改進(jìn)混合步長光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制

范亞楠， 劉天羽

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

近年來光伏市場變得越來越大，涉及的工業(yè)領(lǐng)域也越來越寬，其生存的環(huán)境也越來越復(fù)雜，但其有效解決了能源短缺的問題。同時(shí)目前光伏出現(xiàn)的問題也逐漸增多，如光伏熱斑、光伏電勢誘導(dǎo)衰減(Potential Induced Degradation, PID)效應(yīng)、局部陰影、防雷等現(xiàn)象[1-4]。很多制造商最為關(guān)注的是局部陰影和光伏PID現(xiàn)象。由于光伏陣列的輸出電壓和電流受到外界環(huán)境的影響較大，呈現(xiàn)出非線性特性，所以功率也會(huì)隨之不斷變化。因此，如何實(shí)時(shí)輸出最大功率即最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)在光伏控制中變得尤為重要。目前，MPPT控制方式已有很多種[5-9]，控制方式不同，實(shí)現(xiàn)過程也有區(qū)別。根據(jù)控制算法的特征和控制對(duì)象不同，可以將MPPT技術(shù)分為：基于參數(shù)選擇的間接控制法、基于電壓電流檢測的直接控制法和基于現(xiàn)代控制理論的人工智能算法等[10]。

步長的多變會(huì)造成最大功率點(diǎn)的三電平擾動(dòng)[11]，基于變步長的MPPT研究方法已經(jīng)擴(kuò)展了許多，文獻(xiàn)[12]運(yùn)用逐步逼近法，逼近最大功率點(diǎn)處時(shí)需多次擾動(dòng)再穩(wěn)定；文獻(xiàn)[13]給出了一種自適應(yīng)的變步長電導(dǎo)增量法，提高了跟蹤過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在光照突變情況下功率起初變化較大；文獻(xiàn)[14]提出一種由方程組確定的補(bǔ)償調(diào)節(jié)，跟蹤性能得到很好的優(yōu)化，但動(dòng)態(tài)性能處理要求較高?；旌喜介L的研究近幾年來成為研究的熱點(diǎn)，與現(xiàn)有的變步長電導(dǎo)增量研究方法不同的是混合步長結(jié)合了定步長和變步長的優(yōu)越性?？紤]環(huán)境突變的情況下，對(duì)電壓影響較大，根據(jù)電壓閾值和P-U特性曲線對(duì)步長分區(qū)控制，步長的變化分為3部分，控制過程簡單且易操作。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)及其影響因素

1.1 光伏陣列模型

常見的太陽能光伏電池等效電路如圖1所示，通常以其作為數(shù)學(xué)模型，可推算出光伏電池輸出電壓U和電流I之間的關(guān)系為

(1)

式中：Iph為光生電流；Id為二極管結(jié)電流；Rp為并聯(lián)電阻；Rs為串聯(lián)電阻；U為輸出電壓；I為輸出電流。實(shí)際運(yùn)用中通常Rp?Rs。

圖1 太陽能光伏電池等效電路

為進(jìn)一步探究光伏電池與外部環(huán)境的關(guān)系，將式(1)進(jìn)一步拓展，則光伏板輸出特性為[13]

(2)

式中：Is為二極管反向飽和電流；q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為外部環(huán)境溫度值；A為二極管理想因子。

圖2所示為光伏電池的輸出特性曲線。其中Um表示最大功率點(diǎn)電壓，通常將Um左側(cè)部分電壓區(qū)域光伏電池近似看作電流源，有明顯高內(nèi)阻特性；而在Um右側(cè)部分電壓區(qū)域光伏電池近似看作電壓源，有明顯低內(nèi)阻特性。根據(jù)電路最大功率傳輸理論，當(dāng)光伏電池內(nèi)阻和負(fù)載阻值相同時(shí)，將獲得最大功率Pm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳輸出電流為Im，最佳輸出電壓為Um。

圖2 光伏電池輸出特性

1.2 光伏電池影響因素

光伏電池的輸出特性受環(huán)境因素的影響較大，如光照、溫度、生存環(huán)境和負(fù)載變化會(huì)使最大功率點(diǎn)發(fā)生偏移。因此，為了研究光伏系統(tǒng)在各種條件下的適應(yīng)力，需要研究外界環(huán)境對(duì)光伏電池輸出特性的影響。

圖3所示為環(huán)境溫度為25 ℃，但光照強(qiáng)度不同的光伏電池輸出的U-I(電壓-電流)和U-P(電壓-功率)曲線。由圖3可知，在溫度不變的情況下，隨著光照強(qiáng)度的降低，光伏電池的開路電壓Uoc和短路電流Isc都減小，因此，光伏的輸出功率也減小。光照強(qiáng)度的變化對(duì)電壓源區(qū)域影響較小，對(duì)電流源區(qū)域影響較大，三者之間存在著近似線性關(guān)系。溫度一定，光照強(qiáng)度與最大輸出功率成正比。

