周 平, 周 林, 安文俊

(江西工程學(xué)院 智能制造與能源工程學(xué)院, 江西 新余 338000)

0 引 言

光伏電池發(fā)電具有綠色清潔的特點(diǎn),但其光電能量轉(zhuǎn)換率不高,易受光強(qiáng)度和溫度等環(huán)境因素影響[1-2]。最大功率跟蹤技術(shù)(MPPT)可有效降低光伏電池功率損失,其是光伏電池應(yīng)用研究熱點(diǎn)之一[3-8]。擾動(dòng)觀察法(P&O)是目前應(yīng)用較多的一種MPPT控制算法,具有控制邏輯簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但存在精度差和振蕩運(yùn)行等缺點(diǎn)[9-12]。相關(guān)學(xué)者提出了眾多改進(jìn)的方法。商立群等[13]給出了一種結(jié)合自適應(yīng)布谷鳥搜索算法和擾動(dòng)觀察方法(ACS-P&O) 的復(fù)合光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤算法。牛秋實(shí)等[14]研究了一種雙模糊控制與 PID 控制器相結(jié)合的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法,可提高最大功率跟蹤時(shí)的靈活性和響應(yīng)速度,但未對(duì)溫度變化等環(huán)境因素進(jìn)行分析。楊斌等[15]在光照均勻情況下,分析環(huán)境對(duì)于光伏電池輸出特性的影響,在光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤加入擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法,但存在外界環(huán)境條件變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能在最大功率點(diǎn)穩(wěn)定工作的缺點(diǎn)。筆者針對(duì)MPPT研究中存在的問(wèn)題,提出一種變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法,結(jié)合光強(qiáng)度和溫度等環(huán)境變量通過(guò)Matlab建模仿真研究,以提高光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度。

1 光伏電池建模

光伏電池等效模型,如圖1所示。

圖1 光伏電池等效模型

光伏電池工程數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中:Isc——短路電流;

Voc——開(kāi)路電壓;

Im——最大功率點(diǎn)電流;

Vm——最大功率點(diǎn)電壓;

P——最大功率點(diǎn)功率。

Voc、Isc和Im與光強(qiáng)度S、溫度T的函數(shù)為

(2)

式中:Iscr——短路電流參考值;

Vocr——開(kāi)路電壓參考值;

Imcr——最大功率點(diǎn)電流參考值;

Vmre——最大功率點(diǎn)電壓參考值;

Sref——參考太陽(yáng)輻射強(qiáng)度;

Tref——參考電池溫度;

ΔS——光強(qiáng)增量;

ΔT——溫度增量;

a、b、c——補(bǔ)償系數(shù),其典型值為0.002 5 ℃、0.000 5 W/m2、0.002 88 ℃。

2 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的MPPT算法

典型光伏電池特性曲線如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí),特性曲線斜率趨近于零。

圖2 光伏電池P-U特性曲線

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)光伏電池電壓、功率采樣周期非常小時(shí),曲線斜率|dP/dU|=|ΔP/ΔU|,即通過(guò)|ΔP/ΔU|可推知,此時(shí),光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤的擾動(dòng)步長(zhǎng),任意時(shí)間k的擾動(dòng)步長(zhǎng)為ΔD(k)=|ΔP(k)/ΔU(k)|×ΔD。在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí),采用較大擾動(dòng)步長(zhǎng),提高跟蹤速度;當(dāng)靠近最大功率點(diǎn)時(shí),采用較小的擾動(dòng)步長(zhǎng),減小系統(tǒng)振蕩幅度。變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制流程,如圖3所示。

圖3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制流程

3 MPPT算法仿真模型

采用Matlab/Simulink建立基于變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法光伏電池MPPT算法仿真模型,如圖4所示。

圖4 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT仿真模型

MPPT仿真模型包括MPPT算法控制、光伏電池、PWM以及電壓轉(zhuǎn)換等模塊,如圖5所示。其中MPPT算法控制模塊的第1部分,如圖5a所示。主要完成對(duì)光伏電池電流和電壓的實(shí)時(shí)采集,圖5b為第2部分,主要負(fù)責(zé)根據(jù)功率和電壓的擾動(dòng)方向,將仿真的最大功率點(diǎn)逼近實(shí)際最大功率點(diǎn)。

圖5 MPPT算法控制模塊

4 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT算法的有效性,對(duì)建立的仿真模型設(shè)置光照度和溫度2個(gè)環(huán)境變量、4種變化條件,驗(yàn)證算法對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤性能。仿真中光照度和溫度初值分別為1 000 W/m2和25 ℃,采樣時(shí)間1 μs,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)光照度和溫度大小,如圖6所示。

