光伏列陣的全局最大功率點(diǎn)追蹤研究

王蘇英，張旻

(1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院粉體技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510650;2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院電器中心，廣東 廣州 510650)

1 引言

全球不可再生的化石能源儲(chǔ)存量的有限性和人類(lèi)社會(huì)延續(xù)發(fā)展對(duì)能源的無(wú)限需求的矛盾愈發(fā)激烈，利用可再生能源成為解決這一矛盾的有效途徑。太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，其開(kāi)發(fā)和利用受到了全世界的關(guān)注。光伏發(fā)電是充分利用太陽(yáng)能的有效途徑，目前國(guó)內(nèi)大部分光伏發(fā)電都允許并網(wǎng)運(yùn)行更是為未來(lái)我國(guó)光伏發(fā)電的發(fā)展提供了條件。光伏列陣周?chē)慕ㄖ蛿?shù)目以及光伏板上的灰塵等原因會(huì)造成光伏列陣的局部遮陰，在這種情況下，光伏列陣的輸出特性就會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化，輸出功率會(huì)出現(xiàn)多個(gè)局部最大值點(diǎn)，采用傳統(tǒng)方法如爬山法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等就無(wú)法對(duì)局部最大值點(diǎn)和全局最大值點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，因此研究?jī)?yōu)化算法對(duì)遮陰情況下光伏列陣的全局最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤具有重要意義。

2 光伏列陣研究

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

圖1 光伏電池的等效電路模型

建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型，是研究光伏陣列輸出特性的前提條件。對(duì)于大容量的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不便采用于物理機(jī)制的建模，所以，通常情況下采用光伏電池的外特性等效模型進(jìn)行研究，模型如圖1所示，模型是完全按照光伏電源的外特性等效而來(lái)。整個(gè)模型由恒流源Iph、反向二極管、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh構(gòu)成。其中的Iph為光生電流，其值就等于光伏陣列的短路電流，表明了光伏陣列的外部環(huán)境的日照強(qiáng)度。

通過(guò)光伏陣列的等效電路圖可以得出光伏陣列輸出功率P:

光伏電池的制造商通常會(huì)在電池上詳細(xì)的標(biāo)出標(biāo)準(zhǔn)外界環(huán)境下的相關(guān)參數(shù)，如光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc、短路電流Isc、在最大功率點(diǎn)處的電壓和電流Um、Im。所謂標(biāo)準(zhǔn)外界環(huán)境是指外溫度為25℃、光照強(qiáng)度為1000W/m2。

在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)上述光伏陣列的輸出特性(I－U、P－U)進(jìn)行仿真分析，標(biāo)準(zhǔn)工況下的光伏電池仿真模型如圖2所示。

圖2 光伏電池在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真模型

光伏列陣是由多個(gè)光伏模塊組成，將太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行串并聯(lián)組裝成方陣，串聯(lián)的光伏組件電流相同，每個(gè)組件都并聯(lián)了旁路二極管;并聯(lián)的光伏組件電壓相同。在非局部遮蔭情況時(shí)，光伏電池的輸出特性與光照強(qiáng)度和光伏電池表面的溫度有關(guān)系，下面分別假設(shè)表面溫度不變但光照強(qiáng)度不同的I－U、P－U輸出特性曲線和光照強(qiáng)度不變且表面溫度變化的I－U、P－U輸出特性曲線。

圖3為表面溫度不變的情況下，光照強(qiáng)度變化的情況下的I－U、P－U的輸出特性曲線。從圖中可以觀察出，光伏電池的短路電流是隨著光照強(qiáng)度增加的而增加。而光伏電池的開(kāi)路電壓則不隨著光伏陣列的光照強(qiáng)度的變化而改變。

圖3 相同溫度不同的光照強(qiáng)度下I－U、P－U輸出特性曲線

圖4為相同光照強(qiáng)度不同的溫度下I－U、P－U的輸出特性曲線。從圖中可以觀察出，光伏電池的短路電流是隨著光照強(qiáng)度增加的而稍稍增加;而光伏電池的開(kāi)路電壓則隨著光伏陣列的表面溫度的增加而減少。

