基于RMPPT/PID雙模控制的光伏發(fā)電MPPT研究

閆根弟，趙晉斌，張廣勇，戴麗莉

(1.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008； 2. 上海電力大學(xué)，上海 200090； 3. 國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，太原 030000)

0 引 言

近幾年，能源行業(yè)逐漸發(fā)生變化，發(fā)展勢頭良好。國際可再生能源署發(fā)布《全球能源轉(zhuǎn)型：2050年路線圖》(2019版)指出，按照基于可再生能源技術(shù)的低碳技術(shù)路徑，到2050年，可再生發(fā)電總量將增加7倍，從目前的7 000 TW·h增加到47 000 TW·h。在一次能源供應(yīng)中的占比將上升到66%，而在終端能源消費(fèi)中，電力占比將增長至50%，其中約有86%來源于可再生能源發(fā)電，60%來自可變可再生能源(太陽能和風(fēng)能)，到2050年，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約為8 500 GW[1]。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分是太陽能電池組，而太陽能電池輸出功率隨著光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度的不同而產(chǎn)生非線性變化。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作于電池輸出功率最大點(diǎn)，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電池的工作點(diǎn)，使其一直工作在最大功率點(diǎn)附近。因此太陽能的最大功率跟蹤算法( MPPT) 的研究成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[2-3]。

為了保障光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠工作于太陽能電池組的最大輸出功率點(diǎn)處(MPP)，常采用MPPT技術(shù)，如圖1所示。

圖1 太陽能電池MPPT控制原理圖

其工作原理主要是通過對太陽能電池輸出的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，假設(shè)初始電壓在U3處，而得到當(dāng)前的功率P3，再采集Um處功率，得到當(dāng)前的功率Pmax，檢測比較，再采集U4處的功率P4，再比較，可以知道系統(tǒng)最大功率點(diǎn)在Um附近，然后逐漸逼近最終使系統(tǒng)工作于MPP處。

目前為止，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率追蹤的相關(guān)研究較為深入，但是存在的問題依舊不少，如文獻(xiàn)[4]將電導(dǎo)增量法MPPT控制方法與其他MPPT控制方法進(jìn)行比較，提出了改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量法，然而單一的電導(dǎo)增量法無法同時(shí)兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性和穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[5]研究設(shè)計(jì)了模糊控制法與電導(dǎo)增量法結(jié)合的MPPT算法，有效地提高了太陽能光伏電池陣列的跟蹤速率，雖然在理論研究上值得肯定，但在實(shí)際應(yīng)用中(外界環(huán)境不穩(wěn)定時(shí))對整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的精度有待提高。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)的最大功率跟蹤對外界環(huán)境變化存在較大不穩(wěn)定性這一不足，在擾動觀察法基礎(chǔ)上采用RMPPT/PID雙模控制策略對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在外界環(huán)境發(fā)生變化，特別是光強(qiáng)變化時(shí)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、快速地工作在最大功率點(diǎn)處。

1 光伏電池陣列特性

太陽能電池的工作原理是利用光生伏特效應(yīng)，根據(jù)電子學(xué)相關(guān)理論，可得到光伏電池的等效電路如圖2所示[6-7]。

圖2 太陽能電池等效電路

設(shè)定圖中電流、電壓正方向，當(dāng)流進(jìn)負(fù)載R0的電流為I0，其端電壓為V0時(shí)，可以得出光伏電池的V-I方程如式(1)所示：

(1)

其表達(dá)式中參數(shù)及表示意義如表1所示。根據(jù)式(1)建立其工程用數(shù)學(xué)模型，可以知道光照強(qiáng)度和外在溫度是影響太陽能電池功率輸出的最重要參數(shù)，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化時(shí)其光伏特性曲線如圖3所示[8-9]。

表1 方程式中參數(shù)含義

圖3 光伏電池特性曲線

為驗(yàn)證太陽能電池輸出特性曲線性質(zhì)，假設(shè)環(huán)境溫度不變時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一組700 W的多晶硅光伏陣列，并測量了其I-V和P-V特性，測試參數(shù)如表2所示，在此測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出光伏陣列伏安特性曲線和光伏陣列輸出電壓與功率曲線分別如圖4和圖5所示。

