改進后的光伏.doc

獨立光伏系統(tǒng)中MPPT控制方法綜述1 引言太陽能光伏產業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國均將太陽能光伏發(fā)電作為新能源與可再生能源發(fā)展的重點。因其清潔、安全、無噪聲、無污染、壽命長、資源永不枯竭等特點，太陽能被廣泛的運用到各個領域中，光伏產業(yè)的不斷興起，它將是未來的主導能源之一。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非線性，因此在特定的工作環(huán)境下存在一個唯一的最大功率輸出點(MPP)。在實際的應用系統(tǒng)中，自然光的輻照強度及透光率均在不斷的變化，為了在同樣的日照強度和電池結溫下獲得盡可能多的電能，就存在一個最大功率點輸出跟蹤(MPPT)的問題。光伏系統(tǒng)可以分為三類：獨立光伏系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于山區(qū)或偏遠地區(qū)等市電無法到達的地方。其設備的容量通常在數(shù)十到數(shù)百瓦之間。其供電可靠性受氣象環(huán)境、負荷等因素影響很大，供電穩(wěn)定性也相對較差，很多時候需要加裝能量儲能和能量管理環(huán)節(jié)，結構圖如圖1所示。本文對常用的MPPT控制方法進行了分類分析并重點對一些更適用的MPPT控制方法進行有機的結合進行了闡述與分析。 圖 1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖2 最大功率點的跟蹤(MPPT)2.1 太陽能電池的光伏特性 圖 2 結溫不變光照強度變化圖圖2是光伏電池結溫不變，太陽光照強度變化時的一組和特性曲線，從圖中可以得出以下結論26,27 光伏電池的短路電流隨光照強度增強而變大，兩者近似為比例關系；光伏電池的開路電壓在各種日照強度下變化不大； 光伏電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大，且在同一日照環(huán)境下 有唯一的最大輸出功率點。在最大功率點左側，輸出功率隨電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢，到達最大功率點后，輸出功率開始快速下降，且下降速度遠大于上升速度； 如圖所示：在虛線的左側，光伏電池的特性近似為電流源，右側近似為電壓源。虛線對應最大功率點時光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的； 如圖所示：結溫一定的情況下，光伏電池最大功率點對應的輸出電壓值基本不變。該值約為開路電壓的。圖3為光伏電池日照強度不變、結溫變化情況下的一組和特性曲線，從圖中可以得出以下結論： 圖 3 如圖所示：光伏電池的結溫對光伏電池的短路電流影響不大，隨著 溫度的上升輸出短路電流只是略有增加；光伏電池的開路電壓隨電 如圖所示：光伏電池輸出功率總的變化趨勢與不同日照條件下的功率變化相似。但相同日照情況下其最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降，且最大功率點對應的工作電壓隨溫度上升而下降。綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的日照強度、環(huán)境溫度有密切的關系。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會有較大的變化。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關電路和控制方法對輸出功率加以控制使其輸出最大功率。2.2 MPPT原理光伏電池的輸出與日照強度和環(huán)境的溫度有很大的關系，為了使光伏電池在任意的日照和溫度下，都能有最大功率輸出，即光伏電池始終工作在最大功率點處，首先要確定最大功率點在光伏電池伏安特性曲線上位置。圖2、3分別表示了同一溫度、不同的日照強度下和不同的溫度、同一日照強度下光伏電池的特性曲線，為便于說明，將光伏陳列的輸出特性重新繪制如圖4所示。