圖4 相同光照強(qiáng)度不同的溫度下I－U、P－U輸出特性曲線

綜上所述，光伏電池的最大功率點(diǎn)在不同的外在環(huán)境下是不同的，為了保證光伏電池始終工作在高效率狀態(tài)，必須對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

光伏陣列通常安裝在開(kāi)闊、光照充足的地域，在長(zhǎng)期的使用中會(huì)受到塵土、落葉等落到電池表面，形成陰影;現(xiàn)在的光伏屋頂系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和環(huán)境復(fù)雜，隨著環(huán)境變化，容易產(chǎn)生局部陰影;另外，大型光伏電站中的電池陣列安裝間距不合理也可能產(chǎn)生陰影。當(dāng)光伏列陣發(fā)生局部遮陰的情況時(shí)，各個(gè)光伏組件接收到的光照強(qiáng)度不同，導(dǎo)致光伏列陣的P－U曲線發(fā)生變化。輸出曲線從單峰值曲線就變?yōu)槎喾逯登€，如圖5所示。

圖5 局部陰影情況下的I－U，P－U曲線

從圖5中可知，當(dāng)光伏陣列表面出現(xiàn)部分遮蔭情況時(shí)，輸出P－U曲線會(huì)呈現(xiàn)多峰值的特性，峰值最大的點(diǎn)稱(chēng)為為全局最大功率點(diǎn)，其余的為局部最大功率點(diǎn)。

綜上所述，光伏電池的最大功率點(diǎn)在不同的外在環(huán)境下是不同的，為了保證光伏電池始終工作在高效率狀態(tài)，必須對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤法

3.1 基本工作原理

根據(jù)光伏電池外特性的I－U，P－U曲線，可知光伏電池的輸出電流和功率都是關(guān)于電壓的非線性函數(shù)。但是P－U曲線都是成先上升后下降的趨勢(shì)的，所以整條曲線只有一個(gè)最高點(diǎn)，所以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)只有在該最高點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓下工作才能輸出最大功率。但是隨著外界的日照強(qiáng)度、結(jié)點(diǎn)溫度和負(fù)載的變化，P－U曲線也是變化的。在P－U曲線上只有一個(gè)最高點(diǎn)的，理論上只要實(shí)時(shí)的調(diào)整光伏系統(tǒng)的工作電壓，就可以使整個(gè)系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。

文采用前級(jí)DC/DC的Boost的變換電路為硬件基礎(chǔ)的MPPT控制方法。DC/DC的Boost電路原理圖如圖6所示。

對(duì)圖6進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路分析，可以得出理想狀態(tài)下的Boost電路的輸入輸出表達(dá)式是:

Vi是Boost電路的輸入電壓，Vo是電路輸出電壓，D是開(kāi)關(guān)管S的占空比。

Vi由光伏陣列輸送給Boost電路，Vpv為光伏陣列的輸出電壓，那么Vi=Vpv，則有:

圖6 Boost電路工作原理圖

由此可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管S的占空比D來(lái)調(diào)整光伏陣列的輸出電壓，由于外界光照強(qiáng)度和結(jié)點(diǎn)溫度的變化引起光伏陣列最大功率點(diǎn)變化時(shí)，需要調(diào)整光伏陣列的輸出電壓去追蹤最大功率點(diǎn)。在沒(méi)有陰影的情況下，光伏陣列的輸出曲線只有一個(gè)拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)就是整條曲線的最高點(diǎn)，即光伏電池的最大功率點(diǎn)，最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓是唯一的，這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，就使得要追蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，只需要對(duì)光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整?；贒C/DC的前級(jí)Boost變換器的MPPT控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，DC/DC變換器通過(guò)對(duì)光伏陣列的端口電壓和電流實(shí)時(shí)采樣并進(jìn)行相關(guān)處理，得到最佳端口電壓的調(diào)節(jié)指令，再用參考電壓減去采樣值信號(hào)，將它們的差值送入PI控制環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，在三角載波的調(diào)制作用下產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)調(diào)制過(guò)的PWM波用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，改變開(kāi)關(guān)管的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的輸出電壓的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

