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光伏发电系统最大功率跟踪控制研究

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光伏电池是光伏发电系统的核心部分,由于光伏电池受光照强度及温度变化的影响很大,其输出特性呈现高度非线性化,所以,当外界环境发生变化时,光伏电池的输出功率也会随之发生改变。为了有效提高光伏发电系统的效率,要求无论外界条件怎样变化,光伏发电系统的输出功率应始终保持最大值。为了解决这一问题,本文分析了光伏电池输出特性及等效模型,提出最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)控制算法,并基于Matlab/Simulink的电导增量法建立MPPT仿真模型对其科学性、有效性加以验证。

1光伏电池输出特性及等效模型

光伏电池单体是实现光电转换的最小单元,将光伏电池单体进行串联、并联后分装就组成了光伏电池组件,把若干个光伏电池组件进行串联、并联后装在支架上就形成了光伏电池阵列[1]。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件,其输出特性受外界环境影响很大,只有深入了解其输出特性,才能为研究光伏发电系统的MPPT技术奠定基础。

1.1光伏电池输出特性光伏电池受外界环境如光照强度、温度的影响很大,其输出特性具有高度非线性。分别是利用PVsyst软件[2]仿真的光伏电池在不同光照及温度条件下的输出特性。从图中可以看出,随着光照的增强输出功率增大,随着温度的升高输出功率减小,但在某一特定光照及温度下存在一个最大功率点。

1.2光伏电池等效模型光伏电池本身就是一个P-N结,其基本特性与二极管相似。当光伏电池受到阳光照射时,在PN结两端便产生电动势,即电压。这时如果在P型层和N型层焊接上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,把这样的光伏电池单体串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,并输出功率。光伏电池等效电路可由1个电流源并联1个理想二极管及一系列电阻组成,如图3所示。串联电阻Rs包括电池栅极电阻、基体材料电阻和上下电基与基体材料的接触电阻、扩散层横向电阻。其中,扩散层横向电阻是Rs的主要组成。

2MPPT控制算法

由图1、图2可以看出,光伏阵列的输出特性受电池表面温度和光照强度的影响很大,不同的光照及电池温度都可导致输出特性发生较大的变化,其输出功率也发生相应的变化,但是只有在某一输出电压值时,光伏阵列的输出功率才能达到最大值。因此,在光伏发电系统中,要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点,使之始终工作在最大功率点附近[4]。在MPPT系统中,确定优良的算法是关键,本文采用电导增量算法。电导增量法是根据光伏阵列P-U曲线一阶连续可导单峰曲线的特点,利用一阶导数求极值的方法,即对P=UI求全导数。从光伏电池的P-U曲线可以看出,在某一特定光照及温度下存在唯一最大功率点,且在该最大功率点处,功率对电压的导数为零,即dP/dU=0。其中,U(k)、(Ik)分别为光伏电池当前电压和电流,U(k-1)、(Ik-1)为前一周期的采样值。为了使光伏电池输出发生任何变化时,算法能够涵盖所有可能出现的状况,需要用U(k-1)、I(k-1)的值进行判断。如果U(k)-U(k-1)=0,则相比于前一周期,该时刻的电压是恒定的,输出没有发生变化。在这种情况下,需要对输出电流做进一步判断,如果(Ik)-(Ik-1)=0,则光伏电池的输出也没有发生改变,不需要调整BoostDC/DC(升压)变换器的占空比;若(Ik)-I(k-1)<0,表明工作点是向最大功率点方向靠近,需要对BoostDC/DC变换器的占空比加一个正的调节量△U,使输出达到最大功率点;若I(k)-I(k-1)>0,需对BoostDC/DC变换器的占空比加一个负的调节量-ΔU,使输出朝向最大功率点靠近。

3MPPT控制仿真研究

3.1带有MPPT功能的光伏发电系统基本组成由于光伏电池的电气特性受光照、温度的影响很大,当环境条件稳定时,存在唯一的最大功率点;当环境条件发生变化时,即使负载保持不变,最大功率点仍将发生漂移。为了使负载在任何环境条件下都能获得最大功率,本文在光伏阵列与负载之间加入MPPT控制装置,带有MPPT功能的光伏系统如图5所示。该系统主要由光伏电池阵列、MPPT控制装置、BoostDC/DC变换器组成,通过脉冲宽度调制模块(PulseWidthModulation,PWM)控制,调整BoostDC/DC变换器的占空比来实现MPPT[7]。