假定圖中曲線1和曲線2為兩不同日照強度下光伏陳列的輸出特性曲線，A點和B點分別為相應的最大功率輸出點；并假定某一時刻，系統(tǒng)運行在A點。當日照強度發(fā)生變化，即光伏陳列的輸出特性由曲線1上升為曲線2。此時如果保持負載1不變，系統(tǒng)將運行在A,點，這樣就偏離了相應日照強度下的最大功率點。為了繼續(xù)跟蹤最大功率點，應當將系統(tǒng)的負載特性由負載1變化至負載2，以保證系統(tǒng)運行在新的最大功率點B。同樣，如果日照強度變化使得光伏陣列的輸出特性由曲線2減至曲線1，則相應的工作點由B點變化到B,點，應當相應的減小負載2至負載1以保證系統(tǒng)在日照強度減少的情況下仍然運行在最大功率點A。 圖 4從理論上講，只要將光伏電池與負載完全匹配、直接耦合(如被充電的蓄電池類負載)，光伏電池就能處于高效狀態(tài)，負載的伏安特性曲線與最大功率點軌跡曲線即可重合或漸近重合，即光伏電池實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。但在日常生活中很難滿足負載與光伏電池的直接耦合條件。這時，往往需要增加一個最大功率跟蹤器，來實現(xiàn)負載與光伏電池間達到最佳的匹配14-19。（超牛論文），下圖為光伏電池與其負載之間的一個簡化的線性電路原理圖(加入文獻)： 圖 5對于圖 5所示線性電路，負載上的功率為： 方程兩邊對求導，因為、都是常數(shù)，所以可得 當 時，有最大值。對于線性電路來說，當負載電阻等于電源內阻時，電源有最大功率輸出。雖然光伏電池和轉換電路都是強非線性的，然而在極短時間內，可以認為是線性電路。因此只要調節(jié)轉換電路的等效電阻使它盡可能的接近光伏電池的內阻，就可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出。由光伏電池特性曲線可知，它表明光伏電池既非恒流源也非恒壓源，而是一種非線性直流電源。實現(xiàn)使光伏電池始終工作在逼近曲線的過程，即為光伏電池最大功率點跟蹤7(超牛論文)3 “非獨立”的MPPT算法這類方法主要是通過記錄光伏陣列的一系列的特性參數(shù)，例如在不同的日照和溫度下最大功率點處工作電壓和工作電流,或者通過前人積累的經驗公式來追蹤到。這些方法包括恒壓法、開路電壓法和短路電流法等。由于這類方法應用受制于環(huán)境和氣候，一旦環(huán)境氣候改變，它們就不在適用，因此稱它們?yōu)椤胺仟毩ⅰ钡目刂?，也稱近似的最大功率點跟蹤。3.1 恒電壓法跟蹤法恒電壓法跟蹤法根據(jù)光伏陣列在不同的日照強度和一定的溫度下最大功率點電壓基本不變的原理，通過控制光伏陣列的輸出電壓恒定工作在電壓來完成對最大功率的追蹤。法控制簡單，成本低，但在實際應用中很難保證光伏陣列的溫度一直不變，特別是在一些溫差很大的地域，法的弊端就更加明顯了。3.2 開路電壓法開路電壓法是基于這樣的一個原理：當光伏陣列工作在最大功率點時，它的工作電壓跟它的開路電壓總是成一定的線性比例關系，比例系數(shù)一般都取為，因此可以讓光伏陣列的工作電壓設定為倍的開路電壓，此時光伏陣列即工作在最大功率點。這種方法類似于定電壓跟蹤法，但定電壓跟蹤法是跟蹤恒定的電壓，而開路電壓法跟蹤變化的電壓。具體控制方法是：在需要測量開路電壓時，斷開開關管T，測得開路電壓后，根據(jù)開路電壓和最大功率點電壓的關系就可得該條件下的最大功率點電壓，這樣就可以控制光伏陣列的輸出電壓跟蹤最大功率點電壓。開路電壓的測量所需要的時間只是毫秒級的，而測量間隔可以控制在秒級。這種方法經濟方便，不用考慮日照強度和溫度的變化，而且不會產生振蕩，同時避免了其他各種方案由于搜索振蕩引起的功率損失。但這種方法不能工作在需要有連續(xù)輸出的光伏系統(tǒng)中，而且由于采樣時間的原因，采樣周期不可能設定的很短，而每次采樣結束都是恒定電壓工作的，這樣當環(huán)境條件快速變化的時候，這種方法會帶來較大的能量損失。這種方法還有一個缺點就是需要較大的存儲空間和運算能力。3.3 短路電流法 短路電流法是根據(jù)同一輻照度下最大功率點對應的輸出電流與短路電流的比值近似等于而設計的算法。該算法的實施需要不斷將光伏陣列短接，以測量陳列的短路電流。因此，短路電流法與恒定電壓法的原理實質是一致的。但當輻照度改變時，光伏陣列的迅速變化，而開路電壓則變化較緩。