光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的研究與設(shè)計(jì)

申舒琪，李國(guó)勇

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030600)

1 引言

光伏發(fā)電技術(shù)是將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣泛。而光伏電池的輸出功率受溫度、光照強(qiáng)度等諸多因素的影響不斷變化，如何保證光伏電池輸出最大功率，即光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)始終是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。常規(guī)方法是采用Boost電路作為載體，通過(guò)擾動(dòng)觀察法或電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT[1]。本文針對(duì)此傳統(tǒng)方法存在的諸多不足，采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，旨在解決輸入電流紋波大、輸出電壓不穩(wěn)定、功率因數(shù)低等問(wèn)題；同時(shí)改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量控制方法，以實(shí)現(xiàn)MPPT，提升使用效率，保證跟蹤過(guò)程的快速性和穩(wěn)定性。

2 光伏電池模型及特性

光伏電池的工作原理是利用光伏效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能，其電流-電壓數(shù)學(xué)模型可表示為[2]

(1)

式中，Iph為光生電流，Io為PN結(jié)反向飽和電流，Rs為串聯(lián)電阻，Rsh為旁漏電阻，A為二極管品質(zhì)因子，K為波耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為單位電荷數(shù)。

通過(guò)分析光伏電池的數(shù)學(xué)模型，選取表1中參數(shù)，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建仿真模型，可以得到圖1(a)中所示的光伏電池輸出P-U特性曲線以及圖1(b)中所示的I-U特性曲線。

表1 光伏電池模型參數(shù)

圖1 光伏電池輸出特性曲線

觀察兩條特性曲線，可以得到不同條件下光伏電池的最大功率點(diǎn)有且僅有一個(gè)，溫度越低，光照越強(qiáng)，則光伏電池的輸出功率越大[3]。

3 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路

3.1 電路拓?fù)?/h3>

本文設(shè)計(jì)交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路以實(shí)現(xiàn)提升光伏電池輸出電壓和最大功率點(diǎn)跟蹤的功能，其較傳統(tǒng)Boost電路具有輸入電流紋波小、輸出電壓穩(wěn)定和可靠性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1和S2、兩個(gè)二極管D1和D2、兩個(gè)量值相等的電感L1和L2，和一個(gè)電容C組成，在一個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖周期相同，且相位相差180°。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 工作模態(tài)分析

在電感連續(xù)模式下，對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的工作模態(tài)進(jìn)行分析[5]。當(dāng)占空比d小于50%時(shí)，等效電路共三種工作模態(tài)如圖3所示。

模態(tài)1：S1和D2導(dǎo)通，S2和D1關(guān)斷，電感電流iL1線性增加，iL2線性減小，L1存儲(chǔ)電能，L2和C釋放電能為負(fù)載供電，輸入電流增加。

模態(tài)2：S1和D2關(guān)斷，S2和D1導(dǎo)通，iL1線性減小，iL2線性增加，L1和C釋放電能為負(fù)載供電，L2存儲(chǔ)電能，輸入電流增加。

模態(tài)3：S1和S2關(guān)斷，D1和D2導(dǎo)通，iL1和iL2線性減小，L1和L2為負(fù)載和C供電，輸入電流減少。

當(dāng)占空比d大于50%時(shí)，等效電路共三種工作模態(tài)如圖4所示。

模態(tài)4：S1和D2導(dǎo)通，S2和D1關(guān)斷，iL1線性增加，iL2線性減小，L1存儲(chǔ)電能，L2釋放電能為負(fù)載和C供電，輸入電流減少。

模態(tài)5：S1和D2關(guān)斷，S2和D1導(dǎo)通，iL1線性減小，iL2線性增加，L1釋放電能為負(fù)載和C供電，L2存儲(chǔ)電能，輸入電流減少。

模態(tài)6：S1和S2導(dǎo)通，D1和D2關(guān)斷，iL1和iL2線性增加，L1和L2存儲(chǔ)電能，C為負(fù)載供電，輸入電流增加。

圖3 d<50%交錯(cuò)并聯(lián)Boost等效電路

圖4 d>50%交錯(cuò)并聯(lián)Boost等效電路

3.3 紋波分析

交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的總輸入電流等于各相Boost支路電感電流之和。由于導(dǎo)通相位相差180°，因此當(dāng)支路電感電流升降趨勢(shì)相反疊加時(shí)抵消，輸入電流紋波因此減小。通過(guò)定量分析，可得傳統(tǒng)Boost電路和交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的輸入電流紋波表達(dá)式分別為[6]

