改進(jìn)后的光伏.doc

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中MPPT控制方法綜述1 引言太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實(shí)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(diǎn)。因其清潔、安全、無噪聲、無污染、壽命長、資源永不枯竭等特點(diǎn)，太陽能被廣泛的運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域中，光伏產(chǎn)業(yè)的不斷興起，它將是未來的主導(dǎo)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(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化具有強(qiáng)烈非線性，因此在特定的工作環(huán)境下存在一個(gè)唯一的最大功率輸出點(diǎn)(MPP)。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻照強(qiáng)度及透光率均在不斷的變化，為了在同樣的日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫下獲得盡可能多的電能，就存在一個(gè)最大功率點(diǎn)輸出跟蹤(MPPT)的問題。光伏系統(tǒng)可以分為三類：獨(dú)立光伏系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)等市電無法到達(dá)的地方。其設(shè)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(fù)荷等因素影響很大，供電穩(wěn)定性也相對(duì)較差，很多時(shí)候需要加裝能量儲(chǔ)能和能量管理環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本文對(duì)常用的MPPT控制方法進(jìn)行了分類分析并重點(diǎn)對(duì)一些更適用的MPPT控制方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合進(jìn)行了闡述與分析。 圖 1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT)2.1 太陽能電池的光伏特性 圖 2 結(jié)溫不變光照強(qiáng)度變化圖圖2是光伏電池結(jié)溫不變，太陽光照強(qiáng)度變化時(shí)的一組和特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論26,27 光伏電池的短路電流隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，兩者近似為比例關(guān)系；光伏電池的開路電壓在各種日照強(qiáng)度下變化不大； 光伏電池的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，且在同一日照環(huán)境下 有唯一的最大輸出功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢(shì)，到達(dá)最大功率點(diǎn)后，輸出功率開始快速下降，且下降速度遠(yuǎn)大于上升速度； 如圖所示：在虛線的左側(cè)，光伏電池的特性近似為電流源，右側(cè)近似為電壓源。虛線對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)時(shí)光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的； 如圖所示：結(jié)溫一定的情況下，光伏電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(qiáng)度不變、結(jié)溫變化情況下的一組和特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論： 圖 3 如圖所示：光伏電池的結(jié)溫對(duì)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(shì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)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(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會(huì)有較大的變化。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對(duì)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(qiáng)度和環(huán)境的溫度有很大的關(guān)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(diǎn)處，首先要確定最大功率點(diǎn)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(qiáng)度下和不同的溫度、同一日照強(qiáng)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(qiáng)度下光伏陳列的輸出特性曲線，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)；并假定某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在A點(diǎn)。當(dāng)日照強(qiáng)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(shí)如果保持負(fù)載1不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在A,點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)日照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了繼續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)的負(fù)載特性由負(fù)載1變化至負(fù)載2，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn)B。同樣，如果日照強(qiáng)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(yīng)的工作點(diǎn)由B點(diǎn)變化到B,點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的減小負(fù)載2至負(fù)載1以保證系統(tǒng)在日照強(qiáng)度減少的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn)A。 圖 4從理論上講，只要將光伏電池與負(fù)載完全匹配、直接耦合(如被充電的蓄電池類負(fù)載)，光伏電池就能處于高效狀態(tài)，負(fù)載的伏安特性曲線與最大功率點(diǎn)軌跡曲線即可重合或漸近重合，即光伏電池實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。但在日常生活中很難滿足負(fù)載與光伏電池的直接耦合條件。這時(shí)，往往需要增加一個(gè)最大功率跟蹤器，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載與光伏電池間達(dá)到最佳的匹配14-19。（超牛論文），下圖為光伏電池與其負(fù)載之間的一個(gè)簡(jiǎn)化的線性電路原理圖(加入文獻(xiàn))： 圖 5對(duì)于圖 5所示線性電路，負(fù)載上的功率為： 方程兩邊對(duì)求導(dǎo)，因?yàn)?、都是常?shù)，所以可得 當(dāng) 時(shí)，有最大值。