張 林陳 榮*劉 超
(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.鹽城工學(xué)院電氣學(xué)院,江蘇鹽城 224051)
隨著傳統(tǒng)石油和化石能源的日益枯竭,發(fā)展可替代的新能源迫在眉睫。光伏系統(tǒng)以其轉(zhuǎn)換效率高、易安裝、使用壽命長等特點(diǎn)成為新能源發(fā)電領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[1]。最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術(shù)作為提高系統(tǒng)輸出功率的有效途徑,已成為重點(diǎn)研究對象[2]。
常用的功率跟蹤算法有:(1)恒定電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking Method,CVT)。在保持溫度不變且僅改變光照強(qiáng)度的條件下,光伏電池最大功率點(diǎn)電壓Um和開路電壓近似成比例關(guān)系,將Um視為常量能降低MPPT 控制器的設(shè)計(jì)難度[3-4]。該方法雖控制簡單、易實(shí)現(xiàn)且具有良好的穩(wěn)定性,但是忽略了溫度的變化對開路電壓的影響,一旦溫度發(fā)生突變,最大功率點(diǎn)處電壓Um將會(huì)出現(xiàn)偏移[5-7]。邵翠等[8]在系統(tǒng)中增加與光伏陣列特性相同的小功率光伏電池,通過檢測小功率電池的開路電壓從而得到光伏陣列的實(shí)時(shí)最大功率點(diǎn)電壓Um,這雖然解決了電壓偏移問題,但是額外的小功率光伏電池增加了成本。(2)電導(dǎo)增量法(Conductance Increment Method,INC)。該方法根據(jù)輸出功率對輸出電壓的求導(dǎo)結(jié)果判斷擾動(dòng)方向,具有采樣周期短、擾動(dòng)步長小的特點(diǎn),故該方法控制精確[9-10]。但I(xiàn)NC 要求控制器擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,成本高且不利于減少系統(tǒng)的控制周期。(3)擾動(dòng)觀察法(Perturb and Observe Method,P&O)。具有設(shè)計(jì)參數(shù)少,算法簡單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),是目前應(yīng)用最廣泛的控制方法之一。針對該方法中存在的功率振蕩以及實(shí)際工作點(diǎn)誤判問題,張國梁等[11]提出一種自適應(yīng)步長擾動(dòng)法,設(shè)置大步長快速接近最大功率點(diǎn),并在穩(wěn)態(tài)時(shí)調(diào)整為小步長,該方法雖解決了功率震蕩現(xiàn)象,但誤判問題依然存在。陸文婷等[12]應(yīng)用功率預(yù)測算法預(yù)測下一個(gè)周期的功率并以此判斷擾動(dòng)方向,同時(shí)采用變步長擾動(dòng)法,解決了系統(tǒng)對實(shí)際工作點(diǎn)的誤判問題,但是步長系數(shù)難以確定。
為了讓光伏系統(tǒng)在光照強(qiáng)度和溫度同時(shí)變化時(shí)均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)精度,提出一種雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償擾動(dòng)觀察法,該方法在每個(gè)控制周期都有2 種模式,當(dāng)且僅當(dāng)滿足判斷條件時(shí)進(jìn)入擾動(dòng)觀察法模式,不滿足判斷條件時(shí)則進(jìn)入快速接近最大功率點(diǎn)模式—恒定電壓法模式。對提出的雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了該方法可以給光伏系統(tǒng)帶來更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
搭建光伏電池等效模型。如圖1 所示,Rs和Rsh表示光伏電池的損耗。Iph是光生電流,Ipv和Upv分別為光伏電池的輸出電流與輸出電壓,I0為二極管反向飽和電流,Rs和Rsh分別為光伏電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻,q為電荷常量,A為二極管的理想系數(shù),K為玻爾茲曼常數(shù),T為光伏電池板所處的環(huán)境溫度。
根據(jù)此模型由基爾霍夫定律得:
將Id和Ish代入式(1):
圖1 光伏電池等效電路
Rsh的值一般很大,且有Rsh?Rs,故式(2)的第3項(xiàng)(Upv+Ipv×Rs)/Rsh近似為0,可以忽略不計(jì),則式(2)可以簡化為:
設(shè)I0=C1Isc,AKT=qC2Uoc,當(dāng)環(huán)境因素以及電池參數(shù)不變時(shí)可以認(rèn)為C1和C2為常數(shù),代入式(3)可得:
