一種新型光伏發電系統最大功率跟蹤算法

2010-04-26 06:03:06李鷹康龍云朱洪波孫靜

電氣傳動 2010年12期

李鷹,康龍云,,朱洪波,孫靜

(1.華南理工大學機械與汽車學院,廣東廣州 510640;2.廣東省綠色能源技術重點實驗室,廣東廣州 510640;3.西安交通大學機械學院,陜西西安 710049)

1 引言

太陽能作為一種新型的綠色能源,具有分布廣、清潔環保等優點。在人類面臨嚴重能源問題和環保壓力下,太陽能的開發利用應運而生[1]。但是太陽能電池板的輸出特性為非線性,主要取決于太陽能輻射強度和環境溫度,所以光伏電池最大功率點跟蹤技術(MPPT)的研究與發展顯得尤為重要。最大功率點跟蹤技術須快速、準確地跟蹤光伏電池最大功率點(MPP),使系統從外界最大限度地汲取能量[2],對于太陽能的推廣與應用具有非常重要的意義。

目前,國內外文獻中提出許多光伏電池最大功率的控制算法,如開路電壓法、短路電流法、爬山法等。這些算法在跟蹤時間和穩定性方面都存在一定的局限性。

本課題組為快速有效地跟蹤光伏發電系統的最大功率點,使負載在一定的環境條件下吸收更多的太陽能,研究開發了一種改進的最大功率點跟蹤控制算法,即3段變步長爬山法。

本文首先介紹了光伏電池的輸出特性;然后分析了最大功率跟蹤器的原理并選擇BOOST電路拓撲結果來實現最大功率跟蹤;最后,通過實驗表明本文設計的基于3段變步長爬山法的最大功率跟蹤器能有效實現最大功率工作,提高了光伏發電系統的可使用能量。

2 光伏電池的輸出特性

典型的太陽能電池伏安特性曲線如圖1所示[3],圖1a代表陣列的電流-電壓(I-V)特性曲線,其中實線為AM0大氣條件,虛線為AM1輻射條件,每組曲線從右至左溫度依次為273 K,300 K,325K,350 K,375 K。從圖1a中可以很明顯地看出電池陣列的非線性,而且可以得到如下結論:

1)太陽能電池的輸出特性近似為矩形,低壓段近似為恒流源,接近開路電壓時近似為恒壓源;

2)日照強度一定時,開路電壓近似同溫度成反比;溫度一定時,短路電流近似同日照強度成正比。

圖1b為陣列的功率-電壓(P-V)特性曲線,其中實線為AM0大氣條件,虛線為AM1輻射條件,每組曲線從右至左溫度依次為273 K,300 K,325 K,350 K,375 K。

圖1 不同溫度不同日照強度下太陽能電池曲線Fig.1 Photovoltaic characteristics for different irradiation and temperature levels

3 最大功率器的工作原理

3.1 光伏電池工程數學模型

光伏電池組件的輸出特性可用伏安特性表示,I-V特性隨太陽輻射度S和電池溫度T變化,即I=f(V,S,T)。太陽能電池受光照產生電流,隨光強增強而增大,當接受到的光強一定時,可將太陽能電池看作恒流電源。光伏電池的等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池的等效電路圖Fig.2 T he equivalent circuits of PV module

理想狀態下的太陽能電池等效電路如圖2a所示,該情況下負載電壓U和流過負載的電流I之間的關系為

式中:為流過二極管的正向電流;IL為流過二極管的光電流;q為載流子的電荷,1.6×10-19C;k為玻爾茲曼常數,1.38×10-23J/K;T為溫度,K;A為元件的總受光面積;為元件的有效受光密度;J0為二極管的飽和電流密度;JL為光激發的光電流密度。

