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光伏发电非线性功效探究范文

时间:2022-04-22 03:23:57

光伏发电非线性功效探究

根据电子学理论,得到太阳能电池等效电路[3](图2)。式中:V,I是太阳能电池接负载时输出电压和电流;Iph是光生电流;I0是太阳能电池的反向饱和电流;Rs是串联电阻;Rsh是并联电阻;K是库尔兹曼常数;UJ是结电压;I''''ph是标准条件下的光生电流;ΔT是实际温度与标准温度(25℃)的差值;G''''是实际光照强度与标准光照强度(1000W/㎡)的差值;K1是短路电流常数,KV是开路电压常数。

太阳能电池U-I输出特性曲线见图3。图3中Isc是短路电流,Uoc是开路电压。当环境条件改变时,输出曲线也发生相应的改变。光照强度一定,温度升高,曲线由a变b;温度一定,光照强度增强,曲线由a变c,即光照强度对短路电流影响较为明显,而温度对开路电压影响较为明显。太阳能电池功率-电压输出曲线见图4。可见在外界条件一定的情况下,功率曲线存在一个最大功率点。根据文献[5]可知,该最大功率点对应大约0.78Uoc处。

新型最大功率跟踪算法

1常见最大功率跟踪算法

常见的最大功率跟踪算法有恒压法、扰动观察法和电导增量法等。恒压法检测参数少,启动时间快,但工作电压的设置困难,对系统影响较大。扰动观察法是一种比较实用的MPPT控制算法,算法简单,但步长固定,存在功率振荡,无法兼顾跟踪精度和响应速度,在特定情况下可能判断错误。电导增量法是目前跟踪MPP快速而准确的算法之一,但参数采样精度要求高,算法复杂,系统启动时间慢。

2新型最大功率跟踪算法

图1已测得同一天太阳能电池的温度曲线和辐射曲线。曲线1为太阳能电池表面接受辐射曲线,曲线2为太阳能电池表面温度曲线。同时,测得太阳能电池一天内功率输出曲线(图5)。由图5可见,实际条件下功率曲线局部呈现锯齿状,即存在局部最大功率点。

针对实际曲线的波动性和传统方法的缺点,本文提出一种非线性最大功率跟踪算法。该算法有以下优点:采用e指数步长,该步长主要考虑到最初采样的位置与MPP位置的距离,当距离较远时,采用e的正指数步长进行跟踪,若判断距离MPP位置较近时,采用小步长即e的负指数步长进行跟踪,由图6可知,步长一直处于变化过程中,更能适应实际情况,从而提高系统的跟踪速度。根据实际功率波动的现象和已有的研究结果,增加了局部最大功率点判断环节,通过与最大功率点理论值0.78Uoc相比较,判断系统是否工作在局部最大功率点处,通过该环节可以排除误判现象的发生,提高系统准确率。

非线性MPPT流程图见图7,其中W是最小误差,用以判断系统是否稳定工作在最大功率点处;A是常量,约为0.78Uoc;W*是局部最大功率误差,判断系统是否在局部最大功率点;Q为界定误差,判断系统距离最大功率点的距离。当采样功率差值小于W,则说明系统工作在最大功率点处,随后进入局部最大功率点判断环节,若电压差小于W*则表示系统工作在系统最大功率点处,判定结束;若电压差大于W*,则系统工作在局部最大功率点,需继续判定。若功率差大于W,则进行下一步判断。若功率差大于Q,则系统此时工作距离最大功率点较远位置,需采用大步长跟踪,即用正指数步长,若功率差小于Q,则表示系统工作点距离最大功率点较近,需采用小步长,即用负指数步长。步长的增减判断是依据功率差值的正负,差值为正,则步长增加,差值为负,步长减小。

仿真及试验结果

根据以上研究,利用Matlab/simulink工具,建立了光伏阵列MPPT仿真模块(图8)。图8为仿真模块内部结构,其中sfunpv为S函数,用来求解任意太阳辐射、环境温度下太阳电池的最大功率点的电压Vmp和电流Imp。输出端1,2是最大功率跟踪后得到最大功率点处的输出电流、输出电压。系统通过给定开路电压Voc,短路电流Isc,改变环境温度、光照条件等参数后,利用新型跟踪算法进行最大功率跟踪。试验对两种跟踪方法进行仿真,一种是常见的扰动观察法,另一种是采用本文最大功率跟踪法。在光照强度为1000W/㎡,外界温度为25℃时,电池输出电压见图9(扰动观察法步长为1,0.1)。图10为采用非线性最大功率跟踪法后得到的太阳能电池的输出电压。

从仿真结果可见,扰动观察法步长为0.1时,电压稳态时波动很小,但其动态响应时间较长;当步长为1时,动态响应时间缩短,但是电压稳态时波动较大。新型最大功率跟踪法与扰动观察法相比,响应速度快,稳态时波动较小,动态性和稳态性都得到很好的改善。图11是系统进行光照、温度在某时刻发生变时,使用新型最大功率跟踪功法进行最大功率跟踪时光伏电压输出波形。由图11可见,新型最大功率跟踪算法能及时进行最大功率跟踪,其动态响应较快,稳态输出电压震荡较小,且没有出现误判现象,快速有效地实现了电池最大功率跟踪。

结术语

通过试验验证,本文提出的变步长扰动进行最大功率跟踪的算法,能够快速跟踪到系统最大功率点,不会使系统停留在局部最大功率点,从而减少了系统功率损耗,提高系统效率。

作者:赵云凤李田泽陈世宝赵敬单位:山东理工大学电气与电子工程学院

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