李宏俊 , 劉 薇 , 胡開明
(1.東華理工大學長江學院,江西 撫州 344000;2.東華理工大學江西省新能源工藝與裝備工程技術研究中心,江西 南昌 330013)
隨著經濟的高速發(fā)展,化石能源緊缺和環(huán)境問題越來越嚴重,過度使用化石能源造成了全球的能源危機,也影響了人類賴以生存的環(huán)境[1]。由于化石能源愈發(fā)匱乏的情況開始顯現,人們對可再生能源青睞有加。因此,逐漸開始將目光轉向可再生能源,眾所周知,太陽能是一種干凈環(huán)保的可再生能源。采用太陽能發(fā)電具有沒有污染和噪聲、環(huán)保、規(guī)??煽?、維護方便以及安全可靠等優(yōu)點[2]。其中更重要的一點是太陽能資源的儲量豐富,因此世界各國都將焦點聚集于此。光伏發(fā)電是將太陽能資源充分利用的有效途徑之一,但是光伏電池板轉換率太低[3],為了提高整個光伏系統的轉換率,就需要提高光伏電池的轉換率,這就體現出最大功率點跟蹤技術在光伏系統中的重要意義?;诖?,本文針對光伏并網發(fā)電系統中的最大功率點跟蹤技術展開MATLAB仿真分析,以便提高太陽能電池的轉化率。
光伏電池工作原理是基于半導體PN結的光生伏特效應。當光照到半導體上時,半導體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應[4]。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時,就會在PN結的兩邊出現電壓,叫作光生電壓。一些特殊材質受到光照后會發(fā)生光效應,光效應可以將太陽能轉化成其他形式的能量。圖1為光伏電池的電路等效原理圖。
圖1 光伏電池等效原理圖
由圖1可得光伏電池的數學模型為:
式(1)中,I為光伏電池的輸出電流(A),Iph為暗生電流(A),Id為光生電流(A),Ish為光伏電池等效串聯電阻的電流(A)。
其中,
從圖1來看,可把光伏電池模型等效看作一個二極管,當光照強度或溫度不變時,Iph也不發(fā)生變化,所以便可看成一個電流源。Rs是串聯等效電阻,Rsh為旁路電阻,與電池的泄漏電流成反比,泄漏電流越大,Rsh越??;反之,Rsh越大。
根據上述光伏電池等效電路,在參考條件下,有四個重要參數:短路電流Isc,開路電壓Uoc,最大輸出功率點電流Im,最大輸出功率點電壓Um,如果外界光照強度和溫度發(fā)生變化,這四個參數也會發(fā)生不同程度的變動,但是只要維持在標準情況,這四個參數可以視為定值。因此可以得到公式(3):
其中,
當外界環(huán)境出現變化時, 可由式(3)、(4)、(5)計算得出新Isc、Uoc、Im、Um變化值。參考條件取標準狀態(tài)下溫度Tref=25 ℃,光照強度Sref=1000 W/m2,短路電流Isc=10.8 A,開路電壓Uoc=320 V,最大功率電流Im=8.9 A,最大功率電壓Um=249 V。據此搭建MATLAB仿真模型,并對光強變化和溫度變化進行驗證。得到仿真曲線如圖2、圖3所示。保持溫度25 ℃不變時,光照強度由1000 W/m2在0.1 s上升到1200 W/m2,在0.3 s上升到1400 W/m2,在0.5 s降低到800 W/m2,0.1 s后降低到600 W/m2。
由圖2、圖3可觀察得出溫度不變時,光照強度隨著時間改變而減小,最大功率點的輸出電流值也隨之變小,輸出電壓也變小,Uoc變小,最大功率P降低。光照強度能夠較大幅度影響開路電壓Uoc變化。
圖2 溫度不變時U-P曲線
圖3 溫度不變時U-I曲線
取光照強度1000 W/m2不變時,溫度由25 ℃在0.1 s降低到15 ℃,在0.3 s上升到30 ℃,而在0.5 s上升到40 ℃??梢缘玫焦庹詹蛔儠rU-I曲線與U-P曲線分別如圖4、圖5所示。
圖4 光照不變時U-I曲線
圖5 光照不變時U-P曲線
由圖4與圖5可知,在光照不變的情況下,溫度對開路電壓Uoc影響較大,隨著溫度值的增大Uoc變小,短路電流Isc小幅度增大,Im增加Um減小??傻贸鰷囟茸兓茌^大幅度影響Isc的變化。