圖3 不同光照強(qiáng)度下光伏電池輸出特性的變化

圖4所示為光照強(qiáng)度在800 W/m2，但溫度不同的光伏電池輸出的U-I和U-P曲線。由圖4可知，隨著溫度的降低，短路電流Isc有所降低，但開路電壓Uoc有所提升，功率也相應(yīng)小幅度上升。光照強(qiáng)度一定時(shí)，最大輸出功率與溫度成反比。

圖4 不同溫度下光伏電池輸出特性的變化

近幾年來，光伏PID效應(yīng)也稱為電勢誘導(dǎo)衰減[15]越來越成為光伏生廠商關(guān)注的問題，取得了相應(yīng)的解決措施，并投入到大型發(fā)電站。光伏PID現(xiàn)象是指電池組件的封裝材料(其上、下表面的材料)，電池片與其接地金屬邊框之間在高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，而造成組件性能衰減的現(xiàn)象，主要原因是濕度。

表1所示為組件PID效應(yīng)測試前后的參數(shù)，通過對(duì)比明顯可見，PID效應(yīng)對(duì)太陽能電池組件的輸出功率影響巨大。組件的開路電壓Uoc下降較多，對(duì)短路電流Isc影響不大。

表1 組件PID測試前后參數(shù)

綜上所述，光照強(qiáng)度、溫度和光伏PID效應(yīng)對(duì)光伏電池的輸出功率都有影響，光照強(qiáng)度和PID效應(yīng)對(duì)其影響較大，溫度影響較小，其中光伏PID效應(yīng)會(huì)影響光伏板的性能，長時(shí)間的積累會(huì)嚴(yán)重影響光伏板的輸出功率，最大功率點(diǎn)也在不斷變化，嚴(yán)重影響光伏板壽命。

2 最大功率跟蹤方法

2.1 主電路和電導(dǎo)增量法

基于升壓電路進(jìn)行MPPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖5所示，光伏陣列模型由式(1)、(2)數(shù)學(xué)模型提供。

圖5 MPPT系統(tǒng)

當(dāng)光伏陣列阻值Rpv和負(fù)載R0相等時(shí)，輸出最大功率。假設(shè)M(D)為電壓轉(zhuǎn)化比，η為升壓電路轉(zhuǎn)化效率，則有

(3)

(4)

式中：Pout為光伏陣列輸出功率；Pin為光伏陣列輸入功率；U為光伏陣列輸出電壓；U0為直流側(cè)輸出電壓。將式(3)代入式(4)得

(5)

由于負(fù)載R0為一定值，可以調(diào)節(jié)占控比D使其阻值等于Rpv，其中占控比D表示為

(6)

電導(dǎo)增量法是最常用的最大功率跟蹤控制方法之一，它是光伏電池根據(jù)光伏電池瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)變化量實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。由光伏電池P-U輸出曲線可以看出，曲線頂點(diǎn)為最大功率跟蹤點(diǎn)。由此可得：

(7)

在實(shí)際系統(tǒng)中，電導(dǎo)增量法需要反復(fù)進(jìn)行微分運(yùn)算,對(duì)處理器的運(yùn)算能力要求較高,因此，實(shí)際通常用ΔP/ΔU代替dP/dU來判斷干擾的方向以減小運(yùn)算量，故對(duì)步長的設(shè)置確定了追蹤最大功率的快速性和準(zhǔn)確性。

2.2 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法

傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法通常采用定步長進(jìn)行MPPT,但這種方法存在明顯缺陷:如果步長太小，則需要更多的時(shí)間才能追蹤到最大功率點(diǎn);如果步長太大,則系統(tǒng)會(huì)在最大功率點(diǎn)處左右振蕩。改進(jìn)式的混合步長由電壓閾值區(qū)分步長的變化，MPPT控制器采用直接控制法[16]。圖6所示為擾動(dòng)觀察法示意圖。

圖6 擾動(dòng)觀察法示意圖

結(jié)合式(3)可得輸出功率為

Pout=(U·M(D))2/R0

(8)

由式(8)所得光伏陣列的輸出電壓U和電壓轉(zhuǎn)化比M(D)對(duì)于系統(tǒng)的輸出功率影響較大,對(duì)電壓進(jìn)行閾值UT分區(qū)控制可以有效控制最大功率。由第1節(jié)分析得知各種環(huán)境變化對(duì)光伏板的電壓影響較大，而對(duì)于電流的影響作用不大。由于光伏陣列的最大功率電壓通常為開路電壓的0.76倍，所以步長電壓變化量的閾值UT<0.24Uoc。因此，圖6中的虛線將P-U曲線分成了1、2、3部分。可以根據(jù)功率斜率變化將3段曲線定義為功率緩增區(qū)、斜率緩變區(qū)和功率急降區(qū)。各自斜率表示為k1、k2、k3，有如下關(guān)系為