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然光伏電池和轉(zhuǎn)換電路都是強(qiáng)非線性的，然而在極短時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它盡可能的接近光伏電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)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(shí)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(diǎn)跟蹤7(超牛論文)3 “非獨(dú)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(diǎn)處工作電壓和工作電流,或者通過前人積累的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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?dú)立”的控制，也稱近似的最大功率點(diǎn)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(qiáng)度和一定的溫度下最大功率點(diǎn)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(duì)最大功率的追蹤。法控制簡(jiǎn)單，成本低，但在實(shí)際應(yīng)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(gè)原理：當(dāng)光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，它的工作電壓跟它的開路電壓總是成一定的線性比例關(guān)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(shè)定為倍的開路電壓，此時(shí)光伏陣列即工作在最大功率點(diǎn)。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(cè)量開路電壓時(shí)，斷開開關(guān)管T，測(cè)得開路電壓后，根據(jù)開路電壓和最大功率點(diǎn)電壓的關(guān)系就可得該條件下的最大功率點(diǎn)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(diǎn)電壓。開路電壓的測(cè)量所需要的時(shí)間只是毫秒級(jí)的，而測(cè)量間隔可以控制在秒級(jí)。這種方法經(jīng)濟(jì)方便，不用考慮日照強(qiáng)度和溫度的變化，而且不會(huì)產(chǎn)生振蕩，同時(shí)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(shí)間的原因，采樣周期不可能設(shè)定的很短，而每次采樣結(jié)束都是恒定電壓工作的，這樣當(dāng)環(huán)境條件快速變化的時(shí)候，這種方法會(huì)帶來較大的能量損失。這種方法還有一個(gè)缺點(diǎn)就是需要較大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電流與短路電流的比值近似等于而設(shè)計(jì)的算法。該算法的實(shí)施需要不斷將光伏陣列短接，以測(cè)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(shí)質(zhì)是一致的。但當(dāng)輻照度改變時(shí)，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(guān)器件的開關(guān)頻率及跟蹤效率，實(shí)際應(yīng)用中恒定電壓法更優(yōu)越于短路電流法。 同樣對(duì)于短路電流法也存在同樣的缺點(diǎn)，由于輸出電流與短路電流的比值是近似等于，是一個(gè)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(diǎn)上。另外測(cè)量短路電流的方法也比較復(fù)雜，通常需要在逆變器中添加開關(guān)來周期性的短路光伏陣列從而測(cè)得短路電流。4 “獨(dú)立”的MPPT算法 4.1 擾動(dòng)觀測(cè)法 由可知光伏陣列的P-V特性曲線是一個(gè)單峰值曲線，當(dāng)光伏電池的輸出工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，；在右側(cè)時(shí)，；而在最大功率點(diǎn)時(shí)，。根據(jù)該特點(diǎn)，首先初設(shè)一個(gè)光伏電池工作電壓，然后通過調(diào)節(jié)功率管的占空比給光伏陣列輸出電壓周期性擾動(dòng)，例如使其增加，然后比較擾動(dòng)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(diǎn)的左側(cè)，則應(yīng)在下一擾動(dòng)周期繼續(xù)保持當(dāng)前的擾動(dòng)方向，增大光伏電池輸出端電壓；反之亦然。 圖 6 擾動(dòng)觀測(cè)法控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度要求不高，但這種算法需要周期性的擾動(dòng)，且當(dāng)擾動(dòng)方向確定后，只能在下一個(gè)擾動(dòng)周期去影響輸出電壓，這將導(dǎo)致光伏陣列的輸出在最大功率點(diǎn)附近振蕩，從而減小了系統(tǒng)的輸出效率，而且當(dāng)環(huán)境條件變化劇烈時(shí)有可能導(dǎo)致跟蹤失敗。4.2 電導(dǎo)增量法 有太陽能電池的V-P曲線可知，最大功率點(diǎn)Pm處的斜率為零。即,所以有（加入公式）也就是說，當(dāng)系統(tǒng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)變化量的負(fù)值時(shí)，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)。與擾動(dòng)法相比，增量電導(dǎo)法控制精確、跟蹤速度快。因其能較好的預(yù)測(cè)，因?yàn)榛究梢韵龜_動(dòng)法中因擾動(dòng)而產(chǎn)生的最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象。但該方法對(duì)硬件的要求較高，特別是傳感器的測(cè)量精度要求較高，且系統(tǒng)的響應(yīng)也應(yīng)足夠快才能滿足其控制要求，所以相應(yīng)的硬件成本也較高。 4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 圖 7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法32-35是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新型的信息處理技術(shù)，一個(gè)最普通和常用的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中網(wǎng)絡(luò)有3層神經(jīng)元：輸入層、隱含層和輸出層。其中層數(shù)和每層神經(jīng)元的數(shù)量由待解決問題的復(fù)雜程度確定。應(yīng)用于光伏陣列時(shí)，輸入信號(hào)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(qiáng)度和溫度，亦可以是上述參數(shù)的合成量。輸出信號(hào)可以是經(jīng)過優(yōu)化后的輸出電壓、流器的占空比信號(hào)燈35。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都有一個(gè)權(quán)重增益，選擇恰當(dāng)?shù)臋?quán)重可以將輸入的任意連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)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(diǎn)。