因此考慮到開關器件的開關頻率及跟蹤效率，實際應用中恒定電壓法更優(yōu)越于短路電流法。 同樣對于短路電流法也存在同樣的缺點，由于輸出電流與短路電流的比值是近似等于，是一個近似的公式，所以光伏陣列并不是工作在真正的最大功率點上。另外測量短路電流的方法也比較復雜，通常需要在逆變器中添加開關來周期性的短路光伏陣列從而測得短路電流。4 “獨立”的MPPT算法 4.1 擾動觀測法 由可知光伏陣列的P-V特性曲線是一個單峰值曲線，當光伏電池的輸出工作點在最大功率點左側時，；在右側時，；而在最大功率點時，。根據(jù)該特點，首先初設一個光伏電池工作電壓，然后通過調節(jié)功率管的占空比給光伏陣列輸出電壓周期性擾動，例如使其增加，然后比較擾動前后光伏電池的輸出功率，如果輸出功率也因此增加，即,則說明光伏電池工作于最大功率點的左側，則應在下一擾動周期繼續(xù)保持當前的擾動方向，增大光伏電池輸出端電壓；反之亦然。 圖 6 擾動觀測法控制簡單、容易實現(xiàn)、對參數(shù)檢測精度要求不高，但這種算法需要周期性的擾動，且當擾動方向確定后，只能在下一個擾動周期去影響輸出電壓，這將導致光伏陣列的輸出在最大功率點附近振蕩，從而減小了系統(tǒng)的輸出效率，而且當環(huán)境條件變化劇烈時有可能導致跟蹤失敗。4.2 電導增量法 有太陽能電池的V-P曲線可知，最大功率點Pm處的斜率為零。即,所以有（加入公式）也就是說，當系統(tǒng)輸出電導的變化量等于輸出電導變化量的負值時，光伏電池工作在最大功率點。與擾動法相比，增量電導法控制精確、跟蹤速度快。因其能較好的預測，因為基本可以消除擾動法中因擾動而產生的最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象。但該方法對硬件的要求較高，特別是傳感器的測量精度要求較高，且系統(tǒng)的響應也應足夠快才能滿足其控制要求，所以相應的硬件成本也較高。 4.3 神經網(wǎng)絡法 圖 7神經網(wǎng)絡法32-35是基于神經網(wǎng)絡的MPPT控制方法。神經網(wǎng)絡是一種新型的信息處理技術，一個最普通和常用的多層神經網(wǎng)絡結構如圖7所示。圖中網(wǎng)絡有3層神經元：輸入層、隱含層和輸出層。其中層數(shù)和每層神經元的數(shù)量由待解決問題的復雜程度確定。應用于光伏陣列時，輸入信號可以是光伏陳列的參數(shù)例如開路電壓、短路電流或者外界環(huán)境的參數(shù)例如光照強度和溫度，亦可以是上述參數(shù)的合成量。輸出信號可以是經過優(yōu)化后的輸出電壓、流器的占空比信號燈35。在神經網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間都有一個權重增益，選擇恰當?shù)臋嘀乜梢詫⑤斎氲娜我膺B續(xù)函數(shù)轉換為任意的期望函數(shù)來輸出，從而使光伏陣列能夠工作于最大功率點。為了獲得光伏陣列的精確的最大功率點，權重的確定必須通過神經網(wǎng)絡的訓練來得到。這種訓練必須使用大量的輸入/輸出樣本數(shù)據(jù)，而大多數(shù)的光伏陣列的參數(shù)不同，因此對于使用不同的光伏陣列的系統(tǒng)需要進行有針對性的訓練，而這個訓練可能要花費數(shù)月甚至數(shù)年的時間，這也是其應用于光伏系統(tǒng)中的一個劣勢。在訓練結束后，基于該網(wǎng)絡不僅可以使輸入輸出的訓練樣本完全匹配，而且內插得和一定數(shù)量的外插的輸入輸出模式也能達到匹配，這也是神經網(wǎng)絡法的優(yōu)勢所在。4.4 電流尋優(yōu)法將光伏電池應用于對蓄電池充電，由于蓄電池本身也是一個電壓源，那么可以認為在短時間內蓄電池兩端的電壓是一個常量。在理想情況下，變換器的功率損耗為零，那么光伏電池輸出的全部功率與蓄電池吸收的全部功率相等。由于蓄電池端的電壓短時間內認為不變，那么只需測量蓄電池端的電流。當蓄電池端的電流達到最大值時，就認為光伏電池輸出最大功率。在實際中，電壓采樣（通過測量電壓來確定不同電壓區(qū)間內采用的控制算法)的頻率要遠遠低于電流采樣頻率。如果負載采用24V的蓄電池，如果有兩個蓄電池串聯(lián)，則是采用的48V的蓄電池。當蓄電池接后續(xù)負載后通過給后續(xù)負載提供能量而使電壓降低，就會使48V降到46V甚至44V，那么就要及時對蓄電池充電。