(9)

(10)

式中，|k3|>|k1|>|k2|。

在斜率變化情況不同的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高追蹤的快速性和準(zhǔn)確性，將步長變化依照斜率變化分3段處理，對(duì)于1、3段，步長變量關(guān)系為

si=λi·ki,i=1,3且s1>s3

(11)

式中：λi是步長調(diào)節(jié)系數(shù)，通常選取1～3；ki是線段1和3的斜率。其中由于|k3|>|k1|，故第3段的步長變化明顯大于第1段，出現(xiàn)過調(diào)，因此，選取λ1>λ3。對(duì)于第2段曲線仍采用傳統(tǒng)定步長方法，步長設(shè)置為固定值s2，從而避免了最大功率點(diǎn)處的震蕩。具體控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

3 仿真分析

3.1 光伏陣列局部陰影情況下的仿真

光伏陣列系統(tǒng)的仿真，首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生3組不同的光照強(qiáng)度作用在光伏陣列上，隨后最大功率點(diǎn)MPPT控制單元模塊采集其輸出電流和電壓，從而捕獲最大功率點(diǎn)，作用開關(guān)元器件，使負(fù)載輸出最大功率。光伏板參數(shù)如表2所示。

設(shè)定溫度為25 ℃，采用如圖8所示的2×6光伏陣列，編號(hào)1、2、7、8為第1組，3、4、9、10為第2組，編號(hào)5、6、11、12為第3組。3組光伏組件上光照強(qiáng)度變化情況見表3。為了便于分析變化特性，選取0.3 s和0.4 s處對(duì)其進(jìn)行輸出特性分析，對(duì)應(yīng)功率變化如圖9和圖10所示。

表2 局部陰影下光伏板參數(shù)

圖8 光伏陣列圖

組別光照強(qiáng)度/(W·m-2)0.1s0.2s0.3s0.4s0.5s第1組10003003003001000第2組10003003003001000第3組1000100010003001000

圖9 0.300 s處功率變化情況

圖10 0.400 s處功率變化情況

圖9和圖10中，P為改進(jìn)式混合步長電導(dǎo)增量法下的功率輸出特性，P1為定步長電導(dǎo)增量法。0.300 s處第2組光照強(qiáng)度從1 kW/m2變化到300 W/m2，功率由765.4 W變化到722 W，在0.316 s處再次穩(wěn)定；0.400 s處3組光照強(qiáng)度都從300 W/m2突變到1 kW/m2，功率由704.5 W變化到840.2 W。由此可見，改進(jìn)式的電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率處的震蕩有很好的抑制效果。光照突變的情況下，變步長追蹤控制先啟動(dòng)，保證震蕩的穩(wěn)定性；當(dāng)電壓的變化滿足在電壓閾值UT內(nèi)，進(jìn)行小步長的定步長追蹤，確保了跟蹤的準(zhǔn)確性。該跟蹤方式在光照強(qiáng)度的突增和突降的情況下對(duì)功率的震蕩性都有很好的抑制，從而保證光伏后期的并網(wǎng)質(zhì)量。

3.2 光伏PID效應(yīng)下的仿真

考慮到表1測試的光伏PID下各參數(shù)的變化，需結(jié)合第1節(jié)中式(1)和式(2)創(chuàng)建其模型。光伏板在PID效應(yīng)下，由于其電離積累的效應(yīng)，光伏組件的性質(zhì)在不斷發(fā)生變化從而影響最大功率點(diǎn)。仿真過程需對(duì)其光伏板開路電壓和短路電流等參數(shù)進(jìn)行處理。

圖11 光伏PID效應(yīng)下功率變化情況

因此，光伏PID效應(yīng)下不同最大功率的跟蹤方式，對(duì)于輸出功率的效果也不同，長時(shí)間下必須選取合理的跟蹤方式保證能量的利用率。

4 結(jié) 語

本文采用改進(jìn)式的混合步長控制，很好地抑制了三電平擾動(dòng)，其結(jié)合了變步長和定步長的控制優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)外部環(huán)境和自身特性發(fā)生變化時(shí)，針對(duì)電壓的波動(dòng)，設(shè)定閾值將其步長分區(qū)控制，有效地抑制了追蹤過程中功率變化的震蕩，并保證了準(zhǔn)確性，控制方式簡易，可操作性高。在極端環(huán)境下的運(yùn)行分析，表明了該控制方式能夠使系統(tǒng)有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。