吳靜妹 紀 萍 陶彬彬
(河海大學文天學院 安徽馬鞍山 243002)
太陽能光伏電池因受到外界環(huán)境的影響如光照強度(S)、溫度(T)、負載(L)等,其輸出的特性曲線呈現(xiàn)出非線性性質[1]。當輸出電壓僅為某一特定電壓時PV電池下才會輸出最大功率,即工作點在P-U曲線的最高點,此點稱為PV電池最大功率點[2-3]。為了有效利用PV電池提高光電轉換效率,對其進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱MPPT)就顯得尤為重要。
根據(jù)PV電池工作原理可知,其基本特性與二極管特性相似[4-6],等效電路如圖1所示:
圖1 光伏電池等效電路
由圖1可得PV電池數(shù)學表達式:
圖中Rs為串聯(lián)等效電阻;Rsh為并聯(lián)等效電阻,與Rsh相比Rs阻值較小,所以可以忽略,最終得到PV電池輸出電流數(shù)學表達式為:
輸出功率數(shù)學表達式為:
開路輸出電壓數(shù)學表達式為:
其中,I:光伏電池的輸出電流;Iph:電池光生電流;Id:流過二極管的電流;Ish:流過內部并聯(lián)電阻的電流;Io:二極管反向飽和電流;k:卡爾茲曼常數(shù);λ:輻射強度;T:陽能電池的絕對溫度;Isc:短路電流;Voc:開路電壓;q:電子電量;A:無量綱的任意曲線的擬合常數(shù)(1≤A≤2);I:為太陽能電池輸出電流;V :為太陽能電池輸出電壓。
由上述PV電池數(shù)學模型,在MATLAB/Simlink中搭建其仿真模型。當光照強度為1000W/m2,外界環(huán)境溫度由25oC變?yōu)?0oC、56oC時,其仿真輸出I-U和P-U特性曲線如圖2所示:
圖2 光照強度不變溫度發(fā)生變化時輸出特性曲線
當外界環(huán)境溫度為25oC,光照強度由1000W/m2變?yōu)?00W/m2、600W/m2時,其仿真輸出特性曲線如圖3所示:
圖3 溫度不變光照強度發(fā)生變化時輸出特性曲線
從仿真輸出波形可以看出,在一定的恒定T和S下存在PV電池輸出存在最大功率點。但是,在實際情況下,隨著外界環(huán)境T和S的變化PV電池輸出的電壓、電流和最大功率點都會發(fā)生變化,這就降低了光伏工作效率。為了使PV電池在任何S和T下都可以獲得最大功率輸出,必須要進行MPPT控制。
目前MPPT的實現(xiàn)方法有很多[7-9]:(1)固定電壓跟蹤法(CVT):該方法優(yōu)點在于控制方法簡單,易于實現(xiàn);缺點在于當溫度變化的影響不能被忽略時,必然會影響光伏電池工作的最佳功率點,控制精度低;(2)擾動觀測法(P&O):該方法原理簡單易于實現(xiàn),但其追蹤精度和步長有關,步長越長精度越低,步長過小追蹤時間就會變長,同時隨著輸出電流的下降,開關頻率會上升損耗也隨著增加;(3)電導法增量(IC):該方法相比CVT和P&O方法控制精確度高、響應速度快,一般應用在外界環(huán)境變化較快的場合。但是,傳統(tǒng)電導增量法是通過比較dI dV與-I V的大小來判斷最大功率點。在跟蹤某一個固定電壓和電流產生的P-V曲線時,效果比較好。當外界環(huán)境發(fā)生變化時,電壓電流發(fā)生變化,P-V曲線也隨之變化,在跟蹤過程中就會從一個曲線跳變到另一條曲線,這樣就會出現(xiàn)dV=0的情況,此時dI dV=∞,這就需要額外添加判斷過程,比較麻煩[10]?;诖耍疚牟蓸痈倪M電導增量法對PV電池進行MPPT控制。下面詳細介其工作原理。
改進型電導增量法是通過比較dP*dV與0的大小來判斷最大功率點。當dP*dV>0時,即工作點在最大功率點Pmax左側,此時需要增大參考電壓;當dP*dV<0時,即最大功率點Pmax在工作點的左側,則需減小參考電壓;當dP*dV=0時,存在兩種情況:(1)dP=0,dV≠ 0,即工作點在最大功率點Pmax上,參考電壓不變,(2)dP ≠ 0,dV=0,即外界環(huán)境發(fā)生變化,跟增在不同的P-V特性曲線上,參考電壓可暫時不變,返回重新進行檢測比較,進行下一論的最大功率點跟蹤。如此反復最終跟蹤到最大功率點。其控制流程圖如圖4所示。
圖4 改進型電導增量法MPPT控制流程圖
根據(jù)上述跟蹤原理,利用Matlab/Simulink仿真平臺,建立改進型電導增量法MPPT控制仿真模型,如圖5所示。
圖5 改進型電導增量法MPPT控制仿真模型
當外界溫度T=25°C,光照強度由600W/m2上升為1000W/m2時,MPPT控制仿真輸出如圖6所示。
圖6 溫度不變光照發(fā)生改變時MPPT仿真輸出波形
分析:從仿真輸出波形可知,在1s時刻外界光照強度發(fā)生變化時,光伏電池輸出能夠快速地,準確地跟蹤PV電池輸出的最大功率點。
文章首先介紹了PV電池非線性輸出特性及數(shù)學模型,并仿真驗證了其輸出特性。然后,介紹了MPPT常用的控制算法優(yōu)缺點,并針對缺陷,提出了改進型MPPT 算法。最后,利用Matlab/imulink仿真平臺對改進型MPPT控制算法進行仿真分析。結果表明:在外界環(huán)境發(fā)生變化的情況下,該方法可以快速地,準確地跟蹤PV電池輸出的最大功率點,提高發(fā)電效率。