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      局部陰影下光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤研究

      2013-09-22 09:11:58,,
      電氣傳動(dòng) 2013年12期
      關(guān)鍵詞:輸出特性單元體電池板

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      (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

      1 引言

      BIPV在發(fā)電過(guò)程中常常會(huì)遇到建筑物、云層、樹影、鳥的排泄物等影響而發(fā)生局部陰影現(xiàn)象,光伏陣列的P-V輸出特性因此呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象[1]。局部陰影導(dǎo)致常規(guī)單峰值最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法陷入局部最大功率點(diǎn)(local maximum power point,LMPP)而失效。因此,研究局部陰影下的多峰值MPPT算法具有重大意義。

      文獻(xiàn)[2]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了光伏電池板在陰影影響下的輸出特性,總結(jié)了影響規(guī)律,并提出了提高效率的策略。文獻(xiàn)[3-5]指出了陰影形狀和陣列結(jié)構(gòu)對(duì)PV陣列輸出特性的影響,利用并聯(lián)旁路二極管來(lái)減少陰影的影響并建立了相應(yīng)的仿真模型。文獻(xiàn)[6]給出了一種基于支持向量機(jī)的局部陰影下PV陣列模型。文獻(xiàn)[7]利用分段函數(shù)建立局部陰影下的PV陣列模型。文獻(xiàn)[8]對(duì)傳統(tǒng)集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)。文獻(xiàn)[9]利用開關(guān)管與二極管電路連接PV模塊,實(shí)現(xiàn)了小型光伏陣列結(jié)構(gòu)布局的電氣重構(gòu),但需增加額外硬件和軟件成本。文獻(xiàn)[10]指出對(duì)于BIPV系統(tǒng)需要選取合適的安裝位置。

      對(duì)于全局最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù),文獻(xiàn)[11]提出了兩步法,該方法簡(jiǎn)單但建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上,因此不能保證準(zhǔn)確搜索到全局最大功率點(diǎn),(global maximum power point,GMPP)。文獻(xiàn)[12]提出了響應(yīng)速度較快的MPPT算法,但該算法太復(fù)雜而不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于模糊控制和人工免疫理論的MPPT算法,該方法具有良好的動(dòng)態(tài)特性,但響應(yīng)速度較慢且不能保證準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[14-16]也提出了幾種MPPT算法,但均不能兼顧快速性和準(zhǔn)確性。

      本文利用Matlab/Simulink搭建了局部陰影下的光伏陣列模型,提出了一種準(zhǔn)確性高且同時(shí)兼顧響應(yīng)速度的全局最大功率點(diǎn)跟蹤(global maximum power point tracking,GMPPT)算法,并在1 kW單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中仿真驗(yàn)證了該算法。

      2 光伏陣列建模

      2.1 光伏電池建模

      光伏電池工程模型的等效電路如圖1所示。

      圖1 光伏電池的工程模型Fig.1 Engineering model of photovoltaic cell

      設(shè)立中間系數(shù)A和B,可將其內(nèi)部關(guān)系式簡(jiǎn)化為[17]

      式中:參數(shù)Isc為光伏電池板短路電流;Uoc為開路電壓;Im為最大功率點(diǎn)電流;Um為最大功率點(diǎn)電壓。

      進(jìn)一步考慮光照強(qiáng)度和電池溫度對(duì)光伏電池的影響,需要修正Isc,Uoc,Im,Um參數(shù)如下[17]:

      式中:tref為標(biāo)準(zhǔn)電池溫度,25℃;Sref為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度,1 000 W/m2。

      本文使用英力能源有限公司提供的光伏電池板YL235P-29b,經(jīng)過(guò)大量仿真近似得出系數(shù)a=0.000 5℃,b=0.066 7℃,c=0.005℃。其得出依據(jù)包括以下2點(diǎn):第1是電池溫度每升高1℃功率會(huì)減少0.45%;第2是參考電池生產(chǎn)商提供的I—U特性曲線。仿真發(fā)現(xiàn),若實(shí)際光照強(qiáng)度很低,系數(shù)b還需增大。

