一種新型光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤算法

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(shù)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(huán)保等優(yōu)點。在人類面臨嚴重能源問題和環(huán)保壓力下,太陽能的開發(fā)利用應(yīng)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(huán)境溫度,所以光伏電池最大功率點跟蹤技術(shù)(MPPT)的研究與發(fā)展顯得尤為重要。最大功率點跟蹤技術(shù)須快速、準確地跟蹤光伏電池最大功率點(MPP),使系統(tǒng)從外界最大限度地汲取能量[2],對于太陽能的推廣與應(yīng)用具有非常重要的意義。

目前,國內(nèi)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(wěn)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(fā)電系統(tǒng)的最大功率點,使負載在一定的環(huán)境條件下吸收更多的太陽能,研究開發(fā)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(jié)果來實現(xiàn)最大功率跟蹤;最后,通過實驗表明本文設(shè)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(xiàn)最大功率工作,提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jié)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(shù)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(chǎn)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(tài)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(guān)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(shù),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(fā)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?shù)亩O管并聯(lián)電阻和串聯(lián)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(shù),取決于p-n結(jié)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(zhuǎn)化效率,指太陽能在一定條件下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)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(guān)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(huán)境狀態(tài)下,系統(tǒng)都有一個最大功率點Pm,且此最大功率點隨環(huán)境狀態(tài)變化而相應(yīng)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(fā)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(shù),即MPPT技術(shù)。

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(tǒng)電路圖,經(jīng)計算消耗在R1上的功率為

式(3)兩邊對R1求導(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(lián)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(diào)節(jié)光伏電池負載的等效輸出阻抗動態(tài)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(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展,最大功率跟蹤技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到具有智能化的控制方法,如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。下面先詳細介紹自適應(yīng)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(yīng)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(guān)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(shù),只需要一個控制循環(huán),從而減小了控制器設(shè)計的復(fù)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(guān)系曲線Fig.4 Characteristics curve of the P-D,Variation of the dP/dD

如前節(jié)所述,擾動觀察法中調(diào)整占空比D時存在調(diào)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(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(wěn)態(tài)誤差變大。自適應(yīng)爬山法通過加入步長a的自動在線調(diào)整器公式解決了此問題,同時保證系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

式中:a(k)為占空比D的調(diào)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(shù)。

|dP|/a(k)較小,表示功率的變化主要是由于占空比步長的調(diào)整引起的;|dP|/a(k)較大,則表示功率的變化主要是由環(huán)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(diào)整器會假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),a變小來保證控制信號的平滑。圖5為自適應(yīng)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(tǒng)的柔韌性,兩者根據(jù)實際的控制要求與系統(tǒng)特性決定取值。

圖5 自適應(yīng)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(yīng)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(qū)、自適應(yīng)爬山區(qū)及最大功率區(qū)。

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

其算法程序流程圖如圖7所示。e1和e2為常數(shù),m為可變常量,根據(jù)系統(tǒng)控制要求取值。系統(tǒng)工作時,首先判斷|ΔP|=|P(k)-P(k-1)|是否小于一個極小值e1,如果滿足條件,可認為光伏電池已經(jīng)達到最大功率點,則返回中斷;反之系統(tǒng)沒有達到最大跟蹤點,這時則繼續(xù)判斷|ΔP/a(k-1)|與e2的關(guān)系,如果小于e2,可認為系統(tǒng)在最大功率點附近區(qū)域,采用自適應(yīng)爬山法進行最大功率點尋優(yōu);相反,如果|ΔP/a(k-1)|大于e2,則認為系統(tǒng)工作于大步長逼近區(qū),只需根據(jù)電壓值判斷系統(tǒng)處在最大功率點的左側(cè)或右側(cè),之后采用大步長逼近最大功率點附近即可。

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(yōu)點。

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

2)可加快系統(tǒng)最大功率點自尋優(yōu)過程。系統(tǒng)可以根據(jù)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(diào)節(jié)占空比改變步長,加快自尋優(yōu)過程。

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

5 實驗結(jié)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(jù)實驗數(shù)據(jù)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(yīng)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(nèi)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(jié)果表明如下。

1)實驗結(jié)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(yīng)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(yīng)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(guān);3段變步長爬山法在各種狀況下效果較為穩(wěn)定,能有效跟蹤光伏電池輸出功率的最大值。

6 結(jié)論

針對光伏發(fā)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(shè)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(wěn)定跟蹤太陽能的最大功率點,提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

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修改稿日期:2010-07-09