北極野外監(jiān)測(cè)裝置光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

陳 睿，陳 燕，李聰克，竇銀科，左廣宇

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

北極地區(qū)位于地球最北端，年平均氣溫為－15～－20 ℃，目前北極考察主要有船基考察和自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置考察等方式。其中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置包括北極海-冰-氣無(wú)人冰站觀測(cè)系統(tǒng)、天文觀測(cè)器和冰形變探測(cè)器等，這些裝置安裝于北極冰層上，終年隨著海流漂移，其供電主要依靠電池技術(shù)，但長(zhǎng)期低溫環(huán)境對(duì)電池壽命損耗極大，且在海冰移動(dòng)過(guò)程中電池更換的不方便性和不及時(shí)性給北極持續(xù)科考造成很大影響[1]，利用可持續(xù)能源供電勢(shì)在必行。

目前的極區(qū)科考設(shè)備已由單一的蓄電池供電轉(zhuǎn)向可再生能源和蓄電池聯(lián)合供電[2]，但其供電設(shè)備大多用在極區(qū)陸地地區(qū)，如南極中山站，其設(shè)備體積龐大，可用于與柴油機(jī)聯(lián)合供電，對(duì)可再生能源的依賴(lài)程度相對(duì)較小，對(duì)系統(tǒng)控制精度、速度以及能量利用率要求相對(duì)較低，不適合應(yīng)用于隨海冰漂移的野外監(jiān)測(cè)裝置。同時(shí)，光能作為北極供電系統(tǒng)的重要能源，其發(fā)電系統(tǒng)的控制尤為重要，然而光伏輸出功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度、溫度等氣候條件不斷變化，直接引起直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)甚至突變[3]，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性影響很大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種用于北極野外監(jiān)測(cè)裝置供電的風(fēng)光海流供電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略，即最大功率跟蹤和恒壓控制。其中，光伏、風(fēng)力和海流發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)各自變換器接入直流母線(xiàn)。該控制策略解決了非極區(qū)光伏供電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤的跟蹤速度慢，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)大的問(wèn)題，有效提高了跟蹤速度和精度，且避免了光照輸入突然增加時(shí)直流電壓的波動(dòng)和蓄電池頻繁充放電引起的壽命縮短等問(wèn)題，能夠快速高效地利用光能，穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓，保證北極野外監(jiān)測(cè)裝置的供電可靠性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池和DC/DC 控制器構(gòu)成，光伏電池將隨溫度、光照強(qiáng)度等氣候條件變化的光能轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)DC/DC 控制器接入直流母線(xiàn)。DC/DC 控制器通常為Buck 變換器或Boost 變換器，為使光照強(qiáng)度低時(shí)仍有能量流動(dòng)且減少能量損耗，本文使用Boost 變換器[4]。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，光伏電池經(jīng)Boost 變換器接入直流母線(xiàn)，控制策略通過(guò)控制Boost 電路中電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的時(shí)間實(shí)現(xiàn)。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 光伏電池模型

根據(jù)光伏電池的等效電路可得出其數(shù)學(xué)模型，但由于溫度以及太陽(yáng)輻射的變化會(huì)對(duì)輸出電流造成影響，因此在模型基礎(chǔ)上加以修正[5]：

式中：ISC為光伏電池短路電流；UOC為光伏電池開(kāi)路電壓；α 為電流變化溫度系數(shù)，取0.005 4 A/℃；β 為電壓變化溫度系數(shù)，取0.02 V/℃；Rs為光伏電池中的等效串聯(lián)電阻，取0.1 Ω；Sref和θref分別為參考條件下光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，一般取1 kW/m2和25 ℃。

根據(jù)式(1)～(4)得出光伏電池的Simulink 模型如圖2 所示。

圖2 光伏電池模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略與其輸出特性曲線(xiàn)有重要的聯(lián)系。光伏電池的輸出主要受溫度和光照強(qiáng)度影響[6]，其光伏輸出特性曲線(xiàn)如圖3 所示，圖3(a)為參考溫度25 ℃下，光照強(qiáng)度分別為1.2、1、0.8、和0.6 kW/m2時(shí)的P-V曲線(xiàn)圖，圖3(b)為光照強(qiáng)度1 kW/m2下，溫度分別為－30、－20、－10、0 和10 ℃時(shí)光伏電池的P-V曲線(xiàn)。由圖3 可知，總存在某一點(diǎn)電壓使得光伏輸出功率達(dá)到最大，且光伏輸出功率受光照強(qiáng)度影響遠(yuǎn)大于溫度的影響，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)只涉及光照強(qiáng)度變化時(shí)的仿真驗(yàn)證。