      2.2 光伏陣列建模

      單塊光伏電池板輸出電壓和輸出電流有限,通常需要通過(guò)串聯(lián)增大輸出電壓和并聯(lián)增大輸出電流,光伏陣列的工程模型如下:

      式中:ns為光伏電池板的串聯(lián)數(shù);np為光伏電池板的并聯(lián)數(shù);Isc為單塊光伏電池板的短路電流;Upv為單塊光伏電池板的輸出電壓。

      2.3 局部陰影下光伏陣列建模[18]

      電池板生產(chǎn)商為了防止熱斑效應(yīng),在電池板上每n個(gè)電池單體并聯(lián)一個(gè)旁路二極管,如圖2所示,為了便于描述,把這種結(jié)構(gòu)稱為單元體。

      圖2 并聯(lián)旁路二極管的單元體Fig.2 Unit with parallel bypass diode

      一般來(lái)說(shuō),在忽略電池板中各電池單體的溫度、性能等差異時(shí),電池單體在相同光照下發(fā)出的短路電流是相同的,因此在忽略溫度等差異下光照強(qiáng)度與短路電流近似成線性關(guān)系。當(dāng)發(fā)生局部陰影時(shí),無(wú)陰影的光伏電池處于正常發(fā)電狀態(tài),有陰影的部分光伏電池因不能提供相應(yīng)的電流在支路中只能充當(dāng)負(fù)載,直到ibranch≤ix時(shí)該部分光伏電池才能輸出電壓,其中ibranch為該支路輸出電流,ix為該支路中光照強(qiáng)度Sx(Sx<S,S為無(wú)陰影時(shí)的光照強(qiáng)度)的電池單體輸出的短路電流。因此單元體在陰影影響下輸出電壓模型為

      式中:Ui為單元體的輸出電壓;m為單元體中有陰影的電池單體個(gè)數(shù);n為單元體的電池單體個(gè)數(shù)。若Ui為正,表示在當(dāng)前工作電流下單元體處于發(fā)電狀態(tài);若Ui為負(fù),表示單元體被旁路二極管短路。式中Uj(S)為單元體中第j個(gè)處在發(fā)電狀態(tài)的電池單體的輸出電壓,Ux(Sx)為單元體中第x個(gè)作為負(fù)載的電池單體的壓降。當(dāng)單元體因發(fā)電輸出電壓的總和不大于該單元體中呈負(fù)載特性的電池單體產(chǎn)生的壓降(受自身等效串聯(lián)電阻和支路電流的影響)總和時(shí),該單元體則被旁路二極管短路,此時(shí)單元體的輸出電壓約為-0.7 V。

      設(shè)電池板由r個(gè)單元體串聯(lián),當(dāng)電池板工作在光照強(qiáng)度S時(shí),整個(gè)電池板的輸出電壓Upv為

      當(dāng)k塊電池板串聯(lián)組成支路時(shí),支路輸出電壓Ubranch為

      式中:Upvr為第r塊電池板的輸出電壓。而支路輸出電流由負(fù)載決定。

      假設(shè)光伏陣列由s條支路并聯(lián)組成,則整個(gè)光伏陣列輸出特性為

      式中:Uarray為光伏陣列輸出電壓;Iarray為光伏陣列輸出電流;Ibranch(j)為第j條支路電流。

      3 全局最大功率點(diǎn)跟蹤算法

      局部陰影導(dǎo)致光伏陣列的P—U輸出特性存在多個(gè)LMPP,而文獻(xiàn)[3-6]指出了陰影對(duì)PV陣列輸出的影響因陰影形狀和陣列結(jié)構(gòu)變化而變化,正是由于陰影的隨機(jī)性,因此需要全局搜索才能確定GMPP。本文現(xiàn)提出一種GMPPT算法。

      假定發(fā)電系統(tǒng)在常規(guī)MPPT算法控制之下已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn),若此時(shí)發(fā)生局部陰影,算法將進(jìn)行如下步驟:

