基于恒壓插值法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤

陳云瑤，袁成清，和樹(shù)海

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所，武漢430063;2.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430063)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境如輻照度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且惟一的最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)上。因此對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度地將光能轉(zhuǎn)換為電能［1］。利用控制方法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)。本文詳述了當(dāng)前常用的自尋優(yōu)擾動(dòng)跟蹤方法和恒壓法的原理和特點(diǎn)，提出一種新的跟蹤方法。

1 光伏電池的輸出特性曲線

光伏電池在不同外部條件下的輸出曲線［2］見(jiàn)圖1，其中圖1a)為同溫度(T)不同日照強(qiáng)度(S)時(shí)光伏電池的輸出P-U特性曲線;圖1b)為同日照強(qiáng)度不同溫度下光伏電池的輸出P-U特性曲線。

圖1 a)表明，當(dāng)溫度相同時(shí)，隨著輻照度的增加，光伏電池的開(kāi)路電壓幾乎不變，而短路電流，最大輸出功率則有所增加，輻照度變化時(shí)主要影響光伏電池的輸出電流;另外，圖1b)表明，當(dāng)輻照度相同時(shí)，隨著溫度的增加，光伏電池的短路電流幾乎不變，而開(kāi)路電壓，最大輸出功率則有所減少，溫度變化主要影響光伏電池的輸出電壓。

2 最大功率點(diǎn)的跟蹤方法

2.1 定電壓跟蹤法

定電壓跟蹤法是一種恒壓的MPPT算法［3］，其控制簡(jiǎn)單快速，但由于忽略了溫度對(duì)光伏電池輸出電壓的影響，因此，溫差越大，定電壓跟蹤法跟蹤最大功率點(diǎn)的誤差也就越大。雖然定電壓跟蹤法難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)MPPT，但其具有控制簡(jiǎn)單，迅速接近最大功率點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。因此電壓跟蹤法常與其它閉環(huán)MPPT方法組合使用，即一般先在光伏系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中采用定電壓跟蹤法使工作點(diǎn)電壓快速接近最大功率點(diǎn)電壓，然后再采用其它閉環(huán)的MPPT算法進(jìn)一步搜索最大功率點(diǎn)。這樣可以有效降低在啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行搜索造成的功率損耗。另外，電壓跟蹤法一般可以用于低價(jià)且控制要求不高的簡(jiǎn)易系統(tǒng)中。

2.2 擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法原理［4］為每隔一定的時(shí)間增加或者減少電壓，并通過(guò)觀測(cè)其后功率變化的方向來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。實(shí)質(zhì)上這是一個(gè)自尋優(yōu)的過(guò)程，它的控制原則是參考電壓的變化始終讓電池輸出功率朝大的方向改變［5］。

擾動(dòng)觀測(cè)法［6］控制方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)時(shí)只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行;跟蹤步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和相應(yīng)速度無(wú)法兼顧(步長(zhǎng)較小時(shí)響應(yīng)速度慢，步長(zhǎng)較大時(shí)跟蹤精度低);由于算法本身不嚴(yán)謹(jǐn)，在日照急劇變化時(shí)容易產(chǎn)生誤判斷。而導(dǎo)致跟蹤效果不是十分理想。

3 恒壓插值法

為了達(dá)到理想的跟蹤效果，本文基于定電壓方法的改進(jìn)跟蹤方法——恒壓插值法。該方法將定電壓法與插值法結(jié)合，具體為首先運(yùn)用恒壓法去尋找和逼近最大功率運(yùn)行的一段曲線(圖2中U與U1之間的曲線)。然后運(yùn)用適合光伏特性曲線的插值方法去擬合實(shí)際的光伏曲線而計(jì)算出最大功率點(diǎn)。

圖2 P-U曲線示意

恒壓插值法與單純的定電壓跟蹤法相比，能大大提高跟蹤精度和光伏系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少能量損耗。與單純的插值法比，在同樣精度的前提下，可以大大減少數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)，從而簡(jiǎn)化算法，縮短跟蹤時(shí)間，提高運(yùn)行速度。由于采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在最大功率點(diǎn)的附近，逼近曲線的相似度有了進(jìn)一步提高，從而使逼近曲線可以更加準(zhǔn)確地反映光伏電池的P-U特性變化，對(duì)最大功率點(diǎn)做出準(zhǔn)確的判斷。與擾動(dòng)觀測(cè)法相比，由于沒(méi)有電壓的擾動(dòng)變化，恒壓插值法能夠避免光伏系統(tǒng)振蕩運(yùn)行而產(chǎn)生能量損耗，同時(shí)還能避免光伏逆變系統(tǒng)誤判而影響設(shè)備正常運(yùn)行或損壞設(shè)備。