圖3 光伏輸出特性曲線(xiàn)

1.2 DC/DC 控制器與控制策略

若不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)，則引起直流母線(xiàn)電壓變化的根本原因就是光伏陣列發(fā)出功率與直流負(fù)荷功率不平衡。若光伏陣列發(fā)出的功率大于負(fù)載功率，則直流母線(xiàn)電壓上升；若光伏陣列發(fā)出的功率小于負(fù)載功率，則直流母線(xiàn)電壓下降。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略是由控制DC/DC 變換器中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，光伏電池輸出功率小于負(fù)載功率，為避免能源浪費(fèi)和蓄電池頻繁充放電，需要控制DC/DC 變換器使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率，采用最大功率跟蹤的控制策略；當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，光伏電池輸出功率超過(guò)負(fù)載功率，且蓄電池不需要充電時(shí)，必須控制DC/DC 變換器使光伏輸出功率降低，保持直流母線(xiàn)電壓的恒定，保證供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，即恒壓控制策略。兩種控制策略的區(qū)別最終體現(xiàn)在IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以及頻率的不同?？刂撇呗郧袚Q基于母線(xiàn)電壓大小。

2 改進(jìn)的自適應(yīng)最大功率跟蹤控制

2.1 自適應(yīng)最大功率跟蹤分析與建模

常用的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法有固定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法等。其中擾動(dòng)觀察法參數(shù)較少、原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用更加廣泛[7]，其原理為通過(guò)檢測(cè)實(shí)際的光伏輸出電壓并不斷添加擾動(dòng)量，使光伏輸出電壓為輸出特性中的最大功率點(diǎn)處的電壓，此時(shí)輸出功率達(dá)到最大功率。但傳統(tǒng)的定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法存在步長(zhǎng)問(wèn)題，不能動(dòng)態(tài)地改變步長(zhǎng)，如果步長(zhǎng)設(shè)置較小，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)精度相對(duì)較好，但系統(tǒng)跟蹤速度慢；如果步長(zhǎng)設(shè)置較大，容易造成在最大功率點(diǎn)處震蕩的問(wèn)題[8]。目前大部分研究中的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法只單單停留于分段定步長(zhǎng)的階段，上述問(wèn)題依然存在，只適合應(yīng)用在光能相對(duì)充足、精度要求低的場(chǎng)合。

北極擁有特殊的極晝極夜現(xiàn)象，光能相對(duì)不夠穩(wěn)定，對(duì)控制器要求較高，因此，本文提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法。該方法根據(jù)光伏輸出特性曲線(xiàn)在最大功率點(diǎn)左右兩部分斜率的不同，將擾動(dòng)量設(shè)為斜率的函數(shù)，且隨著每一點(diǎn)斜率的變化而變化，步長(zhǎng)在每一點(diǎn)處均不同，其擾動(dòng)原理為：

式中：Un為第n次電壓采樣值；Un+1為第n+1 次電壓采樣值。

由圖3 可知，光伏輸出特性曲線(xiàn)在最大功率點(diǎn)處斜率為0，越靠近最大功率點(diǎn)處的斜率絕對(duì)值越減小，擾動(dòng)步長(zhǎng)需要相應(yīng)地減少以避免在最大功率點(diǎn)處的震蕩；在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，需要相應(yīng)地增大其擾動(dòng)步長(zhǎng)來(lái)達(dá)到快速跟蹤，因此該自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法的擾動(dòng)量是關(guān)于ΔP/ΔU的函數(shù)；且在最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，擾動(dòng)量應(yīng)為正；在最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，擾動(dòng)量應(yīng)為負(fù)。圖4 為改進(jìn)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法流程框圖。

圖4 改進(jìn)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法流程框圖

首先采集n時(shí)刻的光伏輸出電壓Un和電流In，計(jì)算前后時(shí)刻的電壓差ΔU和功率差ΔP，通過(guò)判斷ΔP/ΔU的正負(fù)得到擾動(dòng)量ΔUn和n+1 時(shí)刻的電壓參考值Un+1，將此時(shí)電壓的實(shí)際值U與參考值Un+1的差值ΔU*送入PI 控制器得到調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)得到Boost 電路控制信號(hào)的占空比。其中，α 和β 均為步長(zhǎng)因子，本文分別取0.178 和0.6。在Matlab/Simulink 中建立改進(jìn)的自適應(yīng)最大功率跟蹤的模型，如圖5 所示。