3.2MPPT控制仿真研究

3.2.1带MPPT的系统仿真模型根据带有MPPT功能的光伏发电系统建立matlab/simulink仿真模型如图6所示。仿真模型主要由光伏电池阵列模型、MPPT、PWM、BoostDC/DC变换器以及负载等组成。图6中,Subsystem是光伏电池阵列模型,L为储能电感,Diode为快恢复二极管,C1为滤波电容,R为负载,IGBT为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)。Subsystem内部封装的参数有电压、电流温度系数、串联电阻、参考温度(25℃)、参考太阳辐射(1000W/m2)、最大功率点电压、最大功率点电流、开路电压、短路电流。输入参数有光照S、温度T、光伏电池工作电压U,输出参数有光伏电池工作电流I、输出功率P。其中,输入端可以输入任意光照和温度,输出端P即显示MPPT输出。PWM的输入信号为带有MPPT功能的光伏模块的输出电压,即最大功率点对应的电压值,将该电压作为指令信号,与光伏模块的实际输出电压共同作用在BoostDC/DC变换器的IGBT上,通过改变IGBT的占空比,从而使光伏模块的实际输出电压很好地跟踪指令信号,即最大功率点对应的电压值。BoostDC/DC变换器利用储能电感储存的能量和电源一起向负载供电,达到升压的目的。选择HAMC制造的太阳能电池板进行仿真实验,其技术指标为:Um=16.5V,Im=0.73A,Uov=22.50V,Isc=0.97A,Pm=12W。仿真时采用的步长为0.01,系统采样时间为0.5μs。图7是电池温度不变,光照强度t=0.05s时,突然由1kW/m2增加到1.5kW/m2时的仿真结果,图8是光照强度不变,电池温度t=0.05s时,突然由25℃变为60℃时的仿真结果。

3.2.2仿真结果分析从图7仿真结果可以看出,当电池温度不变,光照由1kW/m2增加到1.5kW/m2,在t=0.05s时,光伏阵列输出功率也随之由12kW增加到15kW,增加幅度为+3kW,光伏阵列输出功率曲线会发生较小的突变,但是在新的功率点能快速趋于平稳,使光伏阵列工作在最大功率点。从图8仿真结果可以看出,当光照强度不变,电池温度由25℃变为60℃,在t=0.05s时,光伏阵列输出功率也随之由12kW降低到10kW,降低幅度为-2kW,经过较小的突变后,系统也能及时地跟踪到最大功率点,使光伏阵列输出功率达到最大值。从图1、图2中得出,光伏电池在某一特定光照及温度条件下,存在一个最大功率点,并且在最大功率点以后,光伏电池输出功率急剧下降,最后下降为0。本文在光伏阵列与负载之间加入基于电导增量法的MPPT控制装置以后,从图7、图8的仿真结果可以看出,在光照、温度其中任何一个环境条件发生变化时,系统都能够实时地跟踪其变化,能使系统始终工作在最大功率点的范围内,稳定性高,从而有效提高了太阳能的转换效率。

4实用化应用探讨

在实际光伏发电系统中,在输出参数实时变化的光伏阵列与负载之间接入MPPT控制装置时,需要进一步做以下工作:(1)采用单片机或数字信号处理器(DigitalSignalProcessors,DSP)实现对电导增量算法的编程,并进行MPPT控制系统的软、硬件设计。通过检测光伏阵列的输出电压、输出电流变化,利用软件的精确算法来控制BoostDC/DC变换器的占空比,实现MPPT。(2)从光伏发电系统的整体出发,综合考虑安全性、实用性、经济性等方面的要求,设计MPPT控制系统的输入、输出接口电路,对其可靠性、稳定性做并网测试。(3)综合考虑光伏阵列的光电转化效率、温度范围、电气参数(输出功率、峰值电压、峰值电流、短路电流、开路电压、系统电压)等技术参数,对光伏电池充放电策略及充放电控制器做进一步研究。

5结论

(1)本文提出的基于电导增量法MPPT控制方法,通过PWM控制实现,能使光伏发电系统在任何环境条件以及负载变化情况下快速实现MPPT,且稳态精度高。(2)本文采用PVsyst软件对光伏电池的输出特性进行仿真研究,其方法为相关行业掌握光伏电池的输出特性提供了新的途径;建立基于电导增量法的MPPT控制模型,为解决实际光伏系统最大功率点漂移问题提供了理论依据。(3)下一步研究需要利用单片机或DSP进行MPPT控制系统的软、硬件及接口电路设计,并对其可靠性、稳定性做并网测试,以实现光伏发电系统MPPT的实用化。

作者:韩世军 朱菊 毛吉贵 强荣 秦力 韩大侠 单位:国网宁夏电力公司吴忠供电公司 神华宁煤集团烯烃公司

光伏发电系统最大功率跟踪控制研究责任编辑:杨雪    阅读:人次