圖6 MPPT仿真控制

4.1 光照度和溫度恒定

光照度和溫度恒定時(shí)仿真波形如圖7～9所示,仿真時(shí)間為1 s。由圖7和8可知,在系統(tǒng)啟動(dòng)的0.05 s內(nèi),實(shí)時(shí)輸出電流和電壓曲線經(jīng)過(guò)短時(shí)振蕩后趨于穩(wěn)態(tài)值,變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT算法能快速追蹤最大功率點(diǎn)。由圖9可知,在0.5 s后,實(shí)時(shí)輸出電壓、電流和理想輸出電壓、電流曲線接近重合,系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn),證明在光照度和溫度恒定下變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤速度與精度較高。

圖7 MPPT實(shí)時(shí)電壓與電流仿真波形

圖8 MPPT實(shí)時(shí)功率的仿真波形

圖9 MPPT電壓與電流對(duì)比

4.2 溫度突變

設(shè)置光照度保持1 000 W/m2恒定,溫度的初值40 ℃,每隔0.5 s突降5 ℃,降到25 ℃維持不變,仿真時(shí)間為1 s,系統(tǒng)仿真波形如圖10～12所示。由圖10和11可知,0.5 s溫度突變時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出電流發(fā)生小幅振蕩后快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,實(shí)時(shí)電壓值小幅增大短時(shí)波動(dòng)后趨于穩(wěn)態(tài)值,輸出功率變化不大,能在最大功率點(diǎn)附近工作,其后溫度多次突變系統(tǒng)依然有穩(wěn)定的輸出,溫度變化對(duì)光伏電池影響不大。由圖12可知,系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出電壓、電流和理想輸出電壓、電流曲線接近重合,可達(dá)到最大功率點(diǎn)。由此可知,變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT算法在溫度突變時(shí)系統(tǒng)可穩(wěn)定工作。

圖10 MPPT實(shí)時(shí)電壓與電流仿真波形

圖11 MPPT實(shí)時(shí)功率仿真波形

圖12 MPPT電壓對(duì)比波形

4.3 光照度突變

設(shè)溫度保持25 ℃恒定,光照度初值250 W/m2,每隔0.5 s突增250 W/m2,增至1 000 W/m2后保持恒定。仿真時(shí)間為2 s,系統(tǒng)仿真波形如圖13和14所示。由圖13、14可知,輸出電壓逐漸增大小幅振蕩逼近理想MPPT電壓,輸出電流保持小幅振蕩,系統(tǒng)輸出功率持續(xù)增大。

圖13 MPPT實(shí)時(shí)電壓與電流仿真波形

圖14 MPPT實(shí)時(shí)功率仿真波形

隨著工作點(diǎn)逼近最大功率點(diǎn),0.4 s時(shí)輸出電壓和電流趨于平穩(wěn),系統(tǒng)工作點(diǎn)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近。當(dāng)0.5 s時(shí),光照度突變,輸出電流與電壓迅速上升,經(jīng)短時(shí)振蕩工作點(diǎn)逼近最大功率點(diǎn),輸出功率趨向穩(wěn)態(tài)值。隨后的光照度突變輸出電壓和電流變化趨勢(shì)相同,輸出功率逐步上升。系統(tǒng)在光照度突變時(shí)性能保持不變,輸出電流與電壓達(dá)到理想值。由此可知,系統(tǒng)能在光照度突變時(shí)對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行有效跟蹤。

4.4 光照度及溫度突變

光照度及溫度突變MPPT系統(tǒng)仿真波形,如圖15～18所示。其中,仿真時(shí)間為2 s。由圖15～18可知,系統(tǒng)啟動(dòng)0.5 s,光照度增大到500 W/m2溫度降低至35 ℃,系統(tǒng)輸出電流迅速增大,振蕩幅度較大;輸出電壓小幅振蕩增大。隨后的突變下,系統(tǒng)輸出變化趨勢(shì)大致相同,在溫度和光照度突變時(shí)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT系統(tǒng)能迅速完成最大功率點(diǎn)跟蹤。由圖可知,電流與電壓均可工作在最大功率點(diǎn)附近。

圖15 MPPT電壓和電流對(duì)比

圖16 MPPT實(shí)時(shí)電壓與電流仿真波形

圖17 MPPT實(shí)時(shí)功率仿真波形

圖18 MPPT電壓和電流對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)在溫度和光照度及4種變化條件下,應(yīng)用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤情況進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察算法較傳統(tǒng)算法具有較大的優(yōu)越性,在環(huán)境參數(shù)發(fā)生突變時(shí),可快速響應(yīng),對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤,能有效地提升光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤能力。

(2)通過(guò)仿真可知,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后光伏電池MPPT實(shí)時(shí)電壓大于最大功率點(diǎn)設(shè)置電壓,電流稍小于最大功率點(diǎn)設(shè)置電流。