在實際的太陽能電池中,存在著與漏泄電流相當的二極管并聯電阻和串聯電阻。此時的等效電路如圖2b所示,其電流-電壓特性為

式中:A為任意曲線擬合常數,取決于p-n結的特性,一般取該值近似于1。

評價其輸出特性的主要指標包括:η為光電轉化效率,指太陽能在一定條件下轉換的輸出電能相對于輸出光能的比率,η=(P/)×100%為光伏電池輸出最大功率為光伏電池接受光能的功率;UOC為開路電壓,在一定條件下,光伏電池輸出端開路所測電壓為短路電流,在一定條件下,光伏電池輸出端短路所測電流;Pmax為最大功率點,在一定條件下,光伏電池輸出的最大功率。目前硅光伏電池的光電轉化效率約為13%～25%。

3.2 光伏電池最大功率跟蹤的原理

由不同溫度不同日照強度下太陽能電池I-V曲線可見,溫度主要影響太陽能電池的輸出電壓,而日照強度主要影響輸出電流。在不同的日照強度和環境溫度下,其輸出特性曲線不同,且均為非線性。當太陽能輻射度和電池溫度變化時,光伏電池輸出電壓和輸出電流呈非線性關系變化,其輸出功率也隨之改變,如圖1b所示?？梢钥闯?每一個環境狀態下,系統都有一個最大功率點Pm,且此最大功率點隨環境狀態變化而相應變化。為了使光伏電池在不同溫度、不同輻照度條件下始終工作于該外界條件下的最佳工作點,當最大功率點發生漂移時,采用一定的方法使光伏電池始終工作于最大功率點處,稱之為最大功率跟蹤技術,即MPPT技術。

圖3 光伏電池最大功率跟蹤的原理Fig.3 T he theory of photovoltaic maximum power tracking

太陽能電池和負載可簡化為如圖3所示的線性系統電路圖,經計算消耗在R1上的功率為

式(3)兩邊對R1求導可得:

由式(4)可得,當r=時/=0,取得最大值,即當光伏電池負載阻抗與內部阻抗相匹配時,光伏電池的輸出功率最大。

實際中光伏電池的內部阻抗隨外界條件的變化而變化,為了跟蹤其最大功率點,常在光伏電池與負載之間并聯一個DC/DC變換器(如圖3所示),通過改變該DC/DC變換器的占空比,達到調節光伏電池負載的等效輸出阻抗動態跟蹤光伏電池輸出阻抗的目的,使光伏電池重新工作在最大功率點處。將該DC/DC變換器稱為光伏電池最大功率點跟蹤器,本文使用BOOST電路的拓撲結構來實驗最大功率跟蹤電路。

4 MPPT控制策略

光伏電池最大功率跟蹤的控制方法有很多種,較簡單的控制方法如恒壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法等,隨著控制技術的發展,最大功率跟蹤技術已經發展到具有智能化的控制方法,如模糊控制、神經網絡控制等。下面先詳細介紹自適應爬山法和改進后的3段變步長爬山算法這兩種控制方法。

4.1 自適應爬山法[4-9]

文獻[6]中提出了一種基于占空比擾動的跟蹤策略。該方法通過當前功率與前一時刻功率相比較,決定下一時刻直流變換器的占空比D的增減。輸出功率P與D之間的關系如圖4所示,當dP/dD=0時,認為輸出功率達到最大值。該方法直接將占空比D作為控制參數,只需要一個控制循環,從而減小了控制器設計的復雜度。

圖4 光伏電池輸出功率P與直流變換器占空比D的關系曲線Fig.4 Characteristics curve of the P-D,Variation of the dP/dD

如前節所述,擾動觀察法中調整占空比D時存在調整步長大小選擇的問題,即步長過小,跟蹤時間較長,影響系統的動態響應特性;而步長過大,輸出功率波動加大,其平均值通常小于最大值,穩態誤差變大。自適應爬山法通過加入步長a的自動在線調整器公式解決了此問題,同時保證系統的動態和穩態性能。