設(shè)實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度為S,溫度為T,標(biāo)況下(在溫度值Tref=25 ℃,光照強(qiáng)度值Sref=1 000 W/m2條件下)光伏電池板的開路電壓、短路電流以及最大功率點(diǎn)處電壓與電流分別為Uoc、Isc、Um、Im,則可得出C1和C2的表達(dá)式:
設(shè)實(shí)時(shí)溫度與Tref的差值為ΔT,實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度與Sref的比值再與1 作差得ΔS,那么有:
在實(shí)際應(yīng)用中光照強(qiáng)度和溫度的變化會(huì)引起相關(guān)參數(shù)的變化,因此當(dāng)環(huán)境變化時(shí),需要重新計(jì)算廠家所給的參數(shù)值,新環(huán)境下的參數(shù)值計(jì)算如下:
式中:常數(shù)a,b,c的取值為a=0.002 5/℃,b=0.5,c=0.002 88/℃。
根據(jù)式(4)~(7)可以在Simulink 中搭建光伏電池的仿真模型,圖2 和圖3 分別為改變T 和S 后光伏電池輸出功率曲線。
圖2 T 變化時(shí)的輸出功率
圖3 S 變化時(shí)的輸出功率
以標(biāo)況下的功率曲線為參照曲線,分別比較T和S的改變對輸出功率的影響,并記錄每條曲線的最大值點(diǎn)坐標(biāo),得到的數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 不同環(huán)境下的最大功率點(diǎn)
由表1 數(shù)據(jù)可知:溫度的改變對開路電壓Uoc影響較大,光照強(qiáng)度的改變對開路電壓Uoc的影響可以忽略。當(dāng)T改變且S恒定時(shí),最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓Um相差較大;當(dāng)S改變且T恒定時(shí),最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓Um接近于某個(gè)定值。因此在T恒定時(shí)可以得到Um的近似表達(dá)式,即:
式中:k為比例常數(shù),一般取值為0.7~0.8。
光伏系統(tǒng)模型如圖4 所示,當(dāng)環(huán)境和負(fù)載均不變時(shí),光伏電池板具有唯一最大功率運(yùn)行點(diǎn),但是實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)可能偏離最大功率點(diǎn),因此為了改變光伏系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn),使其達(dá)到期望功率值Pm,就必須有動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)節(jié)。圖4 可以簡述為:在每個(gè)采樣周期采樣瞬時(shí)電壓Upv和瞬時(shí)電流Ipv,通過輸入量實(shí)現(xiàn)MPPT 控制算法,經(jīng)由能量轉(zhuǎn)換電路(圖中虛線框區(qū)域)達(dá)到升壓濾波和阻抗相匹配的目的。
圖4 光伏系統(tǒng)模型
對于Boost 變換器而言,改變占空比能夠直接控制開關(guān)管VT 通斷頻率,從而改變輸入阻抗和輸出阻抗的比值。根據(jù)最大功率傳輸原理,當(dāng)輸入阻抗和輸出阻抗匹配時(shí)輸出功率最大。假設(shè)電感L工作于電流連續(xù)模式下,輸入電壓和輸出電壓分別為Uin和Uo,則根據(jù)Boost 升壓電路原理,由伏秒積公式可得:Uo=Uin/(1-D),假設(shè)Uin恒定,持續(xù)調(diào)整參數(shù)D,則Uo呈非線性變化。在占空比D的連續(xù)變化中存在唯一最大功率點(diǎn)Pm,此時(shí)最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓電流分別為Um和Im,在達(dá)到Pm點(diǎn)后保持D恒定不變即可維持輸出端電壓電流以及功率的穩(wěn)定。
傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的不足主要有:(1)當(dāng)外界環(huán)境改變的時(shí)候,擾動(dòng)觀察法在自尋優(yōu)的過程中會(huì)出現(xiàn)較大的功率振蕩,并有可能出現(xiàn)誤判;(2)難以平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾,采用大步長擾動(dòng)可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度但是穩(wěn)態(tài)時(shí)振蕩太大,采用小步長雖然可以減小波動(dòng),但是到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)變長,同樣也會(huì)造成功率損失。
傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法采用定步長擾動(dòng),功率曲線振蕩較大,穩(wěn)態(tài)精度不高。為解決振蕩問題,周東寶等[13]提出一種變步長擾動(dòng)觀察法,取步長調(diào)整系數(shù)為
