帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中MPPT充電效果理論分析

1、第27卷第12期2006年12月太陽能學(xué)報(bào)ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol127,No112Dec.,2006文章編號(hào):025420096(2006)1221196206帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中MPPT充電效果理論分析陳維1,2,3,沈輝3(11中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣州510070;21中國科技大學(xué),合肥230026;31中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所,廣州510275)摘要:通過對太陽電池組件平面輻照、太陽電池組件特性以及蓄電池負(fù)載數(shù)學(xué)模型計(jì)算,分別對北京和廣州地區(qū)兩種典型氣候條件下應(yīng)用MPPT與直接耦合方式的輸出情況進(jìn)行比較和研究,發(fā)現(xiàn)在廣州地區(qū)MPPT的應(yīng)用意義不大,

2、而在北京地區(qū)冬季則能夠明顯增加太陽電池組件的輸出。在帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中影響控制器發(fā)揮效能的因素被分析和研究,要綜合當(dāng)?shù)厝隁鉁刈兓?、?fù)載狀況、MPPT的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:光伏系統(tǒng);蓄電池;最大功率跟蹤;匹配性能中圖分類號(hào):TK512文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0前言、,這也就是理論和。目前MPPT技術(shù)一般用在大型光伏電站,尤其適用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。由于MPPT控制器的采用可以降低光伏系統(tǒng)的太陽電池組件配置功率,從而降低系統(tǒng)成本,使其性能價(jià)格比得到有效提高,因此MPPT技術(shù)必將在光伏系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如圖1所示,常用光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,蓄電池充電曲線在光伏電池性能曲線最大功率點(diǎn)附近,因此一MPPT電路,而由太陽電池直

3、接給蓄電池充電。由圖2所示,太陽電池的工作電壓隨著溫度升高而下降,而蓄電池的充放電電壓隨充電電流升高而增加,在太陽電池組件中為了保證夏天高溫天氣能對蓄電池正常充電,組件的標(biāo)準(zhǔn)峰值工作電壓一般比較大,從而使太陽電池通常有較大一段圖1蓄電池充電時(shí)I2V曲線Fig11Chargingcharacteristicofstoragebattery收稿日期:2005208213基金項(xiàng)目:2004年國家十五攻關(guān)項(xiàng)目(2004BA411A09;2004BA411A19)圖2太陽電池組件在不同溫度下的I2V曲線Fig12I2Vcurveofsolarmodulewithdifferenttemperature1

4、2期陳維等:帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中MPPT充電效果理論分析1197區(qū)間沒有真正工作在最大功率點(diǎn),造成太陽電池以入射角,太陽輻射與所研究表面法線間的夾角;及蓄電池配置容量增加,增大了光伏系統(tǒng)的成本。太陽天頂角;<緯度;赤緯,當(dāng)天赤z采用MPPT控制技術(shù)在溫差變化較大的場合,特別緯角為在太陽時(shí)正午,太陽光線與赤道平面的夾角;是對于冬、夏以及全日溫差較大的地區(qū)有明顯的技太陽高度角;表面方位角,所研究表面術(shù)意義。MPPT跟蹤可以挽回由于溫度變化而導(dǎo)致法線水平面的投影與正北方向的夾角;s太陽的系統(tǒng)失配損失,能有效提高太陽電池的輸出。方位角,太陽輻射水平面的投影與正北方向的夾角。然而,MPPT電路也要

5、消耗一部分電能,存在轉(zhuǎn)換112負(fù)載特性效率的問題,在使用MPPT增大對蓄電池充電時(shí),必須在配有蓄電池的光伏系統(tǒng)中,太陽電池方陣向使增加的能量大于MPPT自身損耗的能量,否則采用蓄電池充電,蓄電池又通過負(fù)載放電。蓄電池的充MPPT就失去意義。本文通過數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算的方放電伏安特性可以表示為:法,對在北京和廣州地區(qū)兩種典型氣候條件下采用MPPT的效果進(jìn)行了理論分析。VL=VB+ILRb(2)式中,VB蓄電池內(nèi)電動(dòng)勢R蓄電池的內(nèi)阻。1131計(jì)算模型111傾斜面輻照模型小時(shí)接受到的平均光強(qiáng)、負(fù)載特性決定。定傾角安裝,面上的相應(yīng)值的天空散射各向異性模型常用于此目的,其表達(dá)式為:HT=HBRB+HDRB

