光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與最大功率跟蹤

鮑存會

（陜西理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與最大功率跟蹤

鮑存會

（陜西理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤時存在跟蹤速度慢和電壓振蕩的問題，提出一種最大功率點跟蹤的改進算法。該算法獲取光伏電池輸出的電流和電壓，進行濾波和最大功率跟蹤。最大功率算法采用擾動觀察和電導(dǎo)增量混合算法，在外界環(huán)境緩慢變化時采用擾動觀察算法，突變時采用電導(dǎo)增量算法。實驗結(jié)果表明，該改進算法能夠避免跟蹤方向誤判，減少系統(tǒng)持續(xù)振蕩引起功率損耗，實現(xiàn)最大功率快速跟蹤。

光伏發(fā)電；擾動觀察法；電導(dǎo)增量法；最大功率跟蹤

太陽能作為一種清潔、可再生能源受到了研究者的廣泛關(guān)注。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率不僅與光伏電池的材質(zhì)特性有關(guān)，還與環(huán)境溫度、光輻照度和負載有關(guān)。在不同的環(huán)境下，光伏電池存在唯一的最大功率輸出點。因此，如何使光伏發(fā)電系統(tǒng)最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能，獲取最大光電轉(zhuǎn)換功率，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要研究方向。

眾多研究者對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤進行了研究，最大功率跟蹤算法主要有恒定電壓控制法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法和模糊控制算法等。恒定電壓控制法常常忽略溫度對光伏電池輸出特性的影響，文獻[1]提出了一種基于溫度系數(shù)的改進恒定電壓控制法，但跟蹤速度較慢。文獻[2]給出的擾動觀測法能夠在環(huán)境緩慢變化時快速跟蹤系統(tǒng)最大功率點，但該方法在環(huán)境突變時存在振蕩和誤判問題，使系統(tǒng)不能準確跟蹤最大功率。文獻[3]根據(jù)輸出功率對電壓的導(dǎo)數(shù)大小來跟蹤最大功率，該電導(dǎo)增量算法能夠有效地解決環(huán)境突變時引起的誤判穩(wěn)態(tài)，但算法實現(xiàn)復(fù)雜，并且要求較高的采樣率。

本文在分析現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)模型和最大功率控制算法的基礎(chǔ)上，建立了光伏電池實用工程模型，提出改進型最大功率跟蹤算法，并對建立的模型進行最大功率跟蹤研究，該方法減弱了系統(tǒng)在最大功率點振蕩，避免了跟蹤方向誤判，提高了跟蹤速度和精度。

1 光伏電池等效模型及輸出特性

1.1 光伏電池的等效電路

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將太陽光輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電方式。由圖1可知，負載電流和輸出電壓之間的關(guān)系為：

1.2 光伏電池數(shù)學(xué)模型及輸出特性

光伏電池的輸出特性主要受光伏電池內(nèi)部材料特性、PN結(jié)溫度和太陽輻射強度影響。由圖2所示I-V曲線可知，光伏電池的輸出電流隨輸出電壓的增加而減小，當(dāng)輸出電壓超過最大功率點對應(yīng)的電壓時，輸出電流隨輸出電壓的增加而迅速衰減。由圖2所示P-V曲線可知，當(dāng)光伏電池輸出電壓小于最大功率點對應(yīng)電壓時，輸出功率隨光伏電池端電壓上升而增加；當(dāng)輸出電壓大于最大功率點對應(yīng)電壓時，輸出功率隨輸出電壓上升而減少。光伏電池最大功率跟蹤實質(zhì)上是一種參數(shù)尋優(yōu)過程，即在不同的光照和溫度環(huán)境下，通過控制光伏電池輸出端電壓，使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率。

圖1 光伏電池的等效電路

圖2 光伏電池輸出特性

2 光伏電池工程應(yīng)用模型

2.1 光伏電池工程應(yīng)用模型

2.2 環(huán)境因素對工程模型的影響

系數(shù)的典型值為α=0.002 5/℃，β=0.5，γ=0.002 88/℃。

圖3為光伏電池LNPV-190Wp在Matlab環(huán)境下建立的工程實用模型結(jié)構(gòu)圖，只需知道可以求出一般環(huán)境下補償后的參數(shù)進而求取一般環(huán)境下待定常數(shù)1和2，即可求出光伏電池工程實用模型。

