向負向擾動電壓;sign1為-1時,要向正向擾動電子表壓。本系統(tǒng)中的擾動步長取Cp=0.001,步長選擇較適合,可以在實際硬件控制中實現(xiàn)。

        3 仿真結(jié)果分析

        由于在實際環(huán)境中,光照強度和溫度都在不停地變化。為了使本設計方法可以應用到實際工作環(huán)境中,本仿真系統(tǒng)給PV的光照參數(shù)設置成時間變化的參量,在仿真時選取極端情況,每隔0.4秒,光照強度驟變一次,分別是1000W/m2,800W/m2,1200W/m2,溫度取25℃時,輸出功率變化曲線(如圖6所示)。

        圖6 PV輸出功率變化曲線(25℃)

        從功率曲線圖中可以看出,基于Buck拓撲結(jié)構(gòu)的MPPT控制方法,可以適應工作環(huán)境變化的情況,較迅速的實現(xiàn)光伏最大功率點充電,且振蕩在工程許可范圍內(nèi),驗證了此方案的正確性。

        4 結(jié)語

        針對光伏組件的特點,本文簡化的傳統(tǒng)PV組件的數(shù)學模型,以便適應光伏路燈工程應用中的實際需要。在Matlab/Simulink平臺環(huán)境,構(gòu)建了完整的光伏MPPT充電的模型,進行仿真實驗。研究結(jié)果證明,在應對外部工作環(huán)境突變情況時,表現(xiàn)出滿意的最大功率跟蹤性能。

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