6、HBH0+015(1-HBH0)+015)(1+cosH(1-cos(1),Ns塊太陽電池連,Kirchoff定律:IL=Iph-Id-IshIph=(3)1000ISC0(1+RSRSH)Id=I0expq(VL+ILRS)NKTNS-I0Ish=(VL+ILRS)RSH式中,Iph太陽電池的光生電流;I0太陽電池的暗電流,包括N、P型區(qū)的擴(kuò)散電流、結(jié)區(qū)的復(fù)合-5電流等,I0=3186×10A;q電子電荷;IL電池的輸出電流;VL太陽電池的輸出電壓;K波爾茲曼常數(shù);T絕對溫度。RB=coscosiz入射角:-1+sin)2coscos(s-i=coszcoszsin天頂角:-13s

7、insin<+coscos<cosz=cos太陽方位角:s=so+ewns式中:so=sinew=ns=-13180°sinz圖3太陽電池陣列單二極管模型等價(jià)電路圖Fig13Equivalentcircuitdiagramofsolararraybasedonsinglediodemodele1|-1其他)1<(<-0-1其他114太陽電池組件產(chǎn)電以及負(fù)載匹配因子計(jì)算MPPT電路一般是通過BUCK或BOOST型電路10-1其他ew=arccos(tantan<)式中,斜面傾角;地物表面反射率;i的DCDC變換電路,要求有較高的轉(zhuǎn)換效率,一般在90%以上。

8、同時(shí)在使用MPPT控制器時(shí)存在著系統(tǒng)匹配的問題,DCDC變換電路的設(shè)計(jì)與PV組件功1198太陽能學(xué)報(bào)27卷率、負(fù)載大小要匹配,當(dāng)匹配接近設(shè)計(jì)功率時(shí)效率更高。光伏系統(tǒng)工作時(shí),太陽輻照強(qiáng)度變化很大(如圖4所示),當(dāng)太陽輻照度很低以及光伏組件輸出功率與MPPT控制器名義設(shè)計(jì)功率相比很小時(shí),MPPT控制器的效率很低。因此在計(jì)算太陽電池組件的輸出功率時(shí),必須考慮MPPT控制器在不同匹配下效率的變化。率:Pmp=ImpVmp(8)(9)蓄電池充電負(fù)載功率:PL=ILVL充入蓄電池的電能:EL=b-aP(t)dtabL(10)太陽電池組件最大產(chǎn)生電能:bEmax=Pmp(t)dtb-aa(11)匹配因子是太

9、陽電池方陣提供給負(fù)載的實(shí)際輸,也就是:E(t)(12)E)圖4MPPTFig14Efficiencyw注:圖中P;PNOM為MPPT控MPPT控制器和蓄電池直接耦合兩種方式時(shí)系統(tǒng)工作狀況進(jìn)行了模擬研究,該獨(dú)立光伏系統(tǒng)由:標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,峰值功率Pmp=100Wp,峰值電壓Vmp=1715V,峰值電流Imp=5171A的太陽電池組件(太陽電池板朝南按照北使用MPPT控制器的太陽電池組件輸出功率計(jì)算:PMPPT=PmpM使用MPPT控制器太陽電池組件產(chǎn)出電能:EMPPT京、廣州地區(qū)的當(dāng)?shù)鼐暥葍A斜布置)和12V,100AH免維護(hù)鉛酸蓄電池以及每天工作8h的20W的直流節(jié)能燈負(fù)載組成。圖5、圖6給出了

10、在北京和廣州地區(qū)采用MPPT控制器以及蓄電池直接耦合兩種方法在1月和7月一天中產(chǎn)出電能的變化曲線圖。從圖5和圖6可以看出,1月份北京和廣州地區(qū)采用MPPT方式相對于直接耦合方式太陽電池組件對蓄電池充電獲得的電能都有增加,在北京地區(qū)增幅更明顯,全天產(chǎn)電增加了1411%,而廣州地區(qū)增幅則較小,全天產(chǎn)電增加了318%;7月份,北京和廣州地區(qū)都不采用MPPT的蓄電池直接耦合方式太陽電池組件對蓄電池充電獲得的電能反而要大于采用MPPT方式的。我們發(fā)現(xiàn)冬季MPPT方式比夏季時(shí)作用更明顯,如圖9所示,由于采用蓄電池直接耦合充電時(shí)冬季的匹配因子都要比夏季時(shí)低,這時(shí)MPPT控制器的作用就更明顯。主要是因?yàn)槎镜?/p>