MPPT 控制器在每個(gè)采樣周期都更新擾動(dòng)步長,更新后的參考電壓為:
式中:ΔUref為擾動(dòng)定步長。該方法在外界環(huán)境變化時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度,但是該算法的實(shí)現(xiàn)對控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求高,且同樣不能解決誤判問題。為解決擾動(dòng)觀察法的誤判問題,減小功率振蕩,平衡光伏系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾,提出一種雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O。
光伏系統(tǒng)因誤判會(huì)造成功率損失,錯(cuò)誤的擾動(dòng)方向也會(huì)讓光伏電池工作點(diǎn)無法達(dá)到最大功率點(diǎn)。如圖5 所示,假設(shè)曲線2 表示當(dāng)前時(shí)刻的輸出特性,當(dāng)S不變,此時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)為b點(diǎn),向右增加一個(gè)擾動(dòng)步長后系統(tǒng)工作點(diǎn)為b1,從b到b1電壓和功率均增加,那么擾動(dòng)方向保持不變,繼續(xù)向右增加;當(dāng)S在b點(diǎn)時(shí)突然減小,向右增加擾動(dòng)電壓后實(shí)際工作點(diǎn)為b2,隨著參考電壓增加,光伏電池板輸出功率減小,則此時(shí)MPPT 控制器會(huì)判斷系統(tǒng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè),于是擾動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變,系統(tǒng)工作點(diǎn)向左移動(dòng),導(dǎo)致實(shí)際工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)越來越遠(yuǎn),MPPT 控制器無法跟蹤到系統(tǒng)最大功率點(diǎn),其他點(diǎn)的誤判現(xiàn)象同理。
圖5 功率預(yù)測示意圖
解決誤判問題一般有3 種方法:(1)增加擾動(dòng)頻率;(2)減小擾動(dòng)定步長;(3)采用功率預(yù)測法。擾動(dòng)頻率設(shè)置太高對硬件要求就會(huì)提高,且會(huì)增加噪聲和開關(guān)損耗,由于環(huán)境因素的變化具有不確定性,變步長擾動(dòng)更適合跟蹤最大功率點(diǎn)。對比前2種方法,選擇功率預(yù)測法設(shè)計(jì)MPPT 控制器。
假設(shè)T恒定,只改變S,因?qū)斎肓康牟蓸宇l率足夠高,故可認(rèn)為S在每個(gè)采樣周期內(nèi)均勻變化。如圖5 所示,在t=kT時(shí)刻系統(tǒng)工作點(diǎn)為a點(diǎn),采集輸出電壓為U(k),計(jì)算出輸出功率P(k),在下一個(gè)采樣周期之前增加一個(gè)采樣,即當(dāng)t=(k+0.5)T時(shí)采樣并計(jì)算P(k+0.5),此時(shí)系統(tǒng)工作點(diǎn)為b點(diǎn),在不增加擾動(dòng)電壓的前提下預(yù)測下個(gè)周期,即t=(k+1)T時(shí)刻c點(diǎn)的功率P*(k)為
式(11)是在假設(shè)沒有增加電壓擾動(dòng)的前提下得出的預(yù)測功率,若在t=(k+0.5)T時(shí)刻增加擾動(dòng)Δd,然后在t=(k+1)T時(shí)刻測得U(k+1)、I(k+1),可以計(jì)算得P(k+1)。因此,P*(k)和P(k+1)是相同光照強(qiáng)度下同一條功率-電壓曲線上的2 個(gè)不同工作點(diǎn),那么有
當(dāng)ΔP>0,則擾動(dòng)方向正確,電壓繼續(xù)向右增加;當(dāng)ΔP<0,則需要改變擾動(dòng)方向,電壓減小。由ΔP確定擾動(dòng)方向可以避免出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。電壓擾動(dòng)步長Δd可以表示為
α為擾動(dòng)步長系數(shù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù),取0.002。
以上分析建立在保持光照強(qiáng)度不變且只改變溫度的基礎(chǔ)上。由表1 可知,當(dāng)溫度從15 ℃突變到25 ℃時(shí)輸出功率從209.5 W 減小到201.1 W,當(dāng)溫度從25 ℃突變到60 ℃時(shí)輸出功率從201.9 W 減小到173.6 W,可以看出溫度的改變對光伏電池板輸出特性的影響不可忽略。因此提出一種溫度補(bǔ)償法,引入溫度補(bǔ)償系數(shù)β,有:
式中:ΔT=T-Tref,其中Tref為25 ℃,c取0.002 88/ ℃。