(2)

ΔI2=

(3)

式中，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，T為開(kāi)關(guān)周期，L為電感值，且L1=L2=L。

比較式(2)和式(3)可知，取占空比0

4 改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

由前面對(duì)光伏電池的分析可以得到，為提高其輸出效率，將光伏電池實(shí)時(shí)地控制在最大功率點(diǎn)尤為重要。由此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的占空比d以實(shí)現(xiàn)MPPT。傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的原理是：通過(guò)計(jì)算功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)，判斷工作點(diǎn)的位置進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比。此法憑借控制效果好、穩(wěn)定度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于光伏電池MPPT中[7]。其缺點(diǎn)是由于步長(zhǎng)固定，采用大步長(zhǎng)雖動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短但穩(wěn)定性差，采用小步長(zhǎng)雖提高了穩(wěn)定性但響應(yīng)速度慢，均會(huì)導(dǎo)致光伏電池效率降低[8]。文獻(xiàn)[9]中利用功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)越靠近最大功率點(diǎn)越小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，解決了跟蹤過(guò)程中動(dòng)態(tài)速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，既保留了上述變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可防止誤判和外界環(huán)境突變，提高系統(tǒng)抗擾性[10]，能更好地滿足實(shí)現(xiàn)MPPT的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)要求。

占空比周期性調(diào)整可表示為

d(t)=d(t-1)±Δd

(4)

式中，d(t)為t時(shí)刻的占空比，Δd為步長(zhǎng)，P(t)、V(t)和I(t)分別為在t時(shí)刻的輸出功率、電壓和電流。且需滿足

(5)

式中，|dP/dV|△dmax是以Δdmax為固定步長(zhǎng)跟蹤時(shí)的|dP/dV|。

當(dāng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，應(yīng)減小占空比以增大后端等效電阻，式(4)中符號(hào)為負(fù)；當(dāng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，應(yīng)增大占空比，式(4)中符號(hào)為正。

改進(jìn)后的變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法控制流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法流程圖

5 結(jié)果與分析

在Matlab/Simulink平臺(tái)中搭建傳統(tǒng)Boost電路和交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的仿真模型，結(jié)合上述理論分析，選取電感L1=L2=1mH，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)頻率為20kHz，相位差180°，負(fù)載R=50Ω。輸入電壓Ui=240V，占空比d=40%時(shí)，總輸入電流如圖6(a)所示；輸入電壓Ui=160V，占空比d=60%時(shí)，總輸入電流如圖6(b)所示。

圖6 兩種電路的輸入電流對(duì)比

觀察可得：當(dāng)占空比取40%和60%時(shí)，交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路能更好地抑制輸入電流紋波，仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

應(yīng)用傳統(tǒng)定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法進(jìn)行光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤，選取表1中光伏電池的參數(shù)，得到兩種方法的輸出功率波形圖如圖7所示。

圖7 兩種方法的輸出功率對(duì)比

觀察可得：傳統(tǒng)定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法分別在0.1s和0.04s時(shí)輸出功率基本達(dá)到最大功率點(diǎn)，改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法響應(yīng)速度更快，功率波動(dòng)小，穩(wěn)定性更好。

基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，采用雙CPU控制，搭建功率為250W的兩級(jí)式微型光伏逆變器測(cè)試平臺(tái)，利用光伏陣列模擬器，在上位機(jī)中測(cè)試逆變器在不同功率下對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤效果。如圖8和圖9所示，分別為逆變器工作在100W和250W功率下的跟蹤情況。I-U特性曲線上的短線段為最大功率點(diǎn)的跟蹤范圍，是由各個(gè)跟蹤點(diǎn)組成。測(cè)試結(jié)果表明，兩種情況下系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，且跟蹤效果理想，波動(dòng)范圍小，進(jìn)一步計(jì)算可得跟蹤效率達(dá)99.4%。

圖8 逆變器工作在100W時(shí)的跟蹤情況

圖9 逆變器工作在250W時(shí)的跟蹤情況

6 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)Boost電路與電導(dǎo)增量法帶來(lái)的不足，本文基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，將二者應(yīng)用于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，通過(guò)搭建仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了其可行性。結(jié)果表明，交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路能夠減小輸入電流紋波幅值，穩(wěn)定性和可靠性更強(qiáng)，功率因數(shù)得以提升；而改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，抗擾性好，化解了動(dòng)態(tài)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，兩者的結(jié)合在光伏MPPT控制領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。