11、低溫導(dǎo)致的系統(tǒng)失配損失更大,此外由于冬季的太陽輻照一般比夏季差,因此蓄電池通常的充電狀態(tài)也處在低充電狀態(tài),這樣蓄電池的端電壓也較低,進(jìn)一步引起太陽電池組件與蓄電池間的失配。(4)Pab=b-aMPPT(t)dt(5)可以通過下面的公式計(jì)算太陽電池組件工作在4最大功率點(diǎn)時(shí)的電流、電壓:VV(6)Imp=ISC01-C1exp-1+IC2VOC0式中,(C2C1=(1-Imp0ISC0)exp-Vmp0VOC0)C2=ln(1-IMP0ISC0)HVmp=VMP01+010539lgHTT+0(7)V=Vmp-VMP0I=0HTT+1000ISC0;-1T=Tcell-25Tcell=TA+010

12、3HT太陽電池陣列工作在最大工作點(diǎn)時(shí)的輸出功12期陳維等:帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中MPPT充電效果理論分析1199圖7和圖8是北京和廣州地區(qū)采用MPPT方式與直接耦合方式月產(chǎn)出電能以及月平均溫度變化。從圖7可以看出在冬半年的幾個(gè)月北京地區(qū)采用MPPT相對于蓄電池直接耦合太陽電池板產(chǎn)出電能有較大增幅,而在下半年MPPT方式和蓄電池直接耦合產(chǎn)出電能相差不大,甚至在58月還出現(xiàn)負(fù)增長,雖然全年來看MPPT方式只比耦合方式僅多產(chǎn)出電能314%,然而從表1可以看出,北京地區(qū)在冬季的1月和12月的增幅分別是1219%和1116%,這個(gè)增長是很明顯的。由于冬季的太陽輻照比夏季小以及用在太陽能路燈等冬季耗電量大的

13、季節(jié)性負(fù)載上,冬季產(chǎn)電量的增加,。圖5北京地區(qū)采用1FigConofsmoduleoutputbetweenandbatterydirectlycoupledinonedayofJanuaryandJulyatBeijing圖7北京地區(qū)采用MPPT方式與直接耦合方式典型月產(chǎn)出電能及月平均溫度變化Fig17ComparisonofsolarmodulemonthlyoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupled,andvariancyofmonthlyexternaltemperatureinayearatBeijing圖6廣州地區(qū)采用MPPT

14、方式與直接耦合方式在1月和7月一天產(chǎn)出電能變化曲線Fig16ComparisonofsolarmoduleoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupledinonedayofJanuaryandJulyatGuangzhou圖8廣州地區(qū)采用MPPT方式與直接耦合方式典型月產(chǎn)出電能及月平均溫度變化Fig18ComparisonofsolarmodulemonthlyoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupled,andvariancyofmonthlyexternaltemperatureina

15、yearatGuangzhou1200太陽能學(xué)報(bào)27卷從圖8可以看出,廣州地區(qū)采用MPPT方式相對于蓄電池直接耦合太陽電池板產(chǎn)出電能全年都很接近,從表1可以看出,在全年月平均氣溫最低的1月份,MPPT方式也只比直接耦合方式多產(chǎn)出電能213%,而且在全年大部分月份都是負(fù)增長,全年產(chǎn)電反而減少了115%,因此可以說在中國南方的廣州等地區(qū)帶蓄電池的光伏系統(tǒng)采用MPPT的作用不大。表1北京和廣州地區(qū)采用MPPT相對于蓄電池直接耦合太陽能電池板產(chǎn)出電能增幅Table1ThemonthlyincrementofsolarmoduleoutputwithMPPTapplied(單位:%)10314-1151

16、1719016121116210北京廣州1121921329161163516-2194212-3175-014-4106-119-3177-310-3128-214-3159311-213圖9是北京和廣州地區(qū)采用蓄電池直接耦合方式充電時(shí)月平均匹配因子變化,相比而言,北京地區(qū)的月平均匹配因子波動(dòng)較大(從1月份的最小值0184到7月份的最大值0196);而廣州地區(qū)的月平均匹配因子則變化比較平緩(全年都在0190以上,最大值是8月份的0197)的匹配因子相差不大,較大,高,從圖81均氣溫也在,得多,-4。分析圖7圖9,發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓄電池直接耦合匹配因子越小時(shí),MPPT相對于直接耦合方式增加電能越多,MP