      1)檢測(cè)當(dāng)前光伏陣列輸出電壓U[k]和電流I[k];

      2)若I[k]-I[k-1]≤KI·I[k-1],(KI一般取0~0.1,選取KI=0.05)則繼續(xù)往下執(zhí)行3);否則,執(zhí)行常規(guī)MPPT法;

      5)以V0為起點(diǎn),利用常規(guī)MPPT法跟蹤到局部最大功率點(diǎn)M(1),并記錄M(1)處的電壓V1和功率P1,然后增加參考電壓至V1+KV·ΔV,再次利用常規(guī)MPPT法跟蹤到局部最大功率點(diǎn)M(2),并記錄M(2)處的電壓V2和功率P2,依此類推,依次得到電壓V1,V2,…,Vn,功率P1,P2,…,Pn;

      6)找出P1,P2,…,Pn的最大者,并提取相對(duì)應(yīng)的電壓(如P1最大,則提取電壓V1),至此算法才找到全局的最大功率點(diǎn)。

      上述常規(guī)MPPT法指的是常規(guī)單峰值MPPT方法,本文選用擾動(dòng)觀察法,因此單峰值MPPT算法的精度和速度也會(huì)影響全局搜索的精度和速度。一般情況下局部陰影不會(huì)特別復(fù)雜,因此實(shí)際上述步驟5)中不需要進(jìn)行n次常規(guī)MPPT法搜索,實(shí)際只需要搜索l次(l為實(shí)際LMPP個(gè)數(shù))。原因是當(dāng)增加參考電壓KV·ΔV之后,若發(fā)現(xiàn)搜索LMPP時(shí),參考電壓在數(shù)個(gè)(依據(jù)步長(zhǎng)的長(zhǎng)度而定)步長(zhǎng)內(nèi)不連續(xù)增加,則退出常規(guī)MPPT法,繼續(xù)增加參考電壓ΔV后再進(jìn)行常規(guī)MPPT法,依次類推。當(dāng)檢測(cè)到的當(dāng)前電壓時(shí),則中止跳躍,至此表明全局電壓掃描結(jié)束。整個(gè)MPPT算法流程見(jiàn)圖3,搜索過(guò)程簡(jiǎn)化為圖4所示。

      圖3 全局MPPT算法流程圖Fig.3 Flowchart of global MPPT algorithm

      圖4 局部陰影下MPPT全局電壓掃描過(guò)程Fig.4 Process of MPPT global voltage scanning under partial shadow

      4 仿真驗(yàn)證

      4.1 局部陰影下光伏陣列輸出特性仿真

      本文使用英力能源有限公司提供的光伏電池板YL235P-29b,其參數(shù)為開路電壓37.0 V,短路電流8.54 A,最大功率點(diǎn)處電壓29.5 V,最大功率點(diǎn)處電流7.97 A,最大功率235 W。單塊電池板中包含60個(gè)電池單體,每20個(gè)電池單體反并聯(lián)1個(gè)旁路二極管構(gòu)成一個(gè)單元體。

      利用Matlab/Simulink仿真工具搭建局部陰影條件下光伏陣列仿真模型,仿真模型使用4塊電池板串聯(lián)。模擬存在2個(gè)LMPP情況,給定其中某一塊電池板的光照為800W/m2,剩下3塊均為1 000W/m2,溫度4塊均為25℃,仿真得到P—U輸出特性如圖5a所示。圖5a中A(88.99V,694.6W),B(124.6V,826W)兩點(diǎn)均為局部最大功率點(diǎn),顯然B點(diǎn)為全局最大功率點(diǎn)。

      模擬存在3個(gè)LMPP情況,給定其中2塊分別為800W/m2、600W/m2,剩下2塊均為1 000W/m2,溫度4塊均為25℃,仿真得到P—U輸出特性如圖5b所示。圖5b中C(58.05V,452.6W),D(91.65V,603.3W),E(127.1V,635.7W)3點(diǎn)均為局部最大功率點(diǎn),顯然E點(diǎn)為全局最大功率點(diǎn)。

