2021-4-9 | 光伏技术论文
1引言
太阳能发电是指无须通过热转换过程直接将太阳光能转化成电能的发电方式,包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并将其转化为电能的直接方式,是当今太阳能发电的主流方式[1-3]。由于光伏电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化具有强烈的非线性,在实际的应用系统中,所有光伏系统都希望太阳能光伏阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多电能,即存在一个最大功率点的跟踪[4]。目前,研究最广且应用较普遍的MPPT控制算法主要有固定电压法、扰动观察法和增量电导法。相关文献大多针对某一特定方法进行研究,缺乏对各种控制方法实际应用效果的系统化比较研究,采用实际控制平台进行实用性研究的则更少。本文选取比较常见的固定电压法、扰动观察法、增量电导法为研究对象,分别分析各种控制算法的实现原理,并在反激变换上进行实验验证,最后提出一种满足实际需求的控制算法。
2光伏电池
2.1光伏电池特性
光伏电池的输出特性方程为[5-7]:式中:I为光伏电池的输出电流;U为光伏电池的输出电压:ILG为光电流;IOS为光伏电池暗饱和电流;q为电子电荷电量;A为光伏电池板特性常数;K为波尔兹曼常数;T为光伏电池的单元温度;RS为光伏电池的串联等效电阻;RSH为电池的并联电阻。
2.2光伏电池电气特性
光伏电池的电气特性如图1[8]所示。由图1可以看出,光伏阵列输出特性,即I/V和P/V特性,二者都具有非线性,且存在唯一的最大输出功率点。相关文献研究指出:除材料工艺外,影响太阳能最大功率点的因素主要是环境温度和日照强度。因此,应采取控制措施使光伏阵列能够在当前日照强度和温度不断变化的情况下不断追踪最大功率点。
3算法实现原理分析
3.1固定电压法
固定电压法的工作原理如图2[9-10]所示。图2中:Pmax为最大功率点,a′、b′、c′、d′和e′表示最大功率输出点,a、b、c、d和e为相应光照强度下直接匹配时的工作点。光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一恒定的电压值Um附近。假如曲线L为负载特性曲线,如果采用直接匹配,其阵列的输出功率较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失,可以采用固定电压法,在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换,使系统实现稳压器的功能,使阵列的工作点始终稳定在Um附近,这样不但简化了整个控制系统,还可以保证输出功率接近最大值。在一定条件下,固定电压法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出,还可以用来作为MPPT控制。
3.2扰动观察法
扰动观察法是通过不断调节光伏器件MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后光伏阵列输出电压和输出电流的变化情况,再根据变化情况来调整MPPT电路的工作,使光伏器件工作在最大功率点附近,其控制原理如图3[11-12]所示。光伏发电系统控制器在每个控制周期加入一个步长可调的干扰量,比较这次输出功率值与上次输出功率输出值,如果功率值增大了,则继续在这个方向上加入干扰量,反之,则改变干扰量的方向,这样光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近最大功率点,最终在其附近的一个较小震荡范围内达到稳态。
3.3增量电导法
增量电导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[13-15]。根据P=U×I可得:在最大功率点处的斜率为零,即利用光伏方阵输出端dI/dU值与此时的负数I/U值相比较,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dI/dU值大于负数I/U值时,说明输出功率点在最大功率点的左侧,当dI/dU值小于负数I/U值时,说明输出功率点在最大功率点的右侧,然后通过改变MPPT电路的工作状态,使太阳能光伏阵列输出功率点往最大功率点移动,最后稳定在最大功率点上。
4验证实验
4.1反激式变换器
反激式变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、控制简单、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、不需接次级滤波电感、成本较低、体积较小等特点,适合250W以下小功率的功率变换的场合,因此实验平台选用该变换器,电路原理图如图4所示。反激式变换器的工作原理:当开关管VT1被PWM信号激励导通时,输入电压Ui电压全部加到高频变压器T1的原边绕组N1上。由于变压器T1的整流二极管管反接,变压器的副边绕组N2没有电流流过,当VT1截止时,绕组N2的电压极性颠倒,VD被正偏,VT1导通期间存在T1上的能量便通过VD负载Rf释放。所以通过调节开关管VT1的开关状态就能够控制光伏阵列的工作点并完成MPPT。
4.2实验数据分析
选用额定功率为150W,开路电压为42V,短路电流为4.95A的光伏电池阵列,三种控制算法的实验波形如图5~7所示。图5中,电压波形下降陡峭,说明系统能快速准确的跟踪到给定电压指令,工作电压波动很小。图6中,功率波形在启动过程中有一个很小的尖峰,说明此时的功率判断失败,引起少量的功率损失。图7中,功率波形上升很慢,跟踪到最大功率点后,功率波动很小。根据实验结果归纳出3种算法的优缺点如表1所示。
5固定电压结合增量电导法
为了克服增量电导法启动时间慢的缺点,可采用固定电压结合增量电导算法的控制算法。算法的思路:在系统启动时,采用固定电压法,PI闭环进行无差控制,跟踪到给定电压指令后,切换到增量电导法,根据dI/dU值与负数I/U值的大小关系调整功率输出点,最后系统稳定在最大功率点上。程序的流程图如图8所示。固定电压结合增量电导算法实验波形如图9所示。图9中,系统启动时间明显缩短而且仍保留增量电导法稳态控制精度高的优点,实验证明该算法有较好的控制效果。