17、PT的意義越明顯;當(dāng)匹配因子達(dá)到0194以上時(shí),由于采用MPPT方式的電路本身要消耗一部分能量,這時(shí)MPPT方式反而比蓄電池直接耦合方式產(chǎn)出的電能還少。濟(jì)性以及可靠性等多方面因素考慮。1)使用MPPT增加,應(yīng)當(dāng)保證采用MPPT;,在,全年氣,此時(shí)帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中使用MPPT。而在全年溫差變化比較大的中國北方地區(qū),采用MPPT控制方式意義比較明顯,能夠很大的增加冬季系統(tǒng)產(chǎn)能,降低系統(tǒng)太陽電池組件和蓄電池容量,減少成本。若在全年氣溫都比較低的地區(qū),則可以通過減少組件串聯(lián)電池片個(gè)數(shù)的方式調(diào)節(jié)太陽電池組件和蓄電池間的匹配,這種方式更可靠和經(jīng)濟(jì);3)論文中提到的MPPT控制器效率參數(shù)一般只有在大、中

18、型光伏系統(tǒng)中才能達(dá)到,而在小型光伏系統(tǒng)中,比如太陽能路燈等小功率的光伏系統(tǒng)(200Wp以下)中,在目前技術(shù)條件下,通常MPPT控制器效率很低,一般只有65%80%,因此即使在溫差比較大的北方地區(qū)帶蓄電池的小型光伏系統(tǒng)中使用MPPT控制器意義也不是很明顯。通過對光伏組件平面輻照、光伏組件特性以及蓄電池負(fù)載數(shù)學(xué)模型計(jì)算,對在北京和廣州地區(qū)兩種典型氣候條件下應(yīng)用MPPT控制方式的效果進(jìn)行圖9北京和廣州地區(qū)采用蓄電池直接耦合充電時(shí)月平均匹配因子變化Fig19Comparisonofmonthlymatchingfactorsolardirect2couplingsystembetweenBeijing

19、andGuangzhou了理論研究,研究結(jié)果對太陽能光伏系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義,詳細(xì)的數(shù)值分析、實(shí)驗(yàn)研究工作將在以后進(jìn)一步完成。符號(hào)HT傾斜面上的太陽總輻射強(qiáng)度,Wm;H水平面上的太陽總輻射強(qiáng)度,Wm;HB水平面上的太陽直接輻射強(qiáng)度,Wm;HD水平面上的天空散射輻射強(qiáng)度,Wm;22223結(jié)語在帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中是否選擇采用MPPT控制方式要綜合當(dāng)?shù)厝隁鉁刈兓?、?fù)載狀況、經(jīng)12期陳維等:帶蓄電池的光伏系統(tǒng)中MPPT充電效果理論分析21201H0大氣層外水平輻照量,H0=1367Wm;RB傾斜面和水平面上直接輻照量的比值;輸出電壓;Imp太陽電池陣列工作在最大工作點(diǎn)時(shí)輸出電流;Vm

20、p太陽電池陣列工作在最大工作點(diǎn)時(shí)輸出電壓;Pmp太陽電池陣列工作在最大工作點(diǎn)時(shí)輸出功率;斜面傾角;VL負(fù)載工作電壓;VB蓄電池內(nèi)電動(dòng)勢;Rb蓄電池的內(nèi)阻;IL負(fù)載工作電流;Iph太陽電池的光生電流;Id太陽電池二極管漏電流;Ish太陽電池并聯(lián)電阻漏電流;MPPT器件在不同輸出情況下的效率;MPMPPT應(yīng)用最大功率跟蹤時(shí)負(fù)載實(shí)際輸入功率。參考文獻(xiàn)1HayJE.Calculationofmonthlymeansolarradiationforhori2zontalandinclinedsurfaceJ.SolarEnergy,1979,23(4):301307.2BraunJE,MitchellJ

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22、stituteofEnergyconversion,CAS,Guangzhou510070,China;2.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China;3.SolarsystemresearchinstituteofSunYat2SENuniversity,Guangzhou510275,China)Abstract:Inthephotovoltaicsystemwithstoragebattery,whenMPPT(maxiumpowerpointtracking)wasusedtoen2hanceoutputforbatterycharging,theenhancementmust