為了獲得光伏陣列的精確的最大功率點(diǎn)，權(quán)重的確定必須通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練來得到。這種訓(xùn)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(duì)于使用不同的光伏陣列的系統(tǒng)需要進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，而這個(gè)訓(xùn)練可能要花費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間，這也是其應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的一個(gè)劣勢(shì)。在訓(xùn)練結(jié)束后，基于該網(wǎng)絡(luò)不僅可以使輸入輸出的訓(xùn)練樣本完全匹配，而且內(nèi)插得和一定數(shù)量的外插的輸入輸出模式也能達(dá)到匹配，這也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢(shì)所在。4.4 電流尋優(yōu)法將光伏電池應(yīng)用于對(duì)蓄電池充電，由于蓄電池本身也是一個(gè)電壓源，那么可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)蓄電池兩端的電壓是一個(gè)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(shí)間內(nèi)認(rèn)為不變，那么只需測(cè)量蓄電池端的電流。當(dāng)蓄電池端的電流達(dá)到最大值時(shí)，就認(rèn)為光伏電池輸出最大功率。在實(shí)際中，電壓采樣（通過測(cè)量電壓來確定不同電壓區(qū)間內(nèi)采用的控制算法)的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流采樣頻率。如果負(fù)載采用24V的蓄電池，如果有兩個(gè)蓄電池串聯(lián)，則是采用的48V的蓄電池。當(dāng)蓄電池接后續(xù)負(fù)載后通過給后續(xù)負(fù)載提供能量而使電壓降低，就會(huì)使48V降到46V甚至44V，那么就要及時(shí)對(duì)蓄電池充電。如果蓄電池沒有接后續(xù)負(fù)載，持續(xù)的充電會(huì)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(huì)對(duì)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(dāng)蓄電池兩端電壓小于55V時(shí)，采用最大功率跟蹤算法對(duì)蓄電池充電，檢測(cè)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(dāng)蓄電池的電壓沒有超過55V的時(shí)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(dāng)前測(cè)得得電流值，表示上一時(shí)刻測(cè)得的電流值。當(dāng)前占空比與上次占空比的差值用表示，表示當(dāng)前的占空比，表示上意時(shí)刻的占空比。4.5 迭代比較法 在實(shí)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(dāng)D=1時(shí)，太陽能電池開路，輸出功率為零，當(dāng)D=0時(shí)，開關(guān)管直通，又由于不大可能得到P與D的確切目標(biāo)函數(shù)表達(dá)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(diǎn)。設(shè)Da,Db為迭代區(qū)間，對(duì)應(yīng)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(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，通過電壓電流傳感器檢測(cè)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的占空比在區(qū)間Da,Dy內(nèi)，則令 Da=Da, Db=Dy, D=Dx若PxPy，則說明最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的占空比在區(qū)間Dx,Db內(nèi)，則令 Da=Dx， Db=Db， D=Dy若Px=Py，則說明最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的占空比在區(qū)間Dx,Dy內(nèi)，則令 Da=Dx， Db=Dy， D=(Da+Db)/2再運(yùn)用黃金分割式(1)(2)計(jì)算Dx，Dy并計(jì)算出功率Px，Py重復(fù)上面的步驟，直到誤差Db-Dae時(shí)(e為一給定值，Di為電流的變化量，非負(fù)值)說明光照強(qiáng)度發(fā)生了較大變化，此時(shí)馬上調(diào)整控制策略，由開路電壓法(一種非獨(dú)立的MPPT方法)知道，光伏電池最大功率點(diǎn)電壓約為開路電壓的78%，則我們調(diào)整的策略是檢測(cè)開路電壓U1,使輸出電壓U=78%U1,從而使工作點(diǎn)快速轉(zhuǎn)到MPP附近，實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)的快速跟蹤，當(dāng)光照穩(wěn)定，電流變化較小的時(shí)候，則進(jìn)入之前說的變步長電導(dǎo)增量法模式，精確的跟蹤最大功率點(diǎn)，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(dòng)觀測(cè)法在日照穩(wěn)定情況下控制效果較好，對(duì)光伏器件的利用效果較高，但存在最大功率點(diǎn)處功率振蕩的現(xiàn)象。此外，在日照突變情況下會(huì)失去對(duì)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(dòng)觀測(cè)法相結(jié)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(yīng)日照變化，且能充分發(fā)揮光伏器件的作用。當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)，光伏器件的短路電流會(huì)發(fā)生變化，由于短路電流法利用進(jìn)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(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短路電流法的控制目標(biāo)后，通過小步長擾動(dòng)觀察法使光伏器件的工作點(diǎn)繼續(xù)向最大功率點(diǎn)移動(dòng)，最后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。傳統(tǒng)的光伏器件短路電流采樣過程對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行存在干擾，因此會(huì)降低系統(tǒng)的效率并使控制變得復(fù)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(diǎn)左側(cè)的大部分區(qū)間內(nèi)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(diǎn)左側(cè)一定的區(qū)間內(nèi)就可以得到電池的短路電流，此時(shí)光伏器件的輸出功率也不會(huì)跌落很多。該方法無需電池短路，從而減小了采樣對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾。在得到電池短路電流后就可以根據(jù)的關(guān)系對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步的最大功率點(diǎn)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(jì)算。 根據(jù)進(jìn)行初步控制，使光伏器件工作在最大