一种改进的光伏发电系统MPPT控制方法.pdf

2 0 1 2年 3月 第 2 7卷第 2期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u rna l o f X i a n S h iy o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S ci e n ce E d i t i o n Ma t 2 01 2 Vo 1 2 7 N o 2 文章编号 1 6 7 3 0 6 4 X 2 0 1 2 0 2 0 0 8 9 0 4 一 种改进 的光伏 发 电系统 MP P T控制方法 王志敏 张建军 郭燕琼 西安石油大学 电子工程学院 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 目前光伏 系统最大功率点跟踪 MP P T 控制方法很 多 介绍 了3种常用的 MP P T控制方法 固 定电压法 扰动观察法和电导增量法 并通过仿真比较 了其启动时间 动态响应速度和稳态精度 在 此基础上提 出了一种改进的 MP P T控制方法 固定 电压结合扰动观察法 仿真结果表明 该方法 响应速度快 稳态精度 高 关键词 光伏 系统 最大功率点跟踪 固定电压结合扰动观察法 中图分类号 T N 8 6 文献标识码 A 由于太 阳电池输出功率随着光照强度和环境温 度的变化具有强烈的非线性 为了提高光伏发 电效 率 必须实时保证太阳电池工作在最大功率点 即在 太阳电池工作过程中应实施最大功率点跟踪 Ma x i m u m P o w e r P o in t T r a ck in g MP P T E 1 2 1 目前 最大功率点跟踪方法很多 应用较普遍的 有固定 电压法 扰动观察法 电导增量法 它们拥有 各 自的优缺点 固定 电压法跟踪速度快 但精度低 扰动观察法扰动步长不能兼顾动态响应速度和稳态 精度 电导增量法稳态精度高 但控制算法相对 复 杂 检测精度要求较高 3 引 分析比较上述 3种方法 提出了一种改进方法 即固定电压结合扰动观察法 该方法利用固定电压 法跟踪的快速性 使太阳电池迅速工作于最大功率 点附近 然后采用小步长扰动观察法精确地跟踪到 最大功率点 1 太 阳电池 1 1 太阳电池仿真模型 根据电子学理论 当负载为纯电阻时 太阳电池 的实际等效电路如图 1 所示 图 1 太阳 电池等效 电路 Fig 1 Eq u iv a le n t c ir c u it o f s o la r c e ll 对应的 一 函数如下 f p h一 d 一 B h p h一 0 e 鹏 s A 一1 一 I R U 式中 口 为光生电流 0 为二极管反向饱和电流 R 为太阳电池并联电阻 R 为太阳电池串联电阻 q为 电子电荷 为波尔兹曼常数 T为绝对温度 为二 极管系数 U为太阳电池输出电压 为太 阳电池输 出电流 设参考条件下太 阳辐射强度 R 为 1 k W m 太 阳电池温度 为 2 5 为太 阳电池短路 电 流 为太阳电池开路电压 为最大功率点 电流 为最大功率点电压 由式 1 化简太阳电池 的 一 方程 I s 1一C e 玩一1 2 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 6 作者简介 王志敏 1 9 8 5 女 主要从事太阳能发电装置研究 E m a il ch q k j w a n g 1 2 6 co m 一 9 O 一 西安石油大学学 报 自然科学版 其中 C 1一 m s e C 2 O o 3 C 2 U U 一1 I n 1一I m I 4 当太阳辐射 温度变化时 c e 一 1 其中 D I 一 Du 一卢 DT R DI 7 D T T o e f 8 O l为参 考 太 阳辐 射强 度 下 的 电流 变化 温 度 系数 A C 为参考太 阳辐射强度下 的电压变化温度 系数 U T 根据 厂家提 供 的 m 利 用 式 3 4 6 7 计 算 出 c c D D 最后 代入 式 5 即可得到太阳电池的特性方程 由此搭建太 阳 电池仿真模型 驯 1 2 太阳电池外特性 图 2 图 3给出了当太 阳辐射强度和太 阳电池 温度变化时太阳电池输 出功率特性 曲线 图 2 太阳 电池功率随光强变化 的 P一 曲线 2 5 C Fig 2 P U cu r v e s o f s o la r ce ll u n d e r d iffe r e nt l i g h t in t e n s i t y 2 5 图 3 太 阳电池 随温度变化的 P U曲线 1 k W m2 Fi g 3 P U cu r v e s o f s o la r ce ll u n d e r d iffe re nt