1引言

太陽能發電是指無須通過熱轉換過程直接將太陽光能轉化成電能的發電方式,包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽能電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并將其轉化為電能的直接方式,是當今太陽能發電的主流方式[1-3]。由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強度和電池結溫的變化具有強烈的非線性,在實際的應用系統中,所有光伏系統都希望太陽能光伏陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多電能,即存在一個最大功率點的跟蹤[4]。目前,研究最廣且應用較普遍的MPPT控制算法主要有固定電壓法、擾動觀察法和增量電導法。相關文獻大多針對某一特定方法進行研究,缺乏對各種控制方法實際應用效果的系統化比較研究,采用實際控制平臺進行實用性研究的則更少。本文選取比較常見的固定電壓法、擾動觀察法、增量電導法為研究對象,分別分析各種控制算法的實現原理,并在反激變換上進行實驗驗證,最后提出一種滿足實際需求的控制算法。

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;K為波爾茲曼常數;T為光伏電池的單元溫度;RS為光伏電池的串聯等效電阻;RSH為電池的并聯電阻。

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。相關文獻研究指出:除材料工藝外,影響太陽能最大功率點的因素主要是環境溫度和日照強度。因此,應采取控制措施使光伏陣列能夠在當前日照強度和溫度不斷變化的情況下不斷追蹤最大功率點。

3算法實現原理分析

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,a′、b′、c′、d′和e′表示最大功率輸出點,a、b、c、d和e為相應光照強度下直接匹配時的工作點。光伏陣列在不同光照強度下的最大功率輸出點總是近似在某一恒定的電壓值Um附近。假如曲線L為負載特性曲線,如果采用直接匹配,其陣列的輸出功率較小。為了彌補阻抗失配帶來的功率損失,可以采用固定電壓法,在光伏陣列和負載之間通過一定的阻抗變換,使系統實現穩壓器的功能,使陣列的工作點始終穩定在Um附近,這樣不但簡化了整個控制系統,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,還可以用來作為MPPT控制。

3.2擾動觀察法

擾動觀察法是通過不斷調節光伏器件MPPT電路的工作狀態來比較電路調整前后光伏陣列輸出電壓和輸出電流的變化情況,再根據變化情況來調整MPPT電路的工作,使光伏器件工作在最大功率點附近,其控制原理如圖3[11-12]所示。光伏發電系統控制器在每個控制周期加入一個步長可調的干擾量,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,則繼續在這個方向上加入干擾量,反之,則改變干擾量的方向,這樣光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近最大功率點,最終在其附近的一個較小震蕩范圍內達到穩態。

3.3增量電導法

增量電導法通過比較光伏陣列的瞬時電導和電導變化量來實現最大功率跟蹤[13-15]。根據P=U×I可得:在最大功率點處的斜率為零,即利用光伏方陣輸出端dI/dU值與此時的負數I/U值相比較,當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時,光伏陣列工作在最大功率點,當dI/dU值大于負數I/U值時,說明輸出功率點在最大功率點的左側,當dI/dU值小于負數I/U值時,說明輸出功率點在最大功率點的右側,然后通過改變MPPT電路的工作狀態,使太陽能光伏陣列輸出功率點往最大功率點移動,最后穩定在最大功率點上。

4驗證實驗

4.1反激式變換器

反激式變換器具有高可靠性、電路拓撲簡潔、控制簡單、輸入輸出電氣隔離、升/降壓范圍寬、不需接次級濾波電感、成本較低、體積較小等特點,適合250W以下小功率的功率變換的場合,因此實驗平臺選用該變換器,電路原理圖如圖4所示。反激式變換器的工作原理:當開關管VT1被PWM信號激勵導通時,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沒有電流流過,當VT1截止時,繞組N2的電壓極性顛倒,VD被正偏,VT1導通期間存在T1上的能量便通過VD負載Rf釋放。所以通過調節開關管VT1的開關狀態就能夠控制光伏陣列的工作點并完成MPPT。

4.2實驗數據分析

選用額定功率為150W,開路電壓為42V,短路電流為4.95A的光伏電池陣列,三種控制算法的實驗波形如圖5~7所示。圖5中,電壓波形下降陡峭,說明系統能快速準確的跟蹤到給定電壓指令,工作電壓波動很小。圖6中,功率波形在啟動過程中有一個很小的尖峰,說明此時的功率判斷失敗,引起少量的功率損失。圖7中,功率波形上升很慢,跟蹤到最大功率點后,功率波動很小。根據實驗結果歸納出3種算法的優缺點如表1所示。

5固定電壓結合增量電導法

為了克服增量電導法啟動時間慢的缺點,可采用固定電壓結合增量電導算法的控制算法。算法的思路:在系統啟動時,采用固定電壓法,PI閉環進行無差控制,跟蹤到給定電壓指令后,切換到增量電導法,根據dI/dU值與負數I/U值的大小關系調整功率輸出點,最后系統穩定在最大功率點上。程序的流程圖如圖8所示。固定電壓結合增量電導算法實驗波形如圖9所示。圖9中,系統啟動時間明顯縮短而且仍保留增量電導法穩態控制精度高的優點,實驗證明該算法有較好的控制效果。