一种变步长扰动最大功率跟踪方法

李 倩 倩(安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001)

一种变步长扰动最大功率跟踪方法

李 倩 倩
(安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001)

为了有效利用太阳能电池的发电性能,提出了一种变步长扰动最大功率跟踪方法。以光伏电池的输出功率为判断依据,在详细分析输出功率特性的基础上,提出变步长扰动的控制方法,通过调节占空比的步长来实现最大功率点跟踪。给出了详细的控制流程图,并建立了变步长扰动的最大功率跟踪的MATLAB仿真模型。试验结果表明,算法可以根据外界环境的变化快速追踪到最大功率点,保证在最大功率点处运行的稳定性,有效提高光伏电池的利用率。

光伏电池; 最大功率点跟踪; 变步长扰动; 占空比

0 引 言

由于世界人口数量的持续增长以及经济的飞快发展,越来越多的化石能源正被过量消耗,因此节约能源是亟需解决的问题。大力提高清洁和可再生能源的占用比,可实现对生存环境的保护和能源的持续供应。太阳能作为最理想的化石能源替代品,具有持续性、零排放以及广泛分布等诸多特点,因此被越来越多的学者进行研究,光伏发电将成为一种非常重要的发电形式。光伏电池的输出特性曲线受外界环境的影响而呈现非线性特征,无论环境如何改变,光伏电池的输出功率总存在一个最大值。在光伏发电系统中,为了充分利用其太阳能转化成电能的效率,需要电池始终保持最大功率输出,这种控制过程就是最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。

1 光伏电池的输出特性

光伏电池是能够把太阳能转化为电能的器件,而光伏发电系统的核心技术问题就是使光伏电池将太阳能转化为电能的效率尽可能提高。所以需要对光伏电池的输出特性进行分析,然后再寻找合适的MPPT控制算法。

光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度等外界因素的影响。温度为25 ℃时,不同光照条件下光伏电池功率-电压特性曲线如图1所示。

图1 不同光照条件下光伏电池功率-电压特性曲线

由图1可以看出,在同一温度下随着光照强度增加,功率-电压特性曲线近似整体上移,并且随着光强增加,输出功率增大,且在某一点处功率达到最大值。

不同温度下光伏电池功率-电压特性曲线如图2所示。由图2可以看出,在同一光照强度下,随着温度的升高,光伏电池的输出功率减小。

图2 不同温度下光伏电池功率-电压特性曲线

由以上分析可知,光伏电池的输出功率光照强度、环境温度等情况的影响,最大功率点的位置也随之改变。因此,必须选择合适的控制方法来寻找最大功率点,以实现不同条件下的最大功率输出。

2 MPPT变步长扰动观测法

变步长扰动观测算法是通过设定一个最大功率跟踪电路的占空比和一个改变占空比的步长,测出当前光伏电池的输出电压和电流,计算出当前功率并对比前面一次存储的输出功率,保留较大输出功率,根据步长值调节占空比的值;往复循环上述步骤,可实现光伏电池保持在最大功率点。光伏电池的开路电压处通常是光伏系统扰动的启动点,开路电压值大于最大功率点电压值。扰动过程中如果改变扰动步长,可以迅速跟踪到最大功率点,由扰动造成的功率损失也可以减小。变步长扰动观测控制流程图如图3所示。

图3中,变量m代表的是步长α的符号,取1或-1,标志占空比D的方向。当|dP|e时,说明系统没有在最大功率点附近运行,应选择新步长来调整光伏电池的功率输出。当功率减小时,m取相反值,改变扰动方向;当功率增大时,m不变,保持原来的扰动方向。设定e为系统的门限值,它的大小决定了控制器追踪最大功率点的精细程度的高低;M决定了系统的柔韧性,两者的取值需要根据实际的要求来选择。

图3 变步长扰动观测控制流程图

3 仿真结果与分析

用MATLAB建立相应的仿真模型,如图4所示。

图4 光伏发电系统MPPT仿真模型

环境温度为25 ℃时,在0.1 s时光照强度1 000 W/m2降低到800 W/m2,光伏电池的输出功率曲线如图5所示。

图5 温度不变、光照强度减弱时光伏电池的

保持光照强度为1 000 W/m2,在0.1 s时环境温度升高到40 ℃,光伏电池的输出功率曲线如图6所示。

图6 光照强度不变、温度升高时光伏电池的输出特性曲线

试验结果验证了本文设计的MPPT控制方法实现最大功率点跟踪的高效性和稳定性。当环境温度、光照强度发生变化时,MPPT控制器能够快速找到新的最大功率点,且输出功率在最大功率点处的波动较小,使系统能量转化率有所提高。

4 结 语

本文在对光伏电池输出特性分析以及变步长扰动控制过程控制原理的基础上,运用MATLAB仿真软件对系统进行仿真,通过改变环境温度以及光照强度参数的方法来实施具体仿真。结果表明,该算法可以随着外界条件的变化快速追踪到最大功率点,并且使系统在最大功率点处稳定运行,有效提高光伏电池的利用效率,是一种可靠、有效的控制方法。

[1] 赵争鸣,陈建,孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[2] 何燕阳.太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究[D].泉州:华侨大学,2013.

[3] XIAO W D,DUNFORD G W.A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems[C]∥Germany:35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004.

[4] 邵翠,丁宝.光伏系统最大功率点跟踪控制算法的研究[J].建筑电气,2010(6):34-38.

Maximum Power Point Tracking Method of Variable Step Perturbation

LI Qianqian

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

In order to effectively use the power performance of the solar cell,this paper proposed a maximum power point tracking(MPPT) method of variable step perturbation.With the output power of photovoltaic cells as the judgment basis,based on the detailed analysis on the characteristics of output power,the control method of variable step disturbance was proposed.By adjusting the step of duty ratio,MPPT was achieved.A detailed control flow diagram was given,and the MATLAB simulation model of MPPT was established.The experimental results show that the algorithm can track the maximum power of photovoltaic battery point,and ensure the stability at the maximum power point,to effectively improve the utilization of photovoltaic cells.

photovoltaic cell; maximum power point tracking(MPPT); variable step disturbance; duty ratio

李倩倩(1985—),女,硕士研究生,研究方向为电力传动控制技术。

2015-03-25

TM 615+.2

A

1674-8417(2015)05-0050-03