t e mp e r a t u r e I k W m2 由图2 图 3可知 温度恒定时 随着光强减弱 输出功率减小 光强恒定时 随着温度升高输出功率 减小 由此可以看出 光照和温度影响太阳电池 的输 出特性 且在某一特定光照和温度下 存在惟一最大 功率输出点 2 光伏 系统 MP P T 控 制 方法 及 其 仿真 2 1固定电压法 图 2表明 当温度一定时 光伏系统 P U曲线 上的最大功率点电压几乎为一定值 如果将输 出电 压控制在此值 则太 阳电池近似工作在最大功率点 处 其仿真图形如图4所示 图 4固定 电压 法 买现 M P r F ig 4 I mplime n t a t io n o f M PP T u s in g co n s t an t v o lta g e a lg o r it hm 该方法控制简单 容易实现 由仿真波形可 以看 出 其启动特性很好 启动时间为 0 0 2 S 光照突变 后可以快速跟踪到最大功率点 但是精度 比较低 只 适用于小功率场合 2 2 扰动观察法 扰动观察法的原理是先扰动输出电压值 并根 据公式 P U 计算 出扰动前后太 阳电池 的输出功 率 然后进行 比较 若扰动后输出功率增加 则下一 次向相同的方向继续扰动 反之 则向相反的方向扰 动 其仿真图形如图 5所示 图 5 扰动观察法实现 MP P T F ig 5 I m p lime n ta t io n o f M PPT u s in g d is t u r b a n ce a n d o b s e r v a t io n a lg o r ith m 王志敏等 一种改进的光伏发电系统 MP P T控制方法 一9 1一 扰动观察法 是 比较常用 的一种 MP P T控制 方 法 它的缺点是扰动步长难以确定 步长过大 动态 响应速度快 但是稳态时会出现振荡 步长过小 则 跟踪速度变慢 从仿真波形可以看 出 该方法启动时 间为 0 0 5 S 光照突变后 跟踪 的速度 比较慢 同时 出现一个大 的波动 说 明出现 了 误判 现象 并 且 稳态时出现振荡 2 3电导增量法 该方法通过 比较光伏阵列的瞬时电导和电导变 化量来实现最大功率跟踪 根据太阳电池输 出特性 曲线 P U I 可知 在最大功率点处其斜率为零 即 P I U d P d U I U d I d U 0 d I d U 一I U 如果光伏阵列输出端电压和电流的检测满足精 度要求 则通过 比较 d I d U值与负数 I U值能精确 地寻找最大功率点 当输出电导的变化量等于输出 电导的负值时 光伏阵列工作在最大功率点 当电导 的变化量大于电导的负值时 工作点应向右移动 电 导的变化量小于电导的负值时 工作点应向左移动 其仿真图形如图 6所示 该方法控制算法 比较复杂 检i见 0 精度要求较高 由仿真图可 以看 出 电导增量法启动时间为 0 0 7 S 跟踪速度 比较慢 但稳态时无波动 精度较高 图 6电导增量法实现 MP P T Fig 6 I mp lim e nt a t i on o f M PP T u s ing c o n d u c t iv it y in cr e me n t a lg o r it h m 3 一种改进的 MP P T控 制方法 上述 3种常用的 MP P T控制方法有各 自的优缺 点 如果能够取长补短 利用固定电压法跟踪快速 性 使太阳电池迅速工作于最大功率点附近 然后采 用小步长的扰动观察法进行跟踪 能有效减小 系统 在最大功率点附近的振荡现象 改善系统的整体性 能 因此提出了固定电压结合扰动观察法 该方法控制流程 图如图7所示 本算法以AU为 临界判断值 当电压变化大于 A U时 采用固定电压 法迅速跟踪最大功率点 使输出电压稳定在 U 当 图7 固定电压 结合扰 动观 察法 MP P T流程图 F ig 7 Flo wc h a r t o f M PP T c o n t r o l b y c o mb inin g co n s t an t v o lt a g e a lg o r it h m wit h d is t u r b a nce o bs e r v a t io n a lg o r it h m 电压变化小于 时 采用小步长扰动观察法 同时 修改固定 电压控制算法设定 的参考 电压 为此时 的 重复上述过程 直到 P近似为零 仿真波形如图 8所示 图8 表明 该方法启动特性良好 0 0 2 S 时进入 稳定状态 当光强突变时 经过 0 0 0 5 S 系统重新达 到稳态 跟踪速度非常快 并且进入稳态后功率没有 出现振荡 稳态精度有所提高 因此 固定电压结合 扰动观察法在动态响应速度和稳态精度上都得到了 很大的改善 一 9 2一 西安石油大学学报 自然科学版 图 8 固定电压结合扰动观察 