圖3 光伏電池工程模型

3 最大功率跟蹤

3.1 光伏陣列最大功率數(shù)學(xué)模型

光伏電池在任意環(huán)境溫度和太陽輻射強度下的功率為：

式（13）為超越方程，直接求解很麻煩，可采用牛頓-拉夫遜方法進行迭代求解：

3.2 最大功率跟蹤算法

光伏電池的輸出功率隨著溫度和光照強度的變化而變化，在一定的光照強度和溫度下光伏電池的輸出最大功率點是唯一的。常規(guī)的最大功率跟蹤算法采用擾動觀察算法和電導(dǎo)增量算法。擾動觀測法分為電流型和電壓型兩種，電壓型擾動觀測法能夠承受劇烈的光照變化，但較大的環(huán)境溫度變化會使系統(tǒng)崩潰，電流型擾動觀測法能夠承受劇烈的溫度變化，但較大的光照變化會使系統(tǒng)崩潰。電壓型最為常用，其工作原理為：給電池一定的擾動電壓Δ，采樣輸出電壓和電流，計算電壓和功率變化量和根據(jù)d和d的變化方向，不斷地對光伏電池的工作電壓進行擾動，逐步靠近最大功率點。在該算法中的擾動因子Δ選擇較小時最大功率跟蹤速度緩慢，Δ選擇過大時，光強的快速變化會使系統(tǒng)在最大功率附近振蕩，引起跟蹤方向誤判，造成能量的損失[5]。電導(dǎo)增量算法是輸出功率對電壓求導(dǎo)，這種算法的原理是判斷當(dāng)前工作電壓在最大功率點電壓的左側(cè)還是右側(cè)。當(dāng)時，系統(tǒng)工作于等效電壓源區(qū)，系統(tǒng)工作電壓比最大功率點處電壓小，增加光伏電池輸出電壓即可增加系統(tǒng)輸出功率；當(dāng)時，系統(tǒng)工作于電流源區(qū)，系統(tǒng)工作電壓比最大功率點處電壓大，減小光伏電池輸出電壓即可增大光伏電池輸出功率；當(dāng)時，系統(tǒng)工作于最大功率點，光伏電池輸出電壓保持不變。考慮到擾動觀察算法和電導(dǎo)增量算法的優(yōu)缺點，本文采用擾動觀察法和電導(dǎo)增量算法結(jié)合的方式，具體算法流程如圖4所示。

圖4 改進型最大功率跟蹤流程圖

系統(tǒng)首先實時采集電流、電壓瞬時值，計算相鄰兩次電流、電壓和功率變化量，然后根據(jù)獲取的變化值判斷系統(tǒng)環(huán)境是否發(fā)生突變。若外界環(huán)境發(fā)生緩慢變化，最大功率算法采用擾動觀察法進行最大功率跟蹤，提高跟蹤效率；若外界的光照強度發(fā)生突變，則采用電導(dǎo)增量法進行精確控制，減少功率誤差。

4 系統(tǒng)實驗測試

4.1 最大功率跟蹤結(jié)構(gòu)框圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由光伏電池LNPV-190Wp、升壓電路、最大功率控制模塊和負載幾個部分組成。該系統(tǒng)利用電流傳感器檢測光伏電池直流電流，利用電壓傳感器檢測光伏電池直流電壓，根據(jù)檢測到的PV和計算光伏電池輸出功率。在Matlab中采用函數(shù)實現(xiàn)MPPT算法，計算的控制量經(jīng)PWM模塊產(chǎn)生控制IGBT器件的脈沖信號，實現(xiàn)系統(tǒng)最大功率跟蹤。

