李 鋒，劉春生，徐曉淳

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

太陽能電池的輸出特性具有明顯的非線性，隨著光照、溫度等不同而變化［1］。為了提高發(fā)電效率，有必要對(duì)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤控制進(jìn)行研究。

CVT跟蹤精度差，只能近似在最大功率點(diǎn)附近工作。INC法和P＆O法均采用定步長的方式，難以兼顧跟蹤快速性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面的要求［2］。采用單一方法跟蹤的系統(tǒng)，一般存在啟動(dòng)特性較差、跟蹤過程不穩(wěn)定、精度不高、最大功率點(diǎn)振蕩等問題。將各種最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短，使其更好地滿足實(shí)際需求，是今后光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制的研究方向。

1 光伏電池仿真分析

要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)及其MPPT的仿真，首先對(duì)光伏陣列輸出特性進(jìn)行仿真模擬。利用簡(jiǎn)化光伏電池輸出特性方程在Matlab中建立其工程仿真模型［3-5］。當(dāng)溫度為25℃、光照不同時(shí)，光伏電池的P-V曲線如圖1所示。對(duì)光伏電池的輸出特性進(jìn)行分析得出:(1)最大功率點(diǎn)電壓約為開路電壓的76%;(2)輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為光伏電池的最大功率點(diǎn)(MPP)，且隨光照強(qiáng)度的增加而增加。

圖1 T=25C°時(shí)不同光照P-V曲線

2 最大功率點(diǎn)跟蹤原理

為了使光伏電池在不同溫度以及光照強(qiáng)度條件下輸出盡可能多的功率，在光伏電池和負(fù)載之間接人一個(gè)阻抗變換器，使得負(fù)載的輸入阻抗與太陽能電池的輸出阻抗總是處于最佳的匹配狀態(tài)［5-6］。本文在光伏系統(tǒng)中使用升壓變換器(Boost電路)連接光伏電池與負(fù)載。調(diào)變換器的占空比，使之在不同的外部環(huán)境下始終跟隨光伏陣列的內(nèi)阻變化，兩者動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配時(shí)就可以獲得最大輸出功率。

3MPPT控制算法

為了使光伏電池盡可能地工作在最大功率點(diǎn)，需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制算法?，F(xiàn)階段的每一種跟蹤方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其終極目標(biāo)都是希望能最快找到最大功率點(diǎn)，同時(shí)盡量少地消耗硬件資源。恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法都是目前最常用的跟蹤算法［7-11］。

3.1 恒定電壓跟蹤法

恒定電壓跟蹤法是利用太陽能光伏電池輸出最大功率時(shí)，工作電壓與開路電壓存在近似的比例關(guān)系這一特性的控制方法。根據(jù)學(xué)者的驗(yàn)證其最大功率點(diǎn)Vm=0.76Voc，此時(shí)光伏陣列即近似工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)際上是把MPPT控制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制。此方法控制簡(jiǎn)單較實(shí)用，但是精度不高。

3.2 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是通過比較太陽能陣列的瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)變化量來實(shí)現(xiàn)MPPT控制的。該方法雖然真正意義實(shí)現(xiàn)了MPPT，但是固定步長難以兼顧跟蹤精度和速度。

3.3 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法

鑒于傳統(tǒng)INC算法存在的缺點(diǎn)，本文對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出固定電壓法和自適應(yīng)變步長自適應(yīng)增量電導(dǎo)法［12-13］相結(jié)合的復(fù)合控制方法［14］。

基本原理為:在開始階段采用恒壓法，快速調(diào)整占空比使得輸出電壓定位在開路電壓的0.76附近，然后執(zhí)行變步長增量電導(dǎo)算法。當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較遠(yuǎn)時(shí)，步長取較大值，跟蹤速度加快;當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較近時(shí)，步長取較小值，慢慢接近最大功率點(diǎn);當(dāng)非常接近最大功率點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)定在該點(diǎn)工作，其中的dP/dU為一個(gè)自調(diào)整因子，由圖2可知當(dāng)工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)稍遠(yuǎn)時(shí)，dP/dU隨之增大，以較大步長調(diào)整工作點(diǎn)電壓;當(dāng)工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)接近時(shí)，其隨之減小，以較小的步長調(diào)整工作點(diǎn)電壓。通過設(shè)置合適的A，同時(shí)結(jié)合INC法跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以在MPPT過程中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變步長跟蹤，從而提高最大功率點(diǎn)的跟蹤精度。其具體流程圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)電導(dǎo)增量法流程圖

圖3 改進(jìn)電導(dǎo)增量法仿真模型

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

利用Matlab/Simulink構(gòu)建光伏電池模型、Boost變換器拓?fù)浜涂刂扑惴ǜ鱾€(gè)模塊，系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。其中采用的改進(jìn)增量電導(dǎo)算法利用Matlab中的Embedded Matlab Function模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

光伏電池采用功率為25W(開路電壓為21.6V，短路電流為1.2A)的型號(hào)。Boost電路中電感L=5mH，電容 C=470uF。仿真時(shí)間設(shè)定為 0.8s。0.4s以內(nèi)光照強(qiáng)度設(shè)置為500W/m2，大于0.4s光照強(qiáng)度突變?yōu)?000W/m2。得出的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)算法仿真結(jié)果圖

由圖4可知，在很短的時(shí)間內(nèi)光伏電池的輸出功率達(dá)到最大值，并且后面時(shí)間里一直保持在最大功率點(diǎn)附近，穩(wěn)態(tài)振蕩很小。圖4(b)的穩(wěn)定功率值就是圖4(a)的最大點(diǎn)，當(dāng)在0.4s時(shí)光照發(fā)生突變，系統(tǒng)也能夠很好地快速追蹤到最大功率點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)太陽能電池功率-電壓曲線的分析，并結(jié)合太陽能最大功率跟蹤原理，提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)變步長復(fù)合法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤，并在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下仿真分析，結(jié)果表明:改進(jìn)的CVT啟動(dòng)變步長電導(dǎo)增量法改善了啟動(dòng)特性，具有控制精確、響應(yīng)快的特點(diǎn)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性。

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