基于電導(dǎo)增量法的太陽(yáng)能光伏陣列MPPT仿真

梁 亮， 詹智民， 鄧小磊， 葉 磊， 陳根永

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.湖北華中電力科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430077； 3.國(guó)網(wǎng)河南禹州市供電公司，河南 禹州 461670)

0 引言

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)前景廣闊且發(fā)展迅速，但其目前存在發(fā)電效率低，輸出特性非線性等限制，因此對(duì)其最大功率點(diǎn)運(yùn)行的研究十分必要.此外，光照強(qiáng)度的變化，環(huán)境溫度和太陽(yáng)能電池板粉塵聚集都會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出造成很大影響[1-2].

MPPT控制的目的就是使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠在多變的環(huán)境條件下自動(dòng)獲得理想的最大功率點(diǎn)運(yùn)行.目前為光伏發(fā)電而發(fā)展起來(lái)的MPPT方法有許多，例如擾動(dòng)觀察法、恒定電壓法、電導(dǎo)增量法等[3-5]，以及在這些分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況和各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)的方法.綜合考慮各種MPPT方法，可以看出電導(dǎo)增量法是其中效果較好的一種，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速準(zhǔn)確地使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)，不會(huì)像擾動(dòng)觀測(cè)法那樣在最大功率點(diǎn)附近反復(fù)振蕩，并且當(dāng)外界光照等條件劇烈變化時(shí)，電導(dǎo)增量法能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行追蹤，系統(tǒng)運(yùn)行效果較好[6].

筆者將利用PSCAD/EMTDC軟件實(shí)現(xiàn)基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制仿真.首先通過(guò)仿真對(duì)不同光照強(qiáng)度和不同運(yùn)行溫度下光伏陣列的短路電流及開(kāi)路電壓進(jìn)行測(cè)量分析，然后采用滯環(huán)比較的方法產(chǎn)生控制脈沖，搭建MPPT控制仿真電路，進(jìn)行光照強(qiáng)度為1 000 W/m2、運(yùn)行溫度為25 ℃條件下的最大功率追蹤，并研究了恒溫下不同光照強(qiáng)度對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的影響.

1 光伏電源的數(shù)學(xué)模型及物理模型

1.1 光伏電源等效電路及數(shù)學(xué)模型

依據(jù)光伏電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路特性，可建立光伏電源的數(shù)學(xué)模型公式[7]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：A為P-N結(jié)曲線常數(shù)；IVD為內(nèi)部等效二極管的P-N結(jié)反向飽和電流；Isc為光伏電源短路電流；UD為等效二極管端電壓；Uoc為光伏電源開(kāi)路電壓；Q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度.

1.2 光伏并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)MPPT功能必須有電路拓?fù)涞闹С?現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的拓?fù)渲饕袉螛O式和雙極式兩種，圖1和圖2為這兩種拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu).

圖1 雙極性光伏并網(wǎng)逆變器Fig.1 Bipolar photovoltaic grid-connected inverter

圖2 單極式光伏并網(wǎng)逆變器Fig.2 Unipolar photovoltaic grid-connected inverter

如圖所示，雙極性結(jié)構(gòu)含升壓斬波電路(boost converter)，單極性則不含.光伏發(fā)電一般采用圖3所示的雙級(jí)式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為DC-DC直流變換，采用Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目的是將光伏電池陣列輸出直流電壓升高到一個(gè)合適的水平，并且實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制.第二級(jí)是DC-AC變換，采用三相全控橋逆變電路，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng).本文仿真基于雙極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制[8].

2 光伏陣列開(kāi)路電壓和短路電流的測(cè)量

光伏陣列開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc是PSCAD/EMTDC軟件中MPPT元件的重要參數(shù)，不僅和光伏陣列結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還與光照強(qiáng)度瞬時(shí)值G及電池運(yùn)行溫度瞬時(shí)值T有關(guān)[9].這里設(shè)定光伏陣列由11個(gè)模塊串聯(lián)而成，每個(gè)模塊由10個(gè)光伏電池堆并聯(lián)，而每個(gè)光伏電池堆由36個(gè)光伏電池單元串聯(lián)構(gòu)成，光照強(qiáng)度G與運(yùn)行溫度T為可變量，建立圖3所示仿真模型.

圖3 測(cè)量Uoc和Isc仿真模型Fig.3 The artificial model to measure Uoc & Isc

2.1 溫度對(duì)開(kāi)路電壓和短路電流的影響

現(xiàn)控制光照強(qiáng)度瞬時(shí)值G=1 000 W/m2，設(shè)置溫度梯度為0、25、50、75、100 ℃.觀察仿真波形，記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc，如表1所示.