設(shè)計(jì)CVT 和P&O 雙模式切換的最大功率點(diǎn)跟蹤方法,原理如下:MPPT 控制器采樣輸出電流和輸出電壓后進(jìn)入模式判斷程序,當(dāng)U(k)>Um+ΔU或U(k)≤Um-ΔU時(shí)(±ΔU可表示最大功率點(diǎn)范圍,取0.01Uoc,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整),系統(tǒng)進(jìn)入恒定電壓法跟蹤模式,反之則進(jìn)入功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 跟蹤模式。在每個(gè)采樣周期的跟蹤算法結(jié)束后更新最大功率點(diǎn)Um=βUm,控制算法流程圖如圖6 所示。
圖6 控制算法流程圖
進(jìn)行仿真驗(yàn)證并分析,電容C1和C2分別取值為1 000 μF、3 000 μF,升壓電感L=2×10-3H,負(fù)載電阻R=25 Ω,采樣時(shí)間0.000 1 s。搭建200 W 光伏系統(tǒng)的仿真模型,具體參數(shù)如表2 所示。
表2 仿真參數(shù)
仿真實(shí)驗(yàn)分為:a—恒定電壓法;b—傳統(tǒng)變步長P&O;c—雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O。由圖7 到圖9 可以看出:(1)a和c的響應(yīng)時(shí)間很接近,在0.176 s 左右達(dá)到最大功率點(diǎn),b在0.285 s 左右達(dá)到最大功率點(diǎn);(2)b在穩(wěn)態(tài)后電壓和功率振蕩均比a和c要大,到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的功率振蕩范圍為Pa=[190.2,191.4],Pb=[188.7,191.9],Pc=[192.7,193.9]。
圖7 標(biāo)況下輸出電壓
圖8 標(biāo)況下輸出電流
圖9 標(biāo)況下輸出功率
圖10~圖12 為T=25 ℃恒定,僅改變S時(shí)的輸出特性曲線。在0~0.5 s 時(shí)間段內(nèi)S=1 000 W/m2并保持不變,在0.5 s 時(shí)突變?yōu)?00 W/m2,并保持到1 s,在1 s 時(shí)刻又突變到800 W/m2,在1 s~1.5 s 時(shí)間段內(nèi)S保持不變,觀察不同算法的跟蹤效果。圖10和圖11 分別為電壓和電流波形,可以看出:(1)在僅改變光照強(qiáng)度時(shí),輸出電流、電壓、功率變化完全趨勢一致;(2)電壓和電流均與S呈正比例關(guān)系,S增大,電壓和電流均增大,反之均減小,與理論分析相符。由圖12 輸出功率特性可以得出:(1)在2 次S突變時(shí),曲線a的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為0.161 s、0.142 s,曲線b的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為0.251 s、0.250 s,曲線c的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為0.189 s、0.161 s,顯而易見,a的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度最快,b的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度最慢,c介于a和b之間;(2)在第2 次光照強(qiáng)度突變后,到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)Pa=[144.2,145.3],Pb=[143.4,147],Pc=[149.2,150.7]。功率變化ΔPa=1.1 W,ΔPb=3.6 W,ΔPc=1.5 W。a在穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率損耗最小,c次之,b的功率損耗最大。
圖10 S 變化時(shí)的輸出電壓
圖11 S 變化時(shí)的輸出電流
圖12 S 變化時(shí)的輸出功率
圖13~圖15 為S=1 000 W/m2恒定,僅改變T時(shí)的輸出特性。在0~0.5 s 時(shí)間段內(nèi)T=25 ℃并保持不變,在0.5 s 時(shí)突變?yōu)?5 ℃,并保持到1 s,在1 s 時(shí)刻又突變到60 ℃,在1 s~1.5 s 時(shí)間段內(nèi)T保持不變,觀察不同控制算法的跟蹤效果。由圖13 和圖14 可以觀察出:當(dāng)T改變時(shí),應(yīng)用恒定電壓法會(huì)出現(xiàn)Um和Im偏移,在T第1 次突變時(shí),由于溫度變化量較小,故曲線變化不明顯,在溫度由15 ℃突變到60 ℃時(shí),曲線a的縱坐標(biāo)偏移較大。觀察圖15功率變化曲線可得:(1)在每次突變并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,均有關(guān)系Pc>Pa>Pb成立;(2)在第2 次T突變后,a達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)功率約為162.4 W,遠(yuǎn)低于b和c,說明a對溫度的改變適應(yīng)性較差。