通過對太陽能電池的仿真分析可以發(fā)現:光伏電池的輸出特性具有很強的非線性特征,光照強度S、環(huán)境溫度T和負載情況等因素會對其產生明顯的影響[5]。為了充分利用光伏電池轉換的能量,以提高整個系統的能量利用率,需要光伏電池始終處于最大功率輸出的狀態(tài)。因此,需要在光伏電池板和負載之間增加最大功率點跟蹤控制裝置,使光伏發(fā)電系統能夠實時地跟蹤最大功率點。
光伏并網發(fā)電采用雙極型結構,即前級DC/DC部分和后級DC/AC部分[6]。其中光伏陣列和Boost升壓斬波電路構成了前級;三相全橋逆變電路、蓄電池以及電網作為后級。包括前級DC/DC雙升壓斬波(Boost)電路和后級逆變DC/AC兩部分組成。光伏陣列產生的不穩(wěn)定直流電經過最大功率跟蹤技術(MPPT)處理后控制前級DC/DC端Boost電路功率管的開斷,完成最大功率跟蹤的任務的同時形成穩(wěn)定的直流電壓信號,輸出的直流電再經過逆變器逆變(DC/AC)電路后形成正弦交流電,經濾波整形后接入電網。整個系統結構能較好地維持電壓、電流的平穩(wěn)運行,系統結構如圖6所示。
圖6 太陽能并網發(fā)電系統結構圖
最大功率點跟蹤(MPPT)是為了提高光伏電池的轉換效率,使光伏電池始終處于最大功率輸出的狀態(tài),這就需要在光伏電池板和負載之間增加最大功率點跟蹤控制裝置,從而使光伏發(fā)電系統能夠實時地跟蹤最大功率點[7]。MPPT控制策略是通過測量光伏電池的實時輸出功率,采用相應的控制算法來預測此時條件下光伏電池的最大功率點,通過改變負載或當前電壓、電流等值來達到能夠滿足跟蹤最大功率點的要求[8]。這樣,不管太陽光的輻射強度如何變化,也不論外界溫度怎樣變化使光伏電池的輸出功率減少還是增加,系統都會自動通過MPPT技術實時跟蹤當前的最佳工作點,從而提高光伏發(fā)電系統的轉換效率。
擾動觀察法是目前一種較好的實現最大功率點跟蹤的方法,其是通過對電池輸出電壓不斷擴大或縮小步長來實現擾動,通過變化前后的功率比較計算來確定下一次的電壓擾動變化,直到達到最大功率輸出[9]。保證MPPT的執(zhí)行速度不低且最大功率跟蹤精度較高,需采用變步長擾動,根據改變步長的前后功率來判斷步長的增減。MPPT執(zhí)行擾動時,為了避免出現震蕩的情況,擾動步長設計最大一般為2 W,ΔP>2 W時,設計的MPPT將以最大擾動步長進行擾動;當0.5 W<ΔP<2 W時,步長值設計成與功率震蕩值成正比的數值,ΔV=2V*(ΔP/2 W)。ΔP<0.5 W時,MPPT工作在最大功率點處Pmax,步長將不作調整,等到下個周期繼續(xù)判斷是否需要擾動,其工作流程圖如圖7所示。
圖7 工作流程圖
若光伏電池當前運行點和Pmax所處點距離相對較大時,便增加步長去擾動[10],這樣便可以較快到達Pmax;若光伏電池當前運行點和Pmax所處點距離相對較小時,便減少步長去擾動,通過對比兩次連續(xù)功率采樣值,其差值已經在要求精度范圍之內,說明當前已經運行在Pmax處。利用這樣的方法,以此驗證MPPT是否正確可行,而整個最大功率跟蹤過程既可確保仿真時間,也可確保精度要求。
構建最大功率跟蹤的擾動觀察法MATLAB仿真模型,光伏電池的輸出電壓、電流、輸出功率分別如圖8、圖9、圖10所示。
圖8 光伏電池輸出電壓
圖9 光伏電池輸出電流
從仿真曲線可以看出改變光照強度在0.3 s時由1000 W/m2變化到800 W/m2,光伏電池輸出電流能夠在0.05 s后,輸出電壓在0.2 s后,最大功率在0.15 s后也能夠穩(wěn)定在一個值,說明所設計的MPPT有效可行。
隨著經濟的迅猛發(fā)展,能源逐漸供不應求且需求量越來越大,太陽能作為一種清潔無污染的能源,利用價值可觀。如何提高太陽能光伏并網發(fā)電效率是核心內容,本文通過對太陽能光伏并網發(fā)電系統中的最大功率點跟蹤進行研究,通過MPPT控制,實現最大功率因數并網,使系統處于最大功率點,提高了并網發(fā)電的轉換效率,在實際中有一定的應用價值。