表1 G=1 000 W/m2條件下開(kāi)路電壓Uoc和短路電流IscTab.1 Short-circuit current Uoc and open-circuit voltage Isc under the condition G=1 000 W/m2

由表1可知，在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行溫度范圍內(nèi)(0～100 ℃)，當(dāng)光照強(qiáng)度G保持恒定時(shí)，隨著電池運(yùn)行溫度T的升高，開(kāi)路電壓Uoc逐漸減小，而短路電流Isc逐漸增大.

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)開(kāi)路電壓和短路電流的影響

現(xiàn)控制電池運(yùn)行溫度瞬時(shí)值T=25 ℃，設(shè)置光照強(qiáng)度梯度為0、200、400、600、800、1 000、1 200 W/m2.觀察仿真波形，記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc，如表2所示.

表2 T=25 ℃條件下開(kāi)路電壓Uoc和短路電流IscTab.2 Short-circuit current Uoc and open-circuit voltage Isc under the condition T=25 ℃

由表2可知，在適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度范圍內(nèi)(0～1 200 W/m2)，當(dāng)運(yùn)行溫度T保持恒定時(shí)，隨著光照強(qiáng)度G的升高，開(kāi)路電壓Uoc逐漸增大，短路電流Isc也逐漸增大，且與G成正比例關(guān)系.當(dāng)光照強(qiáng)度為0時(shí)，開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc均為0.

3 MPPT控制的仿真

光伏系統(tǒng)中的MPPT控制策略，就是先根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏電源的瞬時(shí)輸出功率，經(jīng)過(guò)一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工況下光伏電源可能的最大功率輸出點(diǎn)，然后通過(guò)改變當(dāng)前的阻抗或電流、電壓等方式來(lái)滿足最大功率輸出的要求[10].

3.1 電導(dǎo)增量法的原理

電導(dǎo)增量法通過(guò)不斷比較光伏電源工作時(shí)的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)，進(jìn)而改變控制信號(hào)[11].光伏電源最大功率點(diǎn)處的光伏電源輸出功率P與輸出電壓U滿足條件：

(5)

從而可得：

(6)

式中：dP為輸出功率P的增量；dU為輸出電壓U的增量；dI為電流I的增量；G為瞬間電導(dǎo)；dG為瞬時(shí)電導(dǎo)G的增量.

用ΔU和ΔI代替dU和dI，可得：

dI(t2)≈ΔI(t2)=I(t2)-I(t1)；

(7)

dU(t2)≈ΔU(t2)=U(t2)-U(t1).

(8)

進(jìn)一步推導(dǎo)，可得系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)與最大功率點(diǎn)UMPP的判據(jù)如下，其中t1和t2為兩相鄰的時(shí)間點(diǎn).

3.2 在PSCAD/EMTDC軟件上搭建仿真模型

該模型追蹤算法采用的是電導(dǎo)增量法，元件輸入為光伏陣列輸出電壓VpvX和輸出電流IpvX.

模型主電路如圖4所示.光伏陣列的輸入為光照強(qiáng)度變量G與溫度變量T，輸出連接至三相逆變器直流電容，VFdc為實(shí)際直流電容電壓，三相逆變器由6個(gè)IGBT元件組成，光伏陣列經(jīng)無(wú)源逆變后向電阻負(fù)載提供有功功率，其中IFa、IFb與IFc為三相輸出電流.

圖5所示為控制電路.光伏陣列輸出電壓VpvX和輸出電流IpvX經(jīng)慣性環(huán)節(jié)輸入MPPT元件，元件輸出是最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓D，該電壓信號(hào)D加上電阻壓降信號(hào)F之后可得直流電容的電壓參考信號(hào)Vdref.將該電壓與實(shí)際直流電容電壓VFdc相減，再通過(guò)PI校正環(huán)節(jié)，可得參考輸出電流幅值信號(hào)IM，最后通過(guò)電流初相位、幅值IM及頻率合成三相輸出電流參考信號(hào)Iaref、Ibref和Icref.

圖4 MPPT仿真模型Fig.4 The main artificial model of MPPT

圖5 控制電路Fig.5 The control circuit of MPPT

三相逆變器的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路如圖6所示.圖中err_A、err_B與err_C為各項(xiàng)電流的誤差信號(hào)，H_on為開(kāi)通信號(hào)，H_off為關(guān)斷信號(hào)，g1～g6為生成的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào).

