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以及温度、光照的影响;然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法,并对3种MPPT控制方法作简单的比较。
2光伏组件的特性
A. 物理数学模型
根据半导体物理学理论,太阳能组件的等效物理模型如图1所示。
其中:
IPH与日照强度成正比的光生电流;
I0光伏组件反向饱和电流,通常其数量级为10-4A;
n二极管因子;
q电子电荷,;
K玻尔兹曼常数, J/K;
T绝对温度(K);
RS光伏组件等效串联电阻;
RP光伏组件等效并联电阻;
式(1)中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关,而且确定这些参数也十分困难。
B. 温度、光照对输出特性的影响
受外界因素(温度、光照强度等)影响,光伏组件输出具有明显的非线性,图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。
由以上两图可知,光伏组件的输出短路电流(Isc)、最大功率点电流(Im)随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大,最大功率点电压(Um)变化也不大,如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大,短路电流(Isc)随温度升高而略微增加。但开路电压(Uoc)受温度影响较大,开路电压随温度升高近似线性地下降,因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响,从图
2-B曲线的峰值变化可以看出。
C. 实测得光伏组件输出特性
作者制作了一套简易的光伏组件输出特性测试系统。主电路采用Buck-Boost电路和电阻串联作为光伏组件的负载,由自制的ARM控制板采集光伏组件的电压和电流,并通过定期自动扫描Buck-Boost电路的占空比,以测得在不同条件下的输出特性。图4是采用英国Bp公司的Bp3230T光伏组件,于2011年8月9日测得的一组数据。图
4-A中五条曲线的MPP趋势与图3-A中的MPP趋势相反;这是由于图4-A的实测条件下,随着光照增强同时温度也在增加,使得PV组件的开路电压UOC随温度升高而降低所致。
从图3中可看出,光伏组件是一种非线性较强的直流电源,其输出最大功率点随着光照、温度的变化而变化,但任意一条特征曲线都存在唯一最大功率点,并对应唯一的光伏组件输出电压。从第2节的中可知:光照强度越强,光伏组件输出的功率也越大;相反温度越高,太阳能电池输出的功率越小。因此,实际应用中为了提高光伏组件的光电转换效率,就要对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。MPPT的实质是一个寻优过程,即通过调节光伏组件的输出电压,使其能在各种不同的光照、温度下的实际工作点趋近当前光伏组件输出的全局最大功率点。
A. 恒定电压法[3](ConstantVoltageTracking,CVT)
如果忽略温度影响,当光照强度大时,光伏组件的短路电流Isc增大,开路电压Uoc略有的增加。从图3-A可看出,光伏组件在不同光照下的MPP近似在某一恒定的电压值Um附近。如果保持光伏组件的输出端电压为常数且等于某一光照强度下相应于最大功率点的电压,就可以大致保证在当前环境下组件输出最大功率,这就是恒定电压跟踪法(CVT)理论依据。采用CVT作为MPPT控制方法,其实现简单、方便、可靠性高,系统不会出现振荡。
但是,CVT控制方法忽略了温度对阵列开路电压的影响,实际上光伏组件的开路电压都在较大程度上受结温影响,图3-B显示的不同温度条件下光伏组件输出的P-V特性。尤其是内陆地区冬夏,甚至早午晚温差较大,理论和实地运行数据均表明,当温度从
-20℃变化到+40℃时,其最大功率点电压(Um)的偏移能达Uoc值的30%以上。如果采用CVT控制方法的将电压给定值控制在夏季的最大功率点处,冬季时,光伏组建输出功率的损失将会超过20%。折衷解决方法是只能在冬、夏两季调整CVT电压给定值。
B. 扰动观察法[3](PerturbandObservemethods,P&O)
扰动观察法属目前MPPT控制常用方法之一,原理是给定光伏组件输出电压一个扰动(U+ΔU),再比较扰动前后的功率值,若输出功率增加,则表明电压扰动方向正确,继续按照(U+ΔU)方向扰动;若输出功率减小,则往(U-ΔU)方向扰动。该方法的优点是其控制思想简单,缺点是选取的跟踪步长△U对跟踪精度和速度影响较大,跟踪的最终结果只能在组件输出的最大功率点附近振荡,会导致部分功率损失。此外,如果光照强度突然发生变化,在运行过程中控制算法会发生误判现象,使系统短时间朝远离最大功率点。若光伏组件工作环境突然变化时,将可能出现两个或更多的局部最大功率点,在这种情况下,
P&O控制方法不能快速跟踪,而且可能只收敛至局部最大功率点,并非光伏组件在当前环境下的全局的最大功率点。
改进的P&O控制方法主要是变步长跟踪。通长是根据前后两次功率差的大小改变步长[4,5]等。
C. 增量电导法[3,4](IncrementalConductancemethods,IncCond)
增量电导法的基本原理是通过比较光伏阵列输出增量电导率和瞬时电导,实现光伏组件的最大功率点跟踪。如图3-A所示光伏阵列P-V曲线可知最大Pmax处的斜率为零。光伏组件输出功率为