如果蓄電池沒有接后續(xù)負載，持續(xù)的充電會使蓄電池電壓上升到50V，52V，54V，甚至56V及其以上。過大的電壓會對蓄電池造成傷害，所以要控制充電的電流使蓄電池兩端的電壓不超過一定的數(shù)值。當蓄電池兩端電壓小于55V時，采用最大功率跟蹤算法對蓄電池充電，檢測到蓄電池兩端電壓為55V之后，采用非最大功率跟蹤算法。 圖 8 正如上圖說示：當蓄電池的電壓沒有超過55V的時候，采用的MPPT算法即為電流尋優(yōu)法。具體的流程圖是： 圖 9圖中，表示當前測得得電流值，表示上一時刻測得的電流值。當前占空比與上次占空比的差值用表示，表示當前的占空比，表示上意時刻的占空比。4.5 迭代比較法 在實際的跟蹤最大功率的過程中，P隨占空比D的變化曲線甚至是能給出的單峰值曲線，在使用Boost跟蹤最大功率的過程中，當D=1時，太陽能電池開路，輸出功率為零，當D=0時，開關管直通，又由于不大可能得到P與D的確切目標函數(shù)表達式，可以采用迭代法即黃金分割法，快速跟蹤太陽能電池的最大功率點。設Da,Db為迭代區(qū)間，對應于占空比D，其最大區(qū)間為0,1,即區(qū)間的初值為0,1,e為誤差值，Dx，Dy為迭代變量，根據(jù)黃金分割法有： Dx=Da+0.382(Db-Da) (1) Dy=Da+0.618(Db-Da) (2)將上面的Dx，Dy的值即占空比作為脈寬調制信號，驅動開關管，通過電壓電流傳感器檢測到功率Px,Py并根據(jù)Px，Py的值作如下判斷：若PxPy，則說明最大功率點所對應的占空比在區(qū)間Da,Dy內，則令 Da=Da, Db=Dy, D=Dx若PxPy，則說明最大功率點所對應的占空比在區(qū)間Dx,Db內，則令 Da=Dx， Db=Db， D=Dy若Px=Py，則說明最大功率點所對應的占空比在區(qū)間Dx,Dy內，則令 Da=Dx， Db=Dy， D=(Da+Db)/2再運用黃金分割式(1)(2)計算Dx，Dy并計算出功率Px，Py重復上面的步驟，直到誤差Db-Dae時(e為一給定值，Di為電流的變化量，非負值)說明光照強度發(fā)生了較大變化，此時馬上調整控制策略，由開路電壓法(一種非獨立的MPPT方法)知道，光伏電池最大功率點電壓約為開路電壓的78%，則我們調整的策略是檢測開路電壓U1,使輸出電壓U=78%U1,從而使工作點快速轉到MPP附近，實現(xiàn)功率點的快速跟蹤，當光照穩(wěn)定，電流變化較小的時候，則進入之前說的變步長電導增量法模式，精確的跟蹤最大功率點，此方法有一定的難度。其流程圖如下圖11 圖 117雙模式MPPT控制方法 由于擾動觀測法在日照穩(wěn)定情況下控制效果較好，對光伏器件的利用效果較高，但存在最大功率點處功率振蕩的現(xiàn)象。此外，在日照突變情況下會失去對的控制能力。短路電流法控制精度差，但是在外部環(huán)境突變的情況下，仍能使光伏器件輸出功率跟蹤日照的變化。由短路電流法與擾動觀測法相結合的雙模式MPPT控制方法能使光伏發(fā)電系統(tǒng)更快速響應日照變化，且能充分發(fā)揮光伏器件的作用。當外部環(huán)境變化時，光伏器件的短路電流會發(fā)生變化，由于短路電流法利用進行光伏器件輸出功率控制，因此只要知道就能使光伏器件的輸出功率重新接近最大功率點。當系統(tǒng)實現(xiàn)短路電流法的控制目標后，通過小步長擾動觀察法使光伏器件的工作點繼續(xù)向最大功率點移動，最后穩(wěn)定在最大功率點。傳統(tǒng)的光伏器件短路電流采樣過程對系統(tǒng)運行存在干擾，因此會降低系統(tǒng)的效率并使控制變得復雜31，這也是短路電流法采用較少的原因。由圖2.4可以看出光伏電池在最大功率點左側的大部分區(qū)間內工作電流基本等于，因此只需使系統(tǒng)工作在偏離最大功率點左側一定的區(qū)間內就可以得到電池的短路電流，此時光伏器件的輸出功率也不會跌落很多。該方法無需電池短路，從而減小了采樣對系統(tǒng)正常運行的干擾。在得到電池短路電流后就可以根據(jù)的關系對系統(tǒng)進行初步的最大功率點跟蹤控制。圖 12雙模式MPPT控制方法工作主要分為三步： 短路電流的在線計算。 根據(jù)進行初步控制，使光伏器件工作在最大