      圖5 P—U輸出特性Fig.5 P—U output characteristics

      4.2 局部陰影下MPPT算法仿真驗(yàn)證

      利用Matlab/Simulink搭建了局部陰影下GMPPT算法仿真模型,采用擾動(dòng)觀察法作為常規(guī)MPPT算法。將圖5兩種局部陰影情況分別在Matlab/Simulink中已搭建好的1 kW單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真,得到的功率跟蹤曲線和直流電壓跟蹤曲線如圖6,圖7所示,整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真圖如圖8所示。

      圖6 2個(gè)LMPP的GMPPT功率輸出曲線和直流電壓曲線Fig.6 GMPPT power output curve and DC voltage curve for two LMPPs

      圖7 3個(gè)LMPP的GMPPT功率輸出曲線和直流電壓曲線Fig.7 GMPPT power output curve and DC voltage curve for three LMPPs

      圖8 1 kW單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)Fig.8 1 kW single stage grid-connected PV generation system

      需要指出在單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中,全局最大功率點(diǎn)是指在滿足逆變所需的最小電壓之上的全局最大功率點(diǎn),也就是說(shuō)如果不存在逆變最小電壓的場(chǎng)合(如兩級(jí)式等光伏發(fā)電系統(tǒng))則不需要作如此說(shuō)明,因此本文的起點(diǎn)電壓V0必須在滿足逆變所需的最小電壓之上。本文光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用基于電網(wǎng)電壓定向的同步電流PI矢量控制,采用SVPWM調(diào)制方式控制電壓源型三相橋式逆變器開關(guān)管的開關(guān)。

      如圖6a所示,算法搜索到局部最大功率點(diǎn)F(701W),G(831.7W),但PV最終輸出穩(wěn)定在局部最大功率點(diǎn)(831.7W)處,接近兩個(gè)局部LMPP的P—U輸出特性中全局GMPP處的功率(826W),誤差約0.69%。圖6b中直流電壓的振蕩是因?yàn)镸PPT算法中參考電壓大步跳躍引起的,整個(gè)搜索時(shí)間不到0.6 s,若采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法,搜索時(shí)間將大大減少。如圖7a所示,算法搜索到局部最大功率點(diǎn)H(458.5W),I(608.8W),J(640W),但PV最終輸出穩(wěn)定在局部最大功率點(diǎn)(640W)處,接近3個(gè)局部LMPP的P—U輸出特性中全局最大功率點(diǎn)處的功率(635.7W),誤差約0.67%。圖7b中的振蕩也是因?yàn)镸PPT算法中參考電壓大步跳躍引起的,整個(gè)搜索時(shí)間約0.8 s,同樣若采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法,搜索時(shí)間將大大減少。

      5 結(jié)論

      詳細(xì)分析了局部陰影下光伏陣列模型,并在Matbla/Simulink仿真環(huán)境下建立了局部陰影下光伏陣列仿真模型和GMPPT算法仿真模型,得到了局部陰影下的光伏陣列輸出特性,并將兩者結(jié)合在1 kW單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中分別進(jìn)行了2個(gè)和3個(gè)LMPP的GMPPT算法仿真。得出以下結(jié)論:

      1)局部陰影下光伏陣列輸出P—U特性呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象,且曲線形狀與光伏陣列結(jié)構(gòu)相關(guān),局部最大功率點(diǎn)數(shù)目與陰影形狀相關(guān),常規(guī)MPPT算法陷入局部最大功率點(diǎn);

      2)發(fā)生局部陰影具有隨機(jī)性,一般需要全局掃描電壓才能獲得全局最大功率點(diǎn);

      3)提出的GMPPT算法能使發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤到全局最大功率點(diǎn),同時(shí)兼顧響應(yīng)速度,相比一般的全局電壓掃描方法要快5~10倍以上,但搜索時(shí)間隨著局部陰影個(gè)數(shù)的增加而有較少的增加;

      4)改進(jìn)本算法所采用的常規(guī)單峰值MPPT算法速度,可作為進(jìn)一步提高本算法速度的策略。

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