一種應用于光伏系統的雙模式MPPT控制方法研究

作者/ 魯兵¹ 宋桂英¹ 王云濤¹ 邱晗² 趙曉明¹ 1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院(天津 300130) 2.天津天傳新能源電氣有限公司(天津 300180)

摘要：光伏發(fā)電對于氣象條件的依賴(lài)比較嚴重。為了使光伏電池產(chǎn)生盡可能多的電能，需要對其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制。本文提出了一種雙模式最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，此方法結合了短路電流法和電阻增量法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)Simlink仿真可知，應用這種雙模式控制方法的光伏系統在陽(yáng)光突變時(shí)能夠快速地重新達到最大功率點(diǎn)，并有效降低光伏系統在最大功率點(diǎn)處的震蕩，減少了系統功率損耗。

引言

　　光伏發(fā)電因具有污染小、可再生等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國的重視^[1]。當光伏系統進(jìn)行發(fā)電時(shí)，其發(fā)電量受到光照強度、環(huán)境溫度的影響。為了更好地使光伏系統在不同環(huán)境下盡可能發(fā)出最大功率，使用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技術(shù)，在外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，使光伏系統能穩定、快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)繼續運行^[2]。

　　目前常用的MPPT方法有恒定電壓法、電導增量法、擾動(dòng)觀(guān)測法等^[3-4]，這都是對光伏電池電壓尋優(yōu)的方法。對于Boost變換器而言，對電流進(jìn)行尋優(yōu)控制可以使電路性能更優(yōu)越^[5]。定步長(cháng)電阻增量法就是一種基于電流尋優(yōu)的MPPT方法，其控制精度較高，響應速度較快。但由于其跟蹤步長(cháng)固定，所以跟蹤的快速性和系統的穩定性不能同時(shí)兼顧。本文提出了一種雙模式MPPT方法，此法結合了短路電流法和電阻增量法的優(yōu)點(diǎn)，可以在光照突變時(shí)，快速準確地達到新的最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point, MPP)，并且在MPP附近震蕩較小，從而實(shí)現較為理想的控制效果。

1 光伏電池數學(xué)建模

　　在光伏發(fā)電系統的設計中，為了更好地分析光伏電池的性能，使其與光伏控制系統匹配，達到最佳的發(fā)電效果，需要建立光伏電池的數學(xué)模型。通過(guò)這些數學(xué)關(guān)系，來(lái)反映光伏電池各項參數的變化規律。光伏電池等效電路圖如圖1所示^[6]。

　　從圖1中可以得出以下關(guān)系式：

　　式(2)中，Iph是光子在光伏電池中激發(fā)的電流，I0是二極管的總擴散電流，q是電子電荷(1.6×10^-19C)，K是玻爾茲曼常數 (1.381×10^-23J/K)，T為熱力學(xué)溫度，RS和Rsh分別為光伏電池的串聯(lián)、并聯(lián)電阻，A為二極管特性因子，k為波爾茲曼常數( k =1. 38 × 10^-23J/ K) ，T為光伏電池溫度。

　　式(2)是建立在物理原理上的實(shí)際光伏電池的解析表達式，其表達式極其復雜。為符合工程的實(shí)際應用，本文對公式(2)做兩點(diǎn)近似處理：①由于R_S遠小于二極管的正向導通電阻，因而可忽略，所以光生電流近似等于短路電流，即I_ph=I_sc;②由于R_sh非常大(KΩ)，因此，U_d/R_sh非常小，近似于開(kāi)路，該項可省略。得出進(jìn)一步的光伏器件的簡(jiǎn)化數學(xué)模型為：

　　圖2為光伏電池在溫度為25℃，不同光照強度下的I-U、P-U和P-I曲線(xiàn)，由圖可知，其輸出特性是非線(xiàn)性的，在一定的溫度和光照強度下，光伏電池具有唯一的最大功率點(diǎn)。

　　根據光伏電池的簡(jiǎn)化數學(xué)模型公式(5)，用Simulink建立了光伏電池的通用仿真模型。如圖3所示。

2 雙模式MPPT控制方法

　　光伏發(fā)電廠(chǎng)周?chē)鷼庀蟓h(huán)境的變化直接影響著(zhù)光伏系統的發(fā)電效率。對光伏電池進(jìn)行MPPT控制能夠使得發(fā)電系統在氣象環(huán)境變換的情況下時(shí)刻保持最大的功率輸出。本文借鑒目前工程上常用的、研究最多的電導增量法，提出一種采用電流尋優(yōu)的MPPT方法——電阻增量法，再通過(guò)與短路電流法相結合，得到一種雙模式控制算法。

2.1 短路電流法工作原理

　　短路電流法利用光伏電池關(guān)系式I_MPP≈k×ISC(IMPP為光伏電池最大功率點(diǎn)電流，I_SC為光伏電池短路電流，系數k的值取決于光伏電池的特性，一般取0.78左右)進(jìn)行光伏電池輸出功率的控制，因此，只要知道I_SC就能使光伏電池的輸出功率接近最大功率點(diǎn)。由圖2(c)中的光伏電池P-I特性曲線(xiàn)可知，光伏電池的短路電流I_SC與光照強度同樣有近似比例關(guān)系。因此，可以在線(xiàn)測得光照強度，從而得到I_sc，進(jìn)而得到I_MPP。在外部光照強度突變時(shí)，應用短路電流法能使光伏電池輸出功率快速達到新的MPP附近，但控制精度差。

2.2 電阻增量法工作原理

　　借鑒電導增量法原理，本文提出了基于光伏電池電流尋優(yōu)的電阻增量法，此法繼承了電導增量法的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，控制精度較高，響應速度較快。電阻增量法的判斷依據為：當前光伏陣列的P-I曲線(xiàn)斜率為零時(shí)，在MPP點(diǎn);為正時(shí)，在MPP左邊;為負時(shí)，在MPP右邊。即：

　　因此，可以通過(guò)判斷U+IdU/dI的符號來(lái)實(shí)現跟蹤策略。假設在最大功率點(diǎn)處I_ref=I_MPP，光伏陣列將維持這個(gè)點(diǎn)直到ΔU發(fā)生變化，然后通過(guò)增加或者減少跟蹤步長(cháng)I_ref，達到新的最大功率點(diǎn)，其流程圖如圖4所示。其中：U(k)和I(k)為光伏電池電壓和電流的采樣值，U(k-1)和I(k-1)為前一周期采樣值。I_ref為MPP處電流參考值，Istep為跟蹤步長(cháng)。跟蹤步長(cháng)太大，跟蹤響應速度快，但在最大功率點(diǎn)附近會(huì )產(chǎn)生很大的震蕩，使系統不穩定;跟蹤步長(cháng)太小則會(huì )使響應速度太慢。

2.3 雙模式MPPT控制方法工作原理

　　定步長(cháng)電阻增量法在外界環(huán)境穩定情況下，MPPT控制效果較好，對光伏器件的利用效果較高，但存在最大功率點(diǎn)處功率振蕩現象。此外，在日照突變情況下，會(huì )失去對MPPT的控制能力。由短路電流法特性可知，雖然該方法控制精度差，但在外部環(huán)境突變的情況下，仍能快速使光伏器件輸出功率跟蹤日照的變化。為使光伏發(fā)電系統能夠快速響應日照變化，且能在最大功率點(diǎn)處盡量減少震蕩，本文提出了將短路電流法和電阻增量法相結合的MPPT控制方法，即一種雙模式 MPPT控制方法。