3.1 恒壓插值法的關(guān)鍵因素

選取原則為選擇盡量少的插值點(diǎn)，以保證計(jì)算速度，盡量減少光伏系統(tǒng)在跟蹤最大功率過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗;選取的插值點(diǎn)應(yīng)盡量逼近最大功率點(diǎn)，以保證插值的曲線能更好地?cái)M合實(shí)際的光伏曲線，以提高跟蹤精度。綜合以上因素，可結(jié)合開(kāi)路電壓法及光伏電池輸出特性曲線選取如圖3所示的插值點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量點(diǎn)可依據(jù)選取原則和采樣時(shí)間間隔加以改變。

圖3 插值點(diǎn)選取

圖3 中，U4就是根據(jù)開(kāi)路電壓法確定的初始跟蹤電壓值U4=k×U，U1=0.7k×U，U2=0.8k×U，U3=0.9k×U，U5=1.1k×U，U6=1.2k×U，U7=1.3k×U。具體的系數(shù)k根據(jù)具體的環(huán)境選取。例如當(dāng)環(huán)境溫度輻照度等都比較適中時(shí)，系數(shù)可選小一點(diǎn)，以使得插值的精度更高;當(dāng)環(huán)境溫度輻照度等因素變化較大時(shí)，系數(shù)可選大一點(diǎn)，以保證盡可能地使得插值點(diǎn)過(guò)最大功率點(diǎn)。

3.2 插值算法的選擇

由于P-V曲線本身的特性和規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)采用三次樣條插值法和拉格朗日插值法進(jìn)行插值擬合，最終得出三次樣條插值函數(shù)較其它插值函數(shù)能更好地?cái)M合光伏特性曲線，其擬合的精度最高，能更好地提高光伏系統(tǒng)的效率。流程見(jiàn)圖4，不同插值方法擬合曲線見(jiàn)圖5。

4 Matlab仿真及結(jié)果分析

仿真參數(shù)設(shè)置:通過(guò)調(diào)節(jié)constent和timer模塊的值可以很方便地設(shè)置環(huán)境溫度和輻照度，實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤。光伏系統(tǒng)通過(guò)可控直流源接入局部負(fù)載和電網(wǎng)也能更準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。系統(tǒng)通過(guò)MPPT模塊和PWM模塊調(diào)節(jié)對(duì)IGBT/Diode的輸入信號(hào)，從而改變占空比D來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和功率來(lái)完成最大功率跟蹤。

圖4 恒壓插值算法流程

圖5 插值方法結(jié)果比較

仿真結(jié)果如見(jiàn)圖6。

圖6 MPPT仿真結(jié)果(相對(duì)時(shí)間比為2 000∶1)

實(shí)際測(cè)得最大功率P=12.88 W，插值算法得最大功率Pm=12.54 W。則可算出功率損失百分比為η=︱Pm-P︱/P=2.7%。

仿真結(jié)果分析:由圖6可以看出恒壓插值法比擾動(dòng)法跟蹤最大功率點(diǎn)所需時(shí)間要少，能減少跟蹤初期的震蕩時(shí)間，從而減少功率損失，提高效率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出低輻照度功率損失，功率損失小于3%，符合最大功率點(diǎn)跟蹤的精度要求。

5 結(jié)論

通過(guò)Matlab仿真研究得知，恒壓插值法可以快速、準(zhǔn)確地找出光伏電池的最大功率點(diǎn)，是一種較為理想的控制方案?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)科學(xué)、控制理論、電力電子技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，為光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤提供了豐富的理論依據(jù)和新的思路。各種算法的有機(jī)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，取得了大量成果，成為今后MPPT的研究方向。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及，MPPT算法的簡(jiǎn)化、跟蹤速度和精度以及效率的提高是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］魏 喬，孫玉偉，袁成清，等.大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.船海工程，2010(6):138-140.

［2］趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉英，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］張 興，曹仁賢.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及逆變控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］VEERACHARY M，SENJYU T，UEZATO K.Feed forward maximum power point tracking o f PV system using fuzzy controller［J］.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2002，38(3):969-980.

［5］袁立強(qiáng).具有MPPT功能的光伏水泵系統(tǒng)的控制器的研究［D］.北京:清華大學(xué)，2001.

［6］龍騰飛，丁宣浩，蔡如華.MPPT的三點(diǎn)比較法與登山法的比較分析［J］.大眾科技，2007(2):1008-1151.