表2 不同光照強(qiáng)度下700 W光伏陣列伏安特性測量數(shù)據(jù)

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著光照增強(qiáng)，其短路電流隨著增大；從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，隨著光照增強(qiáng)，其最大輸出功率隨著增大。

圖4 光伏陣列伏安特性測量曲線圖

圖5 光伏陣列輸出電壓與功率測量曲線圖

2 基于RMPPT/PID雙模控制原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 RMPPT控制原理及實(shí)現(xiàn)

目前用的較多的MPPT控制算法主要有固定電壓法(CVT)、擾動觀察法(P&O)[10]、電導(dǎo)增量法(IC)[11-12]，或是其改進(jìn)算法[13]等。對于那些時(shí)變的系統(tǒng),用傳統(tǒng)方法不能準(zhǔn)確跟蹤到MPP，這里采用RMPPT(Real-time Maximal Power Point Tracking)控制,即光伏系統(tǒng)在光照強(qiáng)度及環(huán)境溫度時(shí)刻變化情況下,能夠?qū)崟r(shí)檢測其變化，使光伏電池輸出在最大功率點(diǎn)處。其傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法雖然控制較方便[14]，但是牽涉有微分運(yùn)算，如果要實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜且易受采樣精度的影響，在其基礎(chǔ)上提出一種新的RMPPT實(shí)現(xiàn)方法。就是把dP/dV用功率變化量dP來取代，其控制原理如圖6所示。

圖6 dP控制原理圖

2.2 控制算法仿真

圖7 TMPPT/PID雙模控制仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：仿真時(shí)間設(shè)置為3 s，變步長的ode23tb，零階保持器采樣周期為10e-4 s，環(huán)境溫度T=25 ℃，XZSTIl80-24/B型號光伏電池組件參數(shù)：Pm=180 W；Vm=36 V，Im=5.0 A，Isc=5.30 A；Voc=44.8 V，系統(tǒng)邏輯判斷函數(shù)根據(jù)|P-Pmax|≤2.5實(shí)現(xiàn)TMPPT算法和PID之間切換。經(jīng)多次仿真實(shí)驗(yàn)可設(shè)置PID參數(shù)為Kp=104、Ki=2.5×10-3、Kd=2.5×10-4，系統(tǒng)在以上參數(shù)條件下可以達(dá)到較好的控制效果。圖8為三種不同MPPT控制方法的輸出功率仿真結(jié)果圖。

從圖8(a)所示的傳統(tǒng)P&O控制的系統(tǒng)仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)在0.2 s左右跟蹤到最大功率點(diǎn)，功率點(diǎn)處附近有很明顯的波動，當(dāng)在t=1 s時(shí)，光強(qiáng)由800 W/m2變?yōu)? 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定于180 W。圖8(b)和8(c)所示的仿真結(jié)果分別表示采用RMPPT控制和RMPPT/PID雙模控制的功率輸出曲線，通過對比發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能在小于0.1 s時(shí)間內(nèi)工作于最大功率點(diǎn)，當(dāng)在t=1 s時(shí)，光強(qiáng)由800 W/m2變?yōu)? 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定于180 W，基于RMPPT控制的曲線到達(dá)最大功率點(diǎn)后,發(fā)生小幅零點(diǎn)振蕩,而基于RMPPT/PID雙模控制的曲線平穩(wěn)。由此可知，本文提出的一種RMPPT/PID雙模控制方法能夠在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)有效縮短追蹤時(shí)間，同時(shí)減少輸出功率附近的功率振蕩，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于最大功率點(diǎn)處。

圖8 MPPT控制仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

針對太陽能電池的非線性特性，以及傳統(tǒng)MPPT控制方法的不足，提出了一種RMPPT/PID雙模控制方法。該方法能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外界環(huán)境變化，同傳統(tǒng)的方法相比，可以有效地縮短追蹤時(shí)間，系統(tǒng)加入的PID自適應(yīng)控制大大減少了輸出功率附近的功率振蕩。系統(tǒng)仿真表明，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，該控制方法能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤MPP和基本消除MPP的功率振蕩現(xiàn)象，并使整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。