2.2 仿真驗(yàn)證

光伏系統(tǒng)仿真模型如圖6 所示，其中MPPT 模塊為圖5 的封裝形式，為改進(jìn)的最大功率跟蹤模型，模型輸入信號(hào)為Ipv和Upv，分別代表光伏電池的輸出電流和輸出電壓，通過(guò)上述的最大功率跟蹤模型計(jì)算和PWM 調(diào)制，最終輸出信號(hào)g，作為IGBT 控制信號(hào)，用于控制Boost 電路的通斷，從而改變光伏電池輸出功率和電壓。其電路中的具體參數(shù)如表1 所示。

圖5 改進(jìn)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法模型

圖6 光伏系統(tǒng)仿真模型

表1 電氣參數(shù)表

為了驗(yàn)證控制策略的可行性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真。為了模擬北極低溫環(huán)境，設(shè)置溫度為－20 ℃，仿真時(shí)間為0.9 s，仿真步長(zhǎng)采用離散步長(zhǎng)，取樣時(shí)間為1 ms，求解器采用的是變步長(zhǎng)的ode23tbc(stiff/TR-BDF2)。

保持環(huán)境溫度－20 ℃不變，光照強(qiáng)度在0.03 s 時(shí)由1 000 W/m2降為800 W/m2，0.06 s 時(shí)光照強(qiáng)度又降到600 W/m2，如圖7(a)所示，光伏輸出功率變化曲線(xiàn)如圖7(b)所示，系統(tǒng)在0.001 377 s 時(shí)跟蹤到了最大功率點(diǎn)且跟蹤性能穩(wěn)定，功率為140.5 W；當(dāng)光伏突變時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)也能很快地跟蹤到最大功率，且穩(wěn)定精度高，功率幾乎無(wú)波動(dòng)，充分驗(yàn)證了改進(jìn)的最大功率跟蹤控制策略具有跟蹤速度快、穩(wěn)定性好和能量利用率高的特點(diǎn)。

圖7 最大功率跟蹤仿真波形圖

3 恒壓控制

3.1 恒壓控制分析與建模

一般情況下，盡量使得光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率追蹤狀態(tài)。當(dāng)光伏輸出功率大于負(fù)載功率，且儲(chǔ)能元件達(dá)到滿(mǎn)充而不工作時(shí)，系統(tǒng)能量過(guò)剩會(huì)引起直流母線(xiàn)電壓上升，為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行，就必須對(duì)光伏系統(tǒng)采取降功率控制[9]。本文采用恒壓控制，即通過(guò)改變光伏輸出電壓的大小控制其輸出功率的大小。其控制策略模型如圖8 所示。將實(shí)際測(cè)得的直流母線(xiàn)電壓Udc與直流母線(xiàn)電壓參考值閾值1.1U*dc=33 V 進(jìn)行比較，差值送入電壓PI 控制器，得到電感電流的參考值I*L，將其與電感電流實(shí)際值IL比較后送入電流PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)制波，以三角波作為載波，經(jīng)過(guò)PWM 調(diào)制得到Boost 電路的控制信號(hào)[10]。

圖8 恒壓控制策略模型

3.2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光伏恒壓控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖9 所示，保持環(huán)境溫度－20 ℃不變，在0.01 s 時(shí)，光照強(qiáng)度由500 W/m2升到1 000 W/m2，此時(shí)光伏輸出冗余，系統(tǒng)由最大功率跟蹤模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐耗Ｊ?，此時(shí)光伏輸出電流Ipv減小，光伏輸出電壓Upv增大，根據(jù)光伏輸出特性曲線(xiàn)可知，其位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，光伏輸出功率減小，并且直流母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)0.001 s后穩(wěn)定于33 V 左右，驗(yàn)證了恒壓控制策略的有效性。其中電壓PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為P1=0.2，I1=0.01；電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為P2=8，I2=20。

4 結(jié)論

本文結(jié)合極地低溫環(huán)境，提出了一種用于北極野外監(jiān)測(cè)裝置風(fēng)光海流供電系統(tǒng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。采用改進(jìn)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤控制，其跟蹤速度快，穩(wěn)態(tài)精度高，大幅提高了光能的利用率；采用電壓電流PI 調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)了恒壓控制策略，有效避免了蓄電池頻繁充放電，保證了直流母線(xiàn)電壓的恒定。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。

圖9 恒壓控制仿真波形圖