法实现 MP P T Fig 8 I m p lim e n t a fio n o f M PP T b y co m b in ing co ns t a n t v o lt a g e a lg o r it hm t ll d is t u r b a n ce o b s e r v a ti o n a lg o r it h m 4 结论 固定电压法启动快 精度低 一般在小功率场合 应用 扰动观察法扰动步长难 以确定 步长过大 动 态响应速度快 但是稳 态时会 出现振荡 而步长过 小 则跟踪速度变慢 固定 电压结合扰动观察法 能 充分发挥 固定电压法的长处 快速跟踪到最大功率 点附近 然 后用小 步长扰动 观察 法较精 确地 实现 MP P T 同时满足系统动态 响应 速度和稳态精 度 的 要求 参 考 文 献 1 周昶 太阳电池阵列模拟电源的研究与设计 D 上 海 复旦大学 2 0 1 0 2 T fis h a n E s r a m P a t rick L C h a p ma n C o m p a r is o n o f p h o t o v o lt a ic a r r a y ma x imum p o we r p o in t t r a cking t e chn iq ue s J I E E E T r a n s a ct i o n s o n E n e r g y C o n v e r s i o n 2 0 0 7 2 2 2 4 3 9 44 9 3 杨鲁发 光伏并网发电系统 MP P T和孤岛检测技术的 研究和实现 D 保定 华北电力大学 河北 2 0 1 0 YAN G L u f a Re s e arch a n d I mp le me n t a t io n o n MP P T a n d I s lan d in g De t e ct io n o f G ri d co n n e ct e d P V P o w e r Ge n e r a t i o n S y s t e m D B a o d i n g N o r t h C h i n a E le ct r i c P o w e r U n iv e r s i t y H e b e i 2 0 1 0 4 H o h m D P R o p p M E C o m p a r a t i v e s t u d y o f m a x i m u m p o we r p oin t t r a ckin g a lg o ri t h ms u s in g a n e xp e ri me nt a l p r o g r a mma b le maximu m p o w e r p o in t t r a ck in g t e s t b e d C 1 2 8 t h I E E E C o n f e r e n ce o n P h o t o v o l t a ic S p e cia li s t s 2 0 00 1 6 99 1 70 2 5 徐鹏威 刘飞 刘邦银 等 几种光伏系统 MP P T方法的 分析比较及改进 J 电力 电子技术 2 0 0 7 4 1 5 3 5 XU P e n g we i L I U F e i L I U B a n g y in e t a1 An al y s is co mp a ri s o n a n d imp r o v e me n t o f s e v e r al MP P T me t h o d s f o r P V s y s t e m J P o w e r E l e ct r o n ics 2 0 0 7 4 1 5 3 5 6 苏建徽 余世杰 赵为 等 硅太阳电池工程用数学模 型 J 太阳能学报 2 0 0 1 2 2 4 4 0 9 4 1 2 S U J i a n h u i Y u S h i j i e Z HA O We i e t a 1 I n v e s t ig a t i o n o n e n g in e e rin g anal y t ica l m o d e l o f s i li co n s o l ar ce l ls J A ct a E n e r g ia e S o l a r i s S in ica 2 0 0 1 2 2 4 4 0 9 41 2 7 茆美琴 余世杰 苏建徽 带有 M P P T功能的光伏阵列 Ma t l ab 通用仿 真模型 J 系统仿 真学 报 2 0 0 5 1 7 5 1 2 4 8 1 2 5 1 MA O Me i q i n Y u S h i i e S U J ia n h u i V e r s a t i