式中:a(k)為占空比D的調整步長,其值在0和1之間變化;dP表示功率的變化大小,dP=P(k)-P(k-1);M為常數。

|dP|/a(k)較小,表示功率的變化主要是由于占空比步長的調整引起的;|dP|/a(k)較大,則表示功率的變化主要是由環境因素造成的。因此,當光伏電池由于外界因素引起最大功率點大幅度漂移時,步長a變大,從而保證能夠快速跟蹤到新的最大功率點;當功率值變化較小時,調整器會假設系統處于穩態,a變小來保證控制信號的平滑。圖5為自適應爬山法的算法程序流程圖。圖5中slope變量作為步長a的符號位,決定占空比D的變化方向,取+1或-1。當功率減小時,slope取反;反之,slope不變。其他變量如e決定控制器的跟蹤精度,M則決定系統的柔韌性,兩者根據實際的控制要求與系統特性決定取值。

圖5 自適應爬山法算法程序流程圖Fig.5 The flowchart of adaptive hill climbing method

4.2 3段變步長爬山法

為了進一步提高光伏電池最大功率點跟蹤速度,本文提出了一種改進的自適應爬山控制策略,即3段變步長爬山法。該方法將光伏電池最大功率跟蹤分為3個部分(如圖6所示):大步長逼近區、自適應爬山區及最大功率區。

圖6 3段變步長爬山法算法示意圖Fig.6 The diagram of three-section variable step climbing method

圖7 3段變步長爬山法算法程序流程圖Fig.7 T he flowchart of three-section variable step climbing method

相較于上述各方法,3段變步長算法的控制策略有下述優點。

1)加快跟蹤速度,提高系統抗干擾性。由于該方法將最大跟蹤過程分為3部分,在系統處于大步長逼近區域時,僅由光伏電池端電壓判斷系統逼近方向和步長,除加快了跟蹤速度,還可在外界環境有較大變化或者系統受到干擾時以最快速度重新到達自尋優區,防止最大功率跟蹤在方向和大小上的誤判,提高系統抗干擾性。

2)可加快系統最大功率點自尋優過程。系統可以根據光伏電池的輸出與最大功率點的位置自動改變占空比變化步長,可以自動調節占空比改變步長,加快自尋優過程。

3)減小系統在Pmax點處的震蕩。當系統工作于最大功率點附近一個較小區域時,認為系統已處于點處,減小系統在最大功率點附近的震蕩。

5 實驗結果分析

實驗中所使用的太陽能電池模塊的P-V特性曲線如圖8所示(該特性曲線是在一定的溫度和太陽能輻射強度下根據實驗數據擬合得到的)。

圖8 實驗所用光伏電池P-V特性曲線Fig.8 T he P-V characteristic curves of PV module used in experiment

為了定量衡量3段變步長法的跟蹤效果,本文進行了算法對比實驗。實驗采用自適應爬山法、3段變步長爬山法兩種方法與未加MPPT的情況進行對比,于2009年5月16～17日進行了多組實驗,天氣狀況均為多云,實驗地點:廣州市華南理工大學。

圖9為在實驗中選取的10個采樣點處光伏電池輸出功率變化示意圖。實驗中負載為400 Ω的功率電阻箱,阻值遠大于光伏電池內阻,故未加MPPT時工作點位置均落于P-V曲線的最右邊(如圖8所示),光伏電池輸出功率較小。加入MPPT后,光伏電池輸出功率和負載功率有明顯增幅。

圖9 實驗測得光伏電池輸出功率Fig.9 T he output power tested in ex periment

實驗結果表明如下。

1)實驗結果符合光伏電池輸出特性,光伏電池輸出與光伏強度成正比(如圖9采樣點2和3所示),與溫度成反比(如圖 9采樣點 3和 4所示)。

2)3段變步長爬山法的效果明顯高于自適應爬山法,且在大部分情況下,3段變步長爬山法效果最好。自適應爬山法不能避免在最大功率點處的震蕩,其跟蹤效果直接與占空比步長相關;3段變步長爬山法在各種狀況下效果較為穩定,能有效跟蹤光伏電池輸出功率的最大值。

6 結論

針對光伏發電最大功率追蹤問題,本文提出了一種改進的算法,即3段變步長爬山法。通過光伏電池最大功率點跟蹤對比實驗表明,本文設計的最大功率跟蹤器輸出效率為90%左右;這種算法控制特性良好,能快速穩定跟蹤太陽能的最大功率點,提高了能量轉換效率。

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修改稿日期:2010-07-09