基于全局變步長電導增量法光伏陣列MPPT研究

李艷青，田建設，劉春堂

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003)

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增長，倡導低碳經(jīng)濟運行，提高資源利用率，加大利用可再生能源力度已成為全社會的共識和責任［1－2］。光伏發(fā)電是當前利用太陽能的主要方式，其發(fā)電過程無機械傳動部件，不排放任何物質(zhì)，而且具有建設周期短、無噪聲、低污染、可就地發(fā)電、無需架設輸電線路、方便地與建筑物相結合等優(yōu)點［3－6］。光伏陣列具有強烈的非線性特性，它的輸出直接受光照、溫度、負載等因素的影響，最大功率點跟蹤控制可以保證光伏陣列在任何條件下始終輸出相應的最大功率，實現(xiàn)光伏能源的充分利用。當前，應用最多的MPPT控制方法為擾動觀察法和電導增量法，變步長跟蹤的原理是在MPP附近時以小步長進行跟蹤，遠離MPP時以較大步長進行跟蹤，使系統(tǒng)能快速跟蹤到MPP［7－8］。為了克服傳統(tǒng)的固定值變步長尋優(yōu)法的缺點，提高光伏能源利用率，本文采用了一種根據(jù)P－U特性曲線斜率確定步長大小的全局變步長尋優(yōu)法，加快了尋優(yōu)速度，提高了尋優(yōu)準確度;同時增加了穩(wěn)定工作點的判斷，減少了循環(huán)次數(shù)，極大減少了MPPT過程中工作點在極值點附近來回震蕩所造成的能量浪費，并用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真模型，驗證了其算法有效性。

1 光伏陣列的模型

根據(jù)光伏陣列內(nèi)部結構和輸出伏安特性，得到光伏電池等效電路，如圖1所示。

單個光伏電池的輸出特性方程為

圖1 光伏電池等效電路

式中:Isc為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照強度λ;I0為流過二極管的反向飽和漏電流;q為電荷量1.6×10－19C;K為Boltzmann常數(shù)，值為1.38×10－23J/K;T為光伏陣列的工作溫度，K;A為二極管的理想常數(shù)，其值為1～2;Id為流過二極管的電流;Rs為光伏電池的內(nèi)阻;Rp為光伏電池的并聯(lián)電阻［9－12］。

一般來說，質(zhì)量好的硅晶片(1 cm)的Rs為7.7～15.3 mΩ，Rp為200～300 Ω。1個理想的光伏電池，其等效串聯(lián)電阻Rs很小，而等效并聯(lián)電阻Rp很大，在一般的工程應用中都可以忽略不計。

2 變步長電導增量法

2.1 傳統(tǒng)變步長電導增量法

光伏陣列P－U特性曲線如圖2所示。由圖2可知，在MPP處，斜率為零，而P=UI，在等式兩邊同時對U求導，則有

圖2 光伏陣列P－U特性曲線

傳統(tǒng)方法的變步長策略是步長的變化在某個區(qū)間段是固定的，不會隨著極值點的逼近而逐漸減小?？梢酝ㄟ^變化固定步長ΔU進行調(diào)節(jié)，減小ΔU可以改善光伏組件在最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象，但較小的ΔU將降低對日照變化的響應速度，使工作點到達極值點的時間會較長。通過增大ΔU能夠提高MPPT的搜索速度，但較大的ΔU使光伏組件在最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象增強。利用傳統(tǒng)變步長搜索光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率點，不能同時滿足搜索的穩(wěn)定性和快速性要求。

傳統(tǒng)變步長法并不是真正意義上的變步長，即是定步長的。定步長電導增量法工作流程如圖3所示。

圖3 定步長電導增量法的控制流程圖

2.2 全局變步長電導增量法

為了克服上述定步長電導增量法的不足，提出了一種便于實現(xiàn)的變步長電導增量法。通過光伏陣列輸出P－U特性曲線上各點的斜率的絕對值確定最大功率點跟蹤的步長，同時提高搜索的穩(wěn)定性和快速性。

2.3 增加穩(wěn)定工作點判斷

當光伏陣列輸出功率在最優(yōu)工作點左右振蕩時，會造成能量損耗并降低太陽能電池的效率。尤其在外界條件變化緩慢時，長時間在最優(yōu)工作點左右振蕩，能量損耗較多［13－15］。因此，有必要設置光伏陣列某一時刻的穩(wěn)定工作點。

根據(jù)上述分析設計出一種全局變步長電導增量法，該方法在傳統(tǒng)方法基礎上增加了穩(wěn)定工作點判定策略，其流程如圖4所示。

圖4 全局變步長電導增量控制流程圖

3 仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK軟件環(huán)境搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的仿真模型圖，如圖5所示。

對建立的模型圖進行了仿真，設定初始條件為標準光照1 000 W/m2和常溫25℃。仿真結果如圖6、圖7所示。

從圖6中可以看出，變步長電導增量法的暫態(tài)結束時間為0.015 s，而定步長電導增量法的暫態(tài)結束時間為0.02 s，顯然變步長電導增量法的搜索速度快于定步長電導增量法，接近穩(wěn)態(tài)時震蕩現(xiàn)象比定步長電導增量法較小。

當外界溫度和光照強度發(fā)生變化時，假設在0.025 s時外界溫度由50℃變?yōu)?℃，在0.05 s時光照強度由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2。仿真結果如圖8、圖9所示。

比較圖8、圖9，可以看出，外界溫度由50℃變?yōu)?℃時，光伏電池輸出功率由5 000 W升高到5 448 W。光照強度由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2時，光伏電池輸出功率由5 448 W降為3 700 W，表明了光伏電池輸出功率與外界溫度、光照強度的關系，即光伏電池輸出功率隨溫度降低而增大，隨光照強度降低而減小。比較圖8、圖9，可以看出，相對于定步長電導增量法，變步長電導增量法可以根據(jù)外界環(huán)境的變化進行較快的功率跟蹤，而且接近穩(wěn)態(tài)時的震蕩現(xiàn)象也較小。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

4 結論

1)在光伏模型進行分析的基礎上，通過對MPPT算法的改進，運用全局變步長電導增量法實現(xiàn)了MPPT。

2)運用全局變步長尋優(yōu)法加快了尋優(yōu)速度，提高了尋優(yōu)準確度，同時增加了穩(wěn)定工作點的判斷，減少了循環(huán)次數(shù)。

3)該算法在各種外界環(huán)境變化情況下均能迅速穩(wěn)定地輸出最大功率，并有效地解決了傳統(tǒng)變步長電導增量法搜索的穩(wěn)定性和快速性相矛盾的問題。

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