光伏電池的MPPT技術(shù)研究①

駱 力

(安徽工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

0 引言

隨著電力需求日益增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)能源已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)展要求，必須要加大對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)力度，推廣綠色能源在各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用，根據(jù)目前研究和實(shí)踐成果，太陽(yáng)能是值得探索和應(yīng)用的理想能源.作為傳統(tǒng)資源，國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力需求的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，比如在照明中正在推廣的LED技術(shù)，都需要有穩(wěn)定的電力供應(yīng)［1～2］.因此，將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的用電設(shè)備，具有環(huán)保、安全、無(wú)外接電源等優(yōu)點(diǎn).

圖1 光伏電池MPPT原理圖

圖2 基于占空比D的MPPT調(diào)節(jié)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和控制器三部分組成，從功率變換的角度看，逆變部分主要是將光伏電池吸收形成的直流電，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥刂频慕涣麟?，控制器則為了滿足各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行智能調(diào)節(jié).為保證在不同環(huán)境因素下，光伏電池能夠輸出最大功率電能，滿足與電網(wǎng)饋入功率的平衡，需要在系統(tǒng)控制器中引入最大功率跟蹤技術(shù)(MPPT)［3］.通過(guò)數(shù)學(xué)建模和仿真是研究太陽(yáng)能光伏電池特性的重要手段，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的理論分析較為成熟，在此不再贅述，論文主要針對(duì)MPPT技術(shù)進(jìn)行研究.

圖3 擾動(dòng)觀察法基本流程圖

目前，常見(jiàn)的MPPT算法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等，為提高算法精確度和實(shí)時(shí)性，引入不定步長(zhǎng)的計(jì)算方法，這些對(duì)于一般單峰值的光伏陣列模型都是可以正常工作的［4～5］.但不可忽略的是，由于客觀因素，當(dāng)電池陣列中存在局部陰影導(dǎo)致出現(xiàn)多峰值點(diǎn)現(xiàn)象時(shí)，上述的MPPT算法則無(wú)法滿足要求［6～7］.為此，論文通過(guò)分析基本 MPPT 算法原理，對(duì)比各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在保證有效工作的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的PSC－MPPT算法，并驗(yàn)證了其可行性.

圖4 不同采樣時(shí)間、步長(zhǎng)對(duì)輸出性能的影響

1 基本原理

以光伏電池工程模型為例，圖1所示即為光伏電池的最大功率跟蹤原理圖，其控制方法即為調(diào)整負(fù)載阻抗值Rload與電池輸出阻抗Rpv的匹配特性，RL為Boost逆變器輸出等效負(fù)載，Upv，Ipv為光伏電池的輸出、電流.必須指出，光伏電池的輸出阻抗Rpv值在外界環(huán)境的作用下將不斷改變，如果采取有效的方法及時(shí)人為調(diào)整負(fù)載阻抗值Rload，使其依據(jù)電池的輸出Rpv而跟隨變化，即可滿足光伏系統(tǒng)的MPPT控制［8］.假定逆變器輸入和輸出能量守恒，根據(jù)等效阻抗原理，可以求得光伏電池等效負(fù)載:

當(dāng)Rpv=時(shí)，光伏電池輸出最大功率:

因此，Boost逆變器在MPPT調(diào)節(jié)中的應(yīng)用可以理解為調(diào)整占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn):

圖2所示為光伏電池基于占空比D的調(diào)節(jié)曲線，將MPPT算法的輸出量記為光伏電池的參考電壓電流，以求通過(guò)占空比的變化實(shí)時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整電池電壓電流的變步長(zhǎng).