圖6 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路Fig.6 The trigger pulse generating circuit

產(chǎn)生觸發(fā)脈沖采用了滯環(huán)比較的方法，并利用了PSCAD提供的脈沖發(fā)生元件，這里以編號(hào)1和4的IGBT的脈沖產(chǎn)生方法為例說(shuō)明該電路原理.產(chǎn)生器件1開(kāi)通信號(hào)的H端接A相電流的誤差信號(hào)err_A，L輸入為滯環(huán)死區(qū)(0.000 2 kA)，則當(dāng)參考電流信號(hào)大于實(shí)際輸出電流0.2 A時(shí)，開(kāi)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)為1，器件1導(dǎo)通；產(chǎn)生器件1關(guān)斷信號(hào)的H端接A相電流的誤差信號(hào)err_A，L輸入為滯環(huán)死區(qū)(0.000 2 kA)，則當(dāng)實(shí)際輸出電流大于參考電流信號(hào)0.2 A時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0，器件1關(guān)斷.器件4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)正好與器件1的反相.

3.3 仿真波形觀測(cè)與分析

設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)10.0 s，仿真步長(zhǎng)50 μs，繪圖步長(zhǎng)250 μs，依此設(shè)置仿真參數(shù)并運(yùn)行.

逆變器A相輸出電流和和參考電流的仿真波形如圖7所示.由圖7可以看出，直流電壓能較好的跟蹤參考電壓指令，逆變器輸出電流可以良好的跟蹤參考電流，輸出是50 Hz基波正弦信號(hào).

圖7 A相電流波形Fig.7 The simulation waveform of A phase current

光伏陣列的輸出電壓電流和輸出功率仿真波形分別如圖8和圖9所示.

圖8 光伏輸出電壓電流波形Fig.8 The simulation waveform of photovoltaic output voltage and current

圖9 輸出功率波形Fig.9 The simulation waveform of output power

設(shè)定孔徑起點(diǎn)為2.0 s，長(zhǎng)度為8.0 s，可得光伏陣列的P-U曲線如圖10所示.根據(jù)以上仿真波形圖可以看出，大約5.4 s之后光伏陣列輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后的輸出電壓約為269 V，輸出電流約為23.4 A，最大功率達(dá)到6.3 kW.根據(jù)圖10可以看出，對(duì)應(yīng)最大功率的輸出電壓也基本為270 V，最大功率約為6.3 kW，即說(shuō)明該模型實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電MPPT控制，輸出功率達(dá)到當(dāng)前光照條件和溫度條件下的最大值.

圖10 光伏陣列的P-U波形Fig.10 The P-U waveform of photovoltaic array

3.4 不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)

控制電池運(yùn)行溫度T=25 ℃不變，設(shè)定光照強(qiáng)度梯度為0，200，400，600，800，1 000，1 200 W/m2.設(shè)置仿真電路參數(shù)，觀察波形并記錄最大功率點(diǎn)及相應(yīng)的UMPP，如表3所示.

表3 T=25 ℃，不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)Tab.3 MPP under different solar irradiance levels when T=25 ℃

可見(jiàn)在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，保持運(yùn)行溫度T恒定，光伏陣列最大輸出功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)G=1 000 W/m2時(shí)最大輸出功率PM達(dá)到最大值，此光照強(qiáng)度為最適宜的值.

4 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)光伏陣列的開(kāi)路電壓和短路電流進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：溫度保持恒定，隨著光照強(qiáng)度的升高，開(kāi)路電壓逐漸增大，短路電流逐漸增大.當(dāng)光照強(qiáng)度為0時(shí)，開(kāi)路電壓和短路電流均為0；光照強(qiáng)度保持恒定，隨著運(yùn)行溫度的升高，開(kāi)路電壓逐漸減小，而短路電流逐漸增大.

然后針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用PSCAD/EMTDC軟件建立了基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制仿真模型，該模型使用了MPPT元件，逆變環(huán)節(jié)的觸發(fā)脈沖采用電流滯環(huán)比較的方法，模型整體簡(jiǎn)潔有效，具有良好的穩(wěn)定性，能夠迅速有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的最大功率追蹤，輸出功率可較快達(dá)到當(dāng)前光照強(qiáng)度與溫度條件下的最大值.最后分析了不同光照強(qiáng)度對(duì)最大功率點(diǎn)的影響，從而確定了光伏發(fā)電的最佳光照強(qiáng)度.