1引言

太陽(yáng)能發(fā)電是指無(wú)須通過(guò)熱轉(zhuǎn)換過(guò)程直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式,包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池這種半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽(yáng)光輻射能,并將其轉(zhuǎn)化為電能的直接方式,是當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流方式[1-3]。由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化具有強(qiáng)烈的非線性,在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中,所有光伏系統(tǒng)都希望太陽(yáng)能光伏陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多電能,即存在一個(gè)最大功率點(diǎn)的跟蹤[4]。目前,研究最廣且應(yīng)用較普遍的MPPT控制算法主要有固定電壓法、擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法。相關(guān)文獻(xiàn)大多針對(duì)某一特定方法進(jìn)行研究,缺乏對(duì)各種控制方法實(shí)際應(yīng)用效果的系統(tǒng)化比較研究,采用實(shí)際控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)用性研究的則更少。本文選取比較常見(jiàn)的固定電壓法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法為研究對(duì)象,分別分析各種控制算法的實(shí)現(xiàn)原理,并在反激變換上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最后提出一種滿(mǎn)足實(shí)際需求的控制算法。

2光伏電池

2.1光伏電池特性

光伏電池的輸出特性方程為[5-7]:式中:I為光伏電池的輸出電流;U為光伏電池的輸出電壓:ILG為光電流;IOS為光伏電池暗飽和電流;q為電子電荷電量;A為光伏電池板特性常數(shù);K為波爾茲曼常數(shù);T為光伏電池的單元溫度;RS為光伏電池的串聯(lián)等效電阻;RSH為電池的并聯(lián)電阻。

2.2光伏電池電氣特性

光伏電池的電氣特性如圖1[8]所示。由圖1可以看出,光伏陣列輸出特性,即I/V和P/V特性,二者都具有非線性,且存在唯一的最大輸出功率點(diǎn)。相關(guān)文獻(xiàn)研究指出:除材料工藝外,影響太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)的因素主要是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度。因此,應(yīng)采取控制措施使光伏陣列能夠在當(dāng)前日照強(qiáng)度和溫度不斷變化的情況下不斷追蹤最大功率點(diǎn)。

3算法實(shí)現(xiàn)原理分析

3.1固定電壓法

固定電壓法的工作原理如圖2[9-10]所示。圖2中:Pmax為最大功率點(diǎn),a′、b′、c′、d′和e′表示最大功率輸出點(diǎn),a、b、c、d和e為相應(yīng)光照強(qiáng)度下直接匹配時(shí)的工作點(diǎn)。光伏陣列在不同光照強(qiáng)度下的最大功率輸出點(diǎn)總是近似在某一恒定的電壓值Um附近。假如曲線L為負(fù)載特性曲線,如果采用直接匹配,其陣列的輸出功率較小。為了彌補(bǔ)阻抗失配帶來(lái)的功率損失,可以采用固定電壓法,在光伏陣列和負(fù)載之間通過(guò)一定的阻抗變換,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的功能,使陣列的工作點(diǎn)始終穩(wěn)定在Um附近,這樣不但簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng),還可以保證輸出功率接近最大值。在一定條件下,固定電壓法不但可以得到比直接匹配更高的功率輸出,還可以用來(lái)作為MPPT控制。

3.2擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法是通過(guò)不斷調(diào)節(jié)光伏器件MPPT電路的工作狀態(tài)來(lái)比較電路調(diào)整前后光伏陣列輸出電壓和輸出電流的變化情況,再根據(jù)變化情況來(lái)調(diào)整MPPT電路的工作,使光伏器件工作在最大功率點(diǎn)附近,其控制原理如圖3[11-12]所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器在每個(gè)控制周期加入一個(gè)步長(zhǎng)可調(diào)的干擾量,比較這次輸出功率值與上次輸出功率輸出值,如果功率值增大了,則繼續(xù)在這個(gè)方向上加入干擾量,反之,則改變干擾量的方向,這樣光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近最大功率點(diǎn),最終在其附近的一個(gè)較小震蕩范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3.3增量電導(dǎo)法

增量電導(dǎo)法通過(guò)比較光伏陣列的瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤[13-15]。根據(jù)P=U×I可得:在最大功率點(diǎn)處的斜率為零,即利用光伏方陣輸出端dI/dU值與此時(shí)的負(fù)數(shù)I/U值相比較,當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí),光伏陣列工作在最大功率點(diǎn),當(dāng)dI/dU值大于負(fù)數(shù)I/U值時(shí),說(shuō)明輸出功率點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè),當(dāng)dI/dU值小于負(fù)數(shù)I/U值時(shí),說(shuō)明輸出功率點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的右側(cè),然后通過(guò)改變MPPT電路的工作狀態(tài),使太陽(yáng)能光伏陣列輸出功率點(diǎn)往最大功率點(diǎn)移動(dòng),最后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。

4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4.1反激式變換器

反激式變換器具有高可靠性、電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、控制簡(jiǎn)單、輸入輸出電氣隔離、升/降壓范圍寬、不需接次級(jí)濾波電感、成本較低、體積較小等特點(diǎn),適合250W以下小功率的功率變換的場(chǎng)合,因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用該變換器,電路原理圖如圖4所示。反激式變換器的工作原理:當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1被PWM信號(hào)激勵(lì)導(dǎo)通時(shí),輸入電壓Ui電壓全部加到高頻變壓器T1的原邊繞組N1上。由于變壓器T1的整流二極管管反接,變壓器的副邊繞組N2沒(méi)有電流流過(guò),當(dāng)VT1截止時(shí),繞組N2的電壓極性顛倒,VD被正偏,VT1導(dǎo)通期間存在T1上的能量便通過(guò)VD負(fù)載Rf釋放。所以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管VT1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就能夠控制光伏陣列的工作點(diǎn)并完成MPPT。

4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選用額定功率為150W,開(kāi)路電壓為42V,短路電流為4.95A的光伏電池陣列,三種控制算法的實(shí)驗(yàn)波形如圖5~7所示。圖5中,電壓波形下降陡峭,說(shuō)明系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確的跟蹤到給定電壓指令,工作電壓波動(dòng)很小。圖6中,功率波形在啟動(dòng)過(guò)程中有一個(gè)很小的尖峰,說(shuō)明此時(shí)的功率判斷失敗,引起少量的功率損失。圖7中,功率波形上升很慢,跟蹤到最大功率點(diǎn)后,功率波動(dòng)很小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納出3種算法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

5固定電壓結(jié)合增量電導(dǎo)法

為了克服增量電導(dǎo)法啟動(dòng)時(shí)間慢的缺點(diǎn),可采用固定電壓結(jié)合增量電導(dǎo)算法的控制算法。算法的思路:在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),采用固定電壓法,PI閉環(huán)進(jìn)行無(wú)差控制,跟蹤到給定電壓指令后,切換到增量電導(dǎo)法,根據(jù)dI/dU值與負(fù)數(shù)I/U值的大小關(guān)系調(diào)整功率輸出點(diǎn),最后系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。程序的流程圖如圖8所示。固定電壓結(jié)合增量電導(dǎo)算法實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。圖9中,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短而且仍保留增量電導(dǎo)法穩(wěn)態(tài)控制精度高的優(yōu)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)證明該算法有較好的控制效果。