圖5 光伏電池I－U、P－U曲線

2 擾動(dòng)觀察MPPT算法

2.1 技術(shù)原理

擾動(dòng)觀察法屬于自適應(yīng)閉環(huán)控制方法，根據(jù)上述關(guān)于占空比調(diào)節(jié)的方法，按照一定的時(shí)間周期，在輸出占空比上形成一個(gè)方向的小擾動(dòng)ΔD，觀察在該擾動(dòng)作用下原有電壓、電流等數(shù)據(jù)的變化效果，對(duì)比擾動(dòng)前后的輸出功率，判斷其增大和減小的方向，若在擾動(dòng)后輸出功率降低，說(shuō)明改變朝功率減小方向運(yùn)行，應(yīng)立即調(diào)整方向，若輸出變大，說(shuō)明方向有效，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)添加擾動(dòng)值，通過(guò)這樣不斷地?cái)_動(dòng)判斷和搜索，直至尋求滿足最大功率點(diǎn)判定要求.在MPPT的最大功率點(diǎn)處，系統(tǒng)會(huì)因?yàn)檎袷幮纬赡芰繐p耗，這時(shí)可以通過(guò)減小擾動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行改善，但為了保證跟蹤速度的實(shí)時(shí)性需要通過(guò)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖3為擾動(dòng)觀察法基本流程圖，在實(shí)際應(yīng)用中，為防止由于外界環(huán)境變化時(shí)，擾動(dòng)步長(zhǎng)引起的功率變化不能跟蹤真實(shí)變化引起的功率變化值，可適當(dāng)增加擾動(dòng)步長(zhǎng)，對(duì)于算法中的擾動(dòng)周期，通常給定的時(shí)間越短，系統(tǒng)判斷越頻繁，越容易尋求至最大功率點(diǎn)，但也會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)計(jì)算任務(wù)偏重、計(jì)算數(shù)據(jù)交錯(cuò)的問(wèn)題，不利于算法的穩(wěn)定運(yùn)行.因此，根據(jù)光照變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比，改變調(diào)節(jié)輸出功率，應(yīng)合理匹配擾動(dòng)步長(zhǎng)和擾動(dòng)周期.

2.2 仿真分析

仿真系統(tǒng)功率等級(jí)為3KW，采取十塊電池單元五串兩并的組合方式，光伏陣列參數(shù):最大功率點(diǎn)電壓 Um=189.5V，最大功率點(diǎn)電流 Im=15.48A，開(kāi)路電壓 Uoc=226.5V，短路電流 Isc=16.62A，仿真時(shí)間為3s，1.5s時(shí)光照突變由 1000W/m2變?yōu)?00W/m2，算法基于Matlab的M函數(shù)編程實(shí)現(xiàn).

圖4為研究采樣時(shí)間和擾動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)跟蹤效果的研究.對(duì)比圖4(a)與(b)，采樣時(shí)間為0.2e～3s時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯增快，1.6s時(shí)刻系統(tǒng)即穩(wěn)定運(yùn)行，但由于擾動(dòng)周期較短，控制過(guò)程動(dòng)態(tài)交錯(cuò)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)受到相互影響產(chǎn)生波動(dòng)，采樣時(shí)間為1e～3s可以在1.65s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，占空比波形較好.對(duì)比圖4(a)與(c)，采樣時(shí)間相同，擾動(dòng)步長(zhǎng)增大，跟蹤時(shí)間變短，但引起的擾動(dòng)振蕩損耗較大.

圖6 電導(dǎo)增量法流程圖

3 電導(dǎo)增量MPPT算法

3.1 技術(shù)原理

電導(dǎo)增量法相比擾動(dòng)觀察法，在于量化了最大功率點(diǎn)處工作電壓和輸出功率的變化關(guān)系，尋求兩者之間變化規(guī)律，增強(qiáng)判斷效果，調(diào)節(jié)精度更高，根據(jù)P=UI，對(duì)U求導(dǎo):

根據(jù)在相同溫度、不同光照條件下的電池特性曲線分析，如圖5所示，在最大功率點(diǎn)處滿足d P/d U=0，大于0說(shuō)明在曲線左側(cè)應(yīng)增大電壓值，而小于0則表示電壓值偏高，應(yīng)按照減小方向運(yùn)行.

圖7 電導(dǎo)增量法輸出性能分析

圖8 P－U特性曲線與函數(shù)C關(guān)系

上述改變均可以利用電路輸出占空比的變化進(jìn)行控制.電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于，增強(qiáng)了判斷方向的明確性，即使在光照突變的情況下，也能以平穩(wěn)的方式正常工作，但同樣也產(chǎn)生了大量的微分運(yùn) 算，具體方法如圖6所示.