圖13 T 變化時(shí)輸出電壓
圖14 T 變化時(shí)輸出電流
圖15 T 變化時(shí)輸出功率
當(dāng)T和S對系統(tǒng)施加疊加擾動(dòng)時(shí),繼續(xù)改變相應(yīng)仿真參數(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性如圖16。在0~0.5 s時(shí)間段內(nèi),保持S=1 000 W/m2,T=25 ℃不變,在0.5 s 時(shí)刻S突變到400 W/m2,T突變到15 ℃,保持不變直到1 s,在1 s 時(shí)刻S突變到800 W/m2,T突變到60 ℃,保持實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變直到1.5 s。由圖16可以得出結(jié)論:當(dāng)同時(shí)改變S和T,a的功率損耗最大,相比較于a和b,c的功率損耗最小且具有較好的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。
圖16 光照強(qiáng)度和溫度均改變時(shí)輸出功率波形
為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 的有效性,設(shè)計(jì)一臺(tái)以TMS320F28335 為控制核心的5 kW 光伏發(fā)電系統(tǒng),光伏電池板由光伏模擬器Chroma 62050H-600S 提供,通過設(shè)置光伏模擬器參數(shù)以達(dá)到模擬實(shí)際光伏電池板的效果。選取2 只耐壓值為315 V,容值為1 000 μF 的電解電容串聯(lián)作為光伏電池板側(cè)的濾波電容C1,選取6 只耐壓值為450 V,容值為1 000 μF 的電解電容作為升壓電容C2,兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)形成耐壓值為900 V,容值為1 500 μF 的電解電容組,升壓電感L取4 mH。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17~圖19 所示。
圖17 CVT 法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖18 P&O 法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖19 雙模式功率預(yù)測溫度補(bǔ)償P&O 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光伏系統(tǒng)在開始時(shí)S=1 000 W/m2,T=25 ℃,穩(wěn)態(tài)輸出功率約為5 kW,采用雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 控制算法下的光伏系統(tǒng)輸出功率最高,與理論分析相符。在1.5 s 時(shí)刻S 突變?yōu)?00 W/m2,此時(shí)圖17~圖19 各輸出量變化趨勢相同但幅度不同,采用CVT 法的光伏系統(tǒng)各輸出量減小幅度最大,而采用雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 的光伏系統(tǒng)各輸出量減小幅度最小,符合P&O法對于環(huán)境改變適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在4 s 后溫度突變?yōu)?0 ℃,采用CVT 法的光伏系統(tǒng)各輸出量功率損耗最大,而采用P&O 法和雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 法的功率損耗最小,且后者對電池輸出功率的動(dòng)態(tài)跟隨性較好,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析一致。
針對恒定電壓法溫度適應(yīng)性差,傳統(tǒng)變步長擾動(dòng)觀察法功率損耗大,可能出現(xiàn)誤判且動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題,提出一種雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O,并在仿真和實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證,得到結(jié)論如下:
(1)雙模式功率預(yù)測變步長溫度補(bǔ)償P&O 利用P&O 和CVT 的雙模式切換運(yùn)行,并采用變步長系數(shù)α優(yōu)化擾動(dòng)步長,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、跟蹤精確的特點(diǎn)。
(2)引入溫度補(bǔ)償系數(shù)β,有效避免了最大功率點(diǎn)電壓偏移問題,在溫度變化后依舊能精確跟蹤最大功率點(diǎn)。