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，和樹海

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院可靠性工程研究所，武漢430063;2.武漢理工大學 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，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，光伏電池可運行在不同且惟一的最大功率點(maximum power point，MPP)上。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)當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］。利用控制方法實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出運行的技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)。本文詳述了當前常用的自尋優(yōu)擾動跟蹤方法和恒壓法的原理和特點，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］見圖1，其中圖1a)為同溫度(T)不同日照強度(S)時光伏電池的輸出P-U特性曲線;圖1b)為同日照強度不同溫度下光伏電池的輸出P-U特性曲線。

圖1 a)表明，當溫度相同時，隨著輻照度的增加，光伏電池的開路電壓幾乎不變，而短路電流，最大輸出功率則有所增加，輻照度變化時主要影響光伏電池的輸出電流;另外，圖1b)表明，當輻照度相同時，隨著溫度的增加，光伏電池的短路電流幾乎不變，而開路電壓，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］，其控制簡單快速，但由于忽略了溫度對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的誤差也就越大。雖然定電壓跟蹤法難以準確實現(xiàn)MPPT，但其具有控制簡單，迅速接近最大功率點的優(yōu)點。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)啟動過程中采用定電壓跟蹤法使工作點電壓快速接近最大功率點電壓，然后再采用其它閉環(huán)的MPPT算法進一步搜索最大功率點。這樣可以有效降低在啟動過程中對遠離最大功率點區(qū)域進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且控制要求不高的簡易系統(tǒng)中。

2.2 擾動觀測法

擾動觀測法原理［4］為每隔一定的時間增加或者減少電壓，并通過觀測其后功率變化的方向來決定下一步的控制信號。實質(zhì)上這是一個自尋優(yōu)的過程，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］。

擾動觀測法［6］控制方法簡單，易于實現(xiàn)。缺點是穩(wěn)態(tài)時只能在最大功率點附近振蕩運行;跟蹤步長對跟蹤精度和相應(yīng)速度無法兼顧(步長較小時響應(yīng)速度慢，步長較大時跟蹤精度低);由于算法本身不嚴謹，在日照急劇變化時容易產(chǎn)生誤判斷。而導致跟蹤效果不是十分理想。

3 恒壓插值法

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

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)采集點的個數(shù)，從而簡化算法，縮短跟蹤時間，提高運行速度。由于采集的數(shù)據(jù)點分布在最大功率點的附近，逼近曲線的相似度有了進一步提高，從而使逼近曲線可以更加準確地反映光伏電池的P-U特性變化，對最大功率點做出準確的判斷。與擾動觀測法相比，由于沒有電壓的擾動變化，恒壓插值法能夠避免光伏系統(tǒng)振蕩運行而產(chǎn)生能量損耗，同時還能避免光伏逆變系統(tǒng)誤判而影響設(shè)備正常運行或損壞設(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，以保證計算速度，盡量減少光伏系統(tǒng)在跟蹤最大功率過程中產(chǎn)生的能量損耗;選取的插值點應(yīng)盡量逼近最大功率點，以保證插值的曲線能更好地擬合實際的光伏曲線，以提高跟蹤精度。綜合以上因素，可結(jié)合開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。實際測量點可依據(jù)選取原則和采樣時間間隔加以改變。

圖3 插值點選取

圖3 中，U4就是根據(jù)開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。例如當環(huán)境溫度輻照度等都比較適中時，系數(shù)可選小一點，以使得插值的精度更高;當環(huán)境溫度輻照度等因素變化較大時，系數(shù)可選大一點，以保證盡可能地使得插值點過最大功率點。

3.2 插值算法的選擇

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

4 Matlab仿真及結(jié)果分析

仿真參數(shù)設(shè)置:通過調(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，實時進行跟蹤。光伏系統(tǒng)通過可控直流源接入局部負載和電網(wǎng)也能更準確地進行實時仿真。系統(tǒng)通過MPPT模塊和PWM模塊調(diào)節(jié)對IGBT/Diode的輸入信號，從而改變占空比D來調(diào)節(jié)輸出電壓和功率來完成最大功率跟蹤。

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)果如見圖6。

圖6 MPPT仿真結(jié)果(相對時間比為2 000∶1)

實際測得最大功率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法跟蹤最大功率點所需時間要少，能減少跟蹤初期的震蕩時間，從而減少功率損失，提高效率。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算出低輻照度功率損失，功率損失小于3%，符合最大功率點跟蹤的精度要求。

5 結(jié)論

通過Matlab仿真研究得知，恒壓插值法可以快速、準確地找出光伏電池的最大功率點，是一種較為理想的控制方案。現(xiàn)代數(shù)學科學、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。各種算法的有機結(jié)合、取長補短，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算法的簡化、跟蹤速度和精度以及效率的提高是未來的發(fā)展趨勢。

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

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

［3］張 興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及逆變控制［M］.北京:機械工業(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.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，2001.

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