圖5 最大功率控制框圖

4.2 實驗測試數(shù)據(jù)曲線

光伏發(fā)電系統(tǒng)的實驗是在給定溫度下、光照強度發(fā)生變化情況下進行最大功率跟蹤。初始太陽光強為800W/m2，在2 s時增加至1 000W/m2，研究最大功率跟蹤情況。

圖6為光伏電池輸出的電壓、電流和功率波形，圖7為經(jīng)DC-DC變換電路輸出端的電壓、電流和功率輸出特性。

圖6 光伏電池輸出端特性

圖7 DC-DC變換電路輸出特性

由實驗曲線可以得到：

在擾動觀察法和電導(dǎo)增量算法控制下，光伏電池輸出電壓、電流和功率存在不同程度的波動，但DC-DC變換電路輸出電壓平穩(wěn)，受外界環(huán)境因素影響較小。

相對于電導(dǎo)增量算法，擾動觀察跟蹤算法跟蹤速度快，但擾動步長選擇過小時，系統(tǒng)跟蹤速度緩慢，步長選擇過大時，系統(tǒng)跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差增大，因而步長的選擇應(yīng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面性能。

在太陽光照強度發(fā)生緩慢變化時，擾動觀察跟蹤算法能夠迅速跟蹤最大功率，但光照強度發(fā)生突變或者從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡至另一個穩(wěn)定狀態(tài)，算法尋優(yōu)方向已發(fā)生誤判，并且這種過程持續(xù)至突變狀態(tài)結(jié)束或突變速度減緩。

綜上考慮，在光照強度發(fā)生突變時采用電導(dǎo)增量算法，在緩慢變化或正常變化時采用擾動觀察算法，可以有效地提高系統(tǒng)最大功率跟蹤效果。

5 結(jié)論

光伏電池的輸出功率受環(huán)境溫度和光照強度等多種因素的影響，為使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率，需要不斷進行最大功率跟蹤。本文建立光伏電池工程實用模型，利用產(chǎn)品手冊中提供的SC、OC、m和m參數(shù)即可快速確定光伏電池輸出特性，研究了環(huán)境因素變化時對模型輸出特性的影響，并對模型進行了最大功率仿真研究，結(jié)果表明擾動觀察和電導(dǎo)增量混合算法具有較好的跟蹤速度和精度。

[1]汪義旺，曹豐文，張波，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點快速跟蹤控制研究[J].電力電子技術(shù),2010,44(10):14-16.

[2]SEOK-IL A JC,GO S,AHN S,et al.Simulation and analysis of existing MPPT controlmethods in a PV generation system[J].Journal of International Council on Electrical Engineering,2011,1(4): 446-451.

[3]郭明明，沈錦飛.基于改進變步長電導(dǎo)增量法光伏陣列MPPT研究[J].電力電子技術(shù),2011,45(7):14-16.

[4]文韜，洪添勝，李震，等.太陽能硅光電池最大功率點跟蹤算法的仿真及試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(1):196-201.

[5]張厚升，趙艷雷.多項式擬合的光伏電池陣列模擬器研究與設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(2):109-113.

Modeling and MPPT of photovoltaic power generation system

BAO Cun-hui

As to the problem of tracking slow and voltage vibration during the MPPT of photovoltaic power generation system,an im proved MPPT algorithm was proposed.The algorithm acquired the PV output currentand voltage,then filtered and tracked the maximum power point.The perturb and observe(P&O)and incremental conductance(INC) hybridmethod was used in this MPPT algorithm.If environment variation was slow,the P&O method was used;if environment variation was abrupt,the INC method was used.The experimental results prove that this im proved algorithm can avoid erroneous judgment of tracking direction,and can reduce power lose lead by system sustained oscillation,and could rapidly trackmaximum power point.

photovoltaic power generation;perturb and observe algorithm;incrementalconductance algorithm;MPPT

TM 615

A

1002-087 X(2014)05-0851-04

2013-10-20

陜西理工學(xué)院科研項目(SLGKY13-46)

鮑存會(1976—)，女，陜西省人，碩士，講師，主要研究方向為新能源開發(fā)與應(yīng)用。