圖9 改進(jìn)PSC－MPPT算法原理

3.2 仿真分析

光伏電池特性、仿真時(shí)間、光照變化參數(shù)與擾動(dòng)觀察法一致，采樣時(shí)間設(shè)為1e～3s，擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.005.考慮到在計(jì)算過(guò)程中存在多種與0比較的判據(jù)，因此增加冗余判斷，即在滿足 －ζ＜d P/d U＜ζ時(shí)，認(rèn)為d P/d U值即為零.仿真結(jié)果如圖7所示，對(duì)比分析，可以看到圖7(a)相對(duì)于圖4跟蹤效果，減小了在穩(wěn)態(tài)時(shí)最大功率點(diǎn)處的振蕩損耗，而圖7(b)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程更為穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩更小.

4 改進(jìn)PSC－MPPT算法

4.1 技術(shù)原理

在實(shí)際工作時(shí)，光伏電池陣列會(huì)出現(xiàn)局部陰影或者其他失配情況，這些突發(fā)事件在特性曲線上將表現(xiàn)為峰值階梯狀，這對(duì)于上述分析的兩種MPPT計(jì)算方法將出現(xiàn)誤判甚至無(wú)法尋求真實(shí)最大功率點(diǎn)，為此對(duì)于這種局部陰影最大功率跟蹤(PSCMPPT)技術(shù)值得分析和探索.相對(duì)于在傳統(tǒng)MPPT算法基礎(chǔ)上借助改變硬件或者添加補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)方式，論文研究了一種基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的PSC－MPPT技術(shù)，引入了局部陰影判斷法和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法.

圖10 局部遮陰后光伏電池輸出性能

為判斷是否進(jìn)行變步長(zhǎng)計(jì)算，在此引入輸出功率對(duì)于輸出電壓的微分絕對(duì)值與光伏電池本身的功率Pn指數(shù)形成的乘積函數(shù)C，如圖8所示，C由曲線C1和C2組成，對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)的電壓為U1和U2，當(dāng)電壓U位于U1和U2之間時(shí)采用變步長(zhǎng)模式，其余則為定步長(zhǎng)分析，n取值越大系統(tǒng)響應(yīng)越快.

當(dāng)n=1時(shí)，可以將d C/d U的值分為四個(gè)部分:

當(dāng)外界環(huán)境突變或者局部陰影時(shí)，式(7)將不能滿足，此時(shí)在光伏電池I－U特性曲線上作等效電導(dǎo)線1/RMPP，可以注意到，電導(dǎo)線與特性曲線的交點(diǎn)電壓等級(jí)較低，所以可依據(jù)此特征來(lái)進(jìn)行判斷調(diào)節(jié)，具體方法如圖9所示，首先進(jìn)行電池電壓Upv和電流Ipv的采樣，計(jì)算此時(shí)的瞬時(shí)阻抗Rpv，將Rpv與RMPP比較，當(dāng)Rpv小于RMPP時(shí)，應(yīng)選擇增大占空比，重新計(jì)算直至兩者相等，在完成上述判斷后，再基于變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤.

4.2 仿真分析

仿真系統(tǒng)參數(shù)與前面一致，設(shè)定變化情況為在0.4s時(shí)刻，第一與第五部分光伏組件的光照由標(biāo)準(zhǔn)遮擋為300W/m2，第二與第四部分組件由標(biāo)準(zhǔn)遮擋為600 W/m2，電池特性曲線由圖10(a)中的K1變?yōu)镵2，最大功率點(diǎn)由變?yōu)镻1變?yōu)镻2.若依據(jù)常規(guī)算法進(jìn)行判斷尋找，跟蹤局部最大功率點(diǎn)至380W左右，則形成較大的誤差，從圖10(b)可以看出，依據(jù)PSC－MPPT算法在0.55s時(shí)刻系統(tǒng)跟蹤上最大功率點(diǎn)，逐漸穩(wěn)定在500W左右，說(shuō)明論文所研究的這種改進(jìn)算法可以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的突變，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，且具備較好的精確性.

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)光伏電池的MPPT技術(shù)進(jìn)行了研究，在MPPT技術(shù)原理分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)觀察法以及電導(dǎo)增量法的闡述，給出了具體的算法流程，通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，相互對(duì)比不同算法的輸出性能，分析出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的PSC－MPPT算法，有效解決了光伏電池局部遮陰的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了光伏電池在不同工作環(huán)境下的最大功率點(diǎn)跟蹤，提高了工作效益，有助于光伏電池在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用.

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