圖7 基于前級(jí)Boost變換器實(shí)現(xiàn)MPPT控制的控制系統(tǒng)框圖

3.2 全局最大功率點(diǎn)跟蹤方法

通過(guò)以上對(duì)光伏陣列的輸出功率特性分析可知，在光伏陣列出現(xiàn)局部陰影情況時(shí)的，光伏陣列的P－V輸出特性為多峰曲線，傳統(tǒng)的常規(guī)MPPT算法容易陷入局部最優(yōu)。而粒子群算法在解決多峰函數(shù)問(wèn)題方面具有穩(wěn)定的收斂特性，可以應(yīng)用到具有多峰P－V輸出特性的最大功率點(diǎn)跟蹤控制中。

采用粒子群算法的最大功率點(diǎn)跟蹤控制分為兩個(gè)步驟，第一步是采用粒子群尋優(yōu)算法獲得最優(yōu)端口電壓值，第二步是用獲得的最優(yōu)端口電壓值為指令信號(hào)對(duì)DC/DC電路進(jìn)行調(diào)整。在粒子尋優(yōu)階段，每個(gè)粒子都是一個(gè)潛在解，通過(guò)適值函數(shù)評(píng)判其優(yōu)劣，通過(guò)速度更新公式改變位置，直至收斂到最大功率點(diǎn)上。粒子的速度更新與學(xué)習(xí)因子和慣性系數(shù)有關(guān)。當(dāng)慣性系數(shù)較大時(shí)，粒子可能飛過(guò)最優(yōu)解的區(qū)域，從而錯(cuò)失對(duì)全局最優(yōu)解的搜索，而當(dāng)慣性系數(shù)較小時(shí)，會(huì)影響對(duì)于最優(yōu)解的收斂時(shí)間。因此，合理的慣性系數(shù)決定了粒子能否快速準(zhǔn)確的找到最優(yōu)解。

4 仿真與分析

本文采用Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，內(nèi)部控制算法采用S函數(shù)編寫(xiě)。MPPT控制器輸出的控制指令，即PWM波，被送到DC/DC直流變換器中。圖9為光伏電池MPPT控制仿真圖，跟蹤步長(zhǎng)設(shè)置為2。

為了檢測(cè)新型模擬退火粒子群算法在MPPT中的運(yùn)用，本文采取了對(duì)比的方式進(jìn)行研究。光伏列陣運(yùn)用多個(gè)光伏模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，將光伏模塊的光照強(qiáng)度變?yōu)?000W/m2和600W/m2不等來(lái)模擬遮陰情況。

圖8 光伏電池MPPT控制仿真模型

圖9為采用新型算法時(shí)光伏列陣的輸出功率曲線，可以看出最大功率是在50W左右波動(dòng)，在0.01時(shí)攀升至最大功率輸出。圖10為采用單一粒子群算法時(shí)的光伏列陣的輸出功率曲線，在0.013時(shí)攀升至最大功率輸出，但輸出只有33W左右，是第一個(gè)極值點(diǎn)，表明此時(shí)陷入了局部最優(yōu)。通過(guò)此仿真證明了本文提出的改進(jìn)的模擬退火粒子群算法可以跳出局部最優(yōu)，得到全局最大功率點(diǎn)。

圖9 遮陰情況新型算法下的功率曲線

圖10 單一粒子群算法下的功率曲線

5 結(jié)論

通過(guò)分析了局部陰影情況下的光伏陣列的輸出特性，提出了一種基于模擬退火粒子群算法的MPPT控制方法。該方法將模擬退火算法的思想融入到粒子群算法中，提高粒子的探索能力，可以實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確快速跟蹤。并且運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

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［2］互聯(lián)網(wǎng).中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量已超美國(guó) 位居世界第三［EB/OL］.2013－05－13，http://news.china.com.cn/live/2013－05/13/content_19926205.htm.

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