光伏發電系統的最大功率點跟蹤算法及仿真研究

2020-12-17 索比光伏網

引言：在光伏發電系統中，為了在外部條件變化時光伏電池陣列也能輸出最多的能量，理論和實踐上對設計人員提出了光伏陣列輸出能量最大化控制的要求。目前，光伏發電系統的轉換效率偏低(10%-30%)，因此在光伏發電系統中，要提高系統發電的整體效率，一個重要的途徑就是實時調整光伏陣列的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤(MPPT)。就是通過最大功率點跟蹤算法找到光伏電池扳的功率峰值，並維持在峰值輸出。

1、 MPPT的原理

光伏電池的輸出特性決定了MPPT的工作原理。所以，先介紹下光伏電池的輸出特性。

如圖1即為光伏電池輸出的 I-V特性曲線，從圖上可看出光伏電池一種非線性直流源，其輸出電流在大部分工作電壓範圍內近似恆定，在接近開路電壓時，電流下降率很大。曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點對應的橫坐標為工作電壓縱坐標為工作電流，工作的功率即電池的輸出功率為工作電壓與工作電流的乘積。


圖1 光伏電池輸出特性圖


日照強度在極大程度上影響光伏電池的輸出電流。圖2中(a)表示了在不同光照強度下的P-I關係曲線，由圖2(a)可知，光照增強後大大地增大了短路電流，系統輸出的功率會隨著光照的增強而變大。

圖2 (a) 不同光照強度和結點溫度下的P-I關係曲線圖


如圖2(b)所示，為四種不同結點溫度下的P-I關係曲線，可見，光伏電池結點的工作溫度上升會使短路電流略微增大，但總體效果會造成光伏電池的輸出功率下降。


圖2 (b) 不同光照強度和結點溫度下的P-I關係曲線圖

通過上述可知，光伏陣列輸出特性具有非線性特徵，並且其輸出受光照強度、結點溫度等影響。在一定的光照強度和結點溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電流(電壓)，但是只有在某一輸出電流(電壓)值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大值。這時光伏陣列的工作點就達到了輸出功率電壓(電流)曲線的最高點，稱之為最大功率點(Maximum

Power Point, MPP)。尋找最大功率點的算法稱之為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。下面討論兩種實用的MPPT算法和各自的特點。

2 、擾動觀測法

擾動觀測法操作簡單，是目前文獻報導中據說使用最多的一種實現最大功率點跟蹤的方法。其原理就是周期性地增加(或者減少)光伏陣列輸出電壓(電流)，即加一個擾動，然後測出此刻的系統輸出功率並跟上一時刻所測出的功率進行大小比較，來決定下一步的控制信號，如果功率變大則參考電壓(電流)朝著擾動的方向增加(或減小)，如果功率變小則方向與擾動的相反。其工作原理可表示為：


其流程圖如圖3


圖3 擾動觀測法流程圖


理論上該方法算法簡單，且易於硬體實現。但是它也有其局限性：系統必須引入擾動，尋優的最後結果是系統在最大功率點附近很小的範圍內來回振蕩，造成功率損失;其次，這種方法功能的實現依靠電壓(電流)步長的改變，然而步長的大小很難確定，步長過小，跟蹤的速度緩慢，動態響應慢，光伏陣列可能長時間工作於低功率輸出區，步長過大，在最大功率點附近的振蕩又加大了，功率損失加大;還有當光照或外界其他條件快速變化時會發生誤判現象。

3 、電導增量法

電導增量法的名字來自於光伏系統電導係數的導數，用於確定最大功率點(MPP)處的操作點位置，也是一種最基本的MPPT算法，它通過太陽能電池輸出特性曲線的斜率(dP/dI)與輸出電壓、電流間的關係來判斷系統是否在最大功率點處運行。有功功率公式P=VI兩端對電流求導可得：


如圖4，電導增量法通過設定一些很小的變化閾值，判斷目前工作點在最大功率點的哪一側，然後改變逆變器輸出功率，使太陽能光伏陣列最後穩定在最大功率點附近的某個點，而不是來回的跳動。當從一個穩態過渡到另外一個穩態時，電導增量法根據電流的變化就能夠做出正確的判斷，不會出現誤判斷的過程。

圖4 電導增量法流程圖


此跟蹤法最大的優點，是當光伏電池上的光照強度產生變化時，輸出端電壓能以平穩的方式追隨其變化，電流波動較小，適用於光照快速變化的場合。缺點是其算法較為複雜，對硬體的要求特別是對傳感器的精度要求比較高，系統各個部分響應速度都要求比較快，因而整個系統的硬體造價也會比較高。變化的閾值很難確定，不恰當的閾值也會造成擾動。

4 、SIMUlink 仿真實驗

本文採用 MATALB/SIMUlink仿真軟體來搭建光伏發電系統的最大功率點跟蹤仿真平臺。如圖5，從左到右的模塊依次是光照模擬曲線(3種)、光伏電池陣列、MPPT算法模塊以及波形和效率顯示。


圖5 擾動觀測法和電導增量法仿真實驗圖

三個不同光照曲線下兩種算法得到的電壓、電流以及輸出功率曲線圖如圖6、圖7、圖8。左邊是擾動觀測法的輸出各項指標曲線，右邊的是電導增量法下得到的曲線。

由圖6可知，在正常的光照條件下兩種MPPT算法，都能夠很好的跟隨著光照的變化輸出峰值功率，效率都在99%以上(不考慮實際中的器件損耗)，但從電壓電流曲線來看，電導增量法得到的輸出曲線更為平滑，性能更佳。

圖6 模擬正常日照情況下兩種算法得到的輸出曲線


從圖7可以很明顯的看出，在有烏雲飄過這種光線強度快速變化的情況下，擾動觀測法的效果不盡如人意，正如上文所述的存在誤判現象(橢圓圈出部分)，導致輸出功率在有段時間一直很小(幾乎為零)，而電導增量法則效果依然很好(效率大於99%)。

光照不穩定時，跟上面第二種情況類似。在最後光照強度快速下降時，擾動觀測法出現誤判導致輸出功率幾乎為零(橢圓圈出部分)，電導增量法的表現則幾乎沒有影響(效率99.5%)。

5 、總結

本文分析了光伏電池板的輸出特性，以及影響光伏電池板的兩個因數，給出了兩個影響因數作用下的輸出功率原電流曲線，然後引出MPPT算法的實現原理。詳細闡述了目前最常用的兩種MPPT算法，並給出了算法流程圖。最後利用MATLAB/SIMUlink仿真軟體對這兩種算法進行了仿真實驗，驗證了對算法的分析，為今後開發出性能更佳的MPPT算法，打下實驗基礎。

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