光伏發(fā)電MPPT技術(shù)研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u31641光伏發(fā)電MPPT技術(shù)研究概述 1192571.1最大功率傳輸定理 1229101.2基于DC/DC變換器的阻抗變換 222241.3常見(jiàn)MPPT算法 4145391.4基于占空比擾動(dòng)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法 81.1最大功率傳輸定理當(dāng)負(fù)載與電源內(nèi)阻相等時(shí)，電源便可以輸出最大功率，這被稱(chēng)為最大功率傳輸定理。如圖4-1所示，有一含源線性電阻二端網(wǎng)絡(luò)向負(fù)載提供功率。其中，Uoc為電源開(kāi)路電壓，I為回路電流，Ro為電源內(nèi)阻，RL為負(fù)載。圖4-1最大功率傳輸定理根據(jù)基爾霍夫第二定律，可求得電流I的表達(dá)式(4-1)進(jìn)而得到負(fù)載功率的表達(dá)式(4-2)求P對(duì)RL的導(dǎo)數(shù)，可得(4-3)令其導(dǎo)數(shù)等于0，可求得當(dāng)RL=Ro時(shí)(4-4)綜上，滿足RL=Ro這一條件時(shí)即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載與電源的匹配，電源輸出了最大功率給負(fù)載。1.2基于DC/DC變換器的阻抗變換常見(jiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖4-2所示，Ui為變換器的輸入電壓，Ii為變換器的輸入電流，Uo為變換器的輸出電壓，Io為變換器的輸出電流，d為變換器工作的占空比。圖4-2光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)DC/DC變換器的工作特性，假設(shè)工作效率為100%，可以得到有關(guān)輸入輸出的表達(dá)式如下(4-5)(4-6)式中，f(d)為有關(guān)占空比d的函數(shù)，如表2所示。表2各個(gè)DC/DC變換器占空比函數(shù)Buck變換器fBoost變換器fBuck-Boost變換器f將(4-5)(4-6)兩式相除，可得到DC/DC變換器等效輸入電阻Ri的表達(dá)式(4-7)由此可知，在負(fù)載RL不變的情況下，改變占空比d，就可以改變DC/DC變換器的等效輸入電阻。根據(jù)1.1節(jié)所述的內(nèi)容，改變占空比d，使DC/DC變換器的等效輸入電阻Ri與光伏電池的內(nèi)阻Ro相等，光伏電池即可輸出最大功率，如圖4-3所示。圖4-3光伏MPPT原理對(duì)于Buck變換器(4-8)若RL＞Ro，上式顯然不成立，意味著即使Buck變換器的占空比d無(wú)限接近100%，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)與光伏電池內(nèi)阻匹配。只有當(dāng)RL＜Ro，才能實(shí)現(xiàn)匹配,如圖4-4所示。圖4-4Buck變換器MPPT范圍對(duì)于Boost變換器(4-9)若RL＜Ro，上式同樣不成立，因此對(duì)于Boost變換器，只有當(dāng)RL＞Ro，才能實(shí)現(xiàn)匹配，如圖4-5所示。圖4-5Boost變換器MPPT范圍對(duì)于Buck-Boost變換器(4-10)無(wú)論Ro和RL之間大小呈何關(guān)系，電源與負(fù)載均可以實(shí)現(xiàn)匹配，如圖4-6所示。圖4-6Buck-Boost變換器MPPT范圍1.3常見(jiàn)MPPT算法1.3.1恒定電壓法恒定電壓法(CVT)是一種通過(guò)穩(wěn)壓控制將光伏電池的輸出電壓保持在最大功率點(diǎn)電壓附近的方法[9]。在光伏電池溫度保持不變的情況下，改變光照強(qiáng)度，各個(gè)光照強(qiáng)度下光伏電池最大功率點(diǎn)電壓近似于一個(gè)恒定值，如圖4-7所示。圖4-7恒定電壓法對(duì)此，只需根據(jù)光伏電池自身參數(shù)以及單元數(shù)目，計(jì)算出最大功率點(diǎn)電壓近似值Umpp，發(fā)電系統(tǒng)只需將光伏電池輸出電壓穩(wěn)定在該值即可。根據(jù)上述原理，其流程如下圖4-8所示。圖4-8恒定電壓法流程該方法原理簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是忽略了溫度變化對(duì)光伏電池工作點(diǎn)的偏移影響，因此當(dāng)溫度改變時(shí)會(huì)造成功率損失，而且嚴(yán)格來(lái)說(shuō)該法只是使光伏電池近似達(dá)到最大功率輸出的方法。1.3.2擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法(P&O)是目前市面上較常用的MPPT方法，它的原理是：給光伏電池的輸出電壓施加一個(gè)擾動(dòng)ΔU，該擾動(dòng)也被稱(chēng)為步長(zhǎng)。施加擾動(dòng)后，采集光伏電池電壓和電流信息，檢測(cè)光伏電池輸出功率的變化情況，如果功率增加，則繼續(xù)按原來(lái)方向施加擾動(dòng)，直至光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，反之則反向施加擾動(dòng)。如圖4-9所示，A點(diǎn)為起始點(diǎn)，施加一個(gè)擾動(dòng)ΔU后到達(dá)B點(diǎn)，此時(shí)PB>PA，那么繼續(xù)按原方向擾動(dòng)。圖4-9擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法原理相對(duì)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，只需測(cè)量光伏電池的電壓和電流即可實(shí)現(xiàn)MPPT的閉環(huán)跟蹤，其流程如下圖4-10所示。圖4-10擾動(dòng)觀察法流程這種方法也存在缺點(diǎn)：受持續(xù)擾動(dòng)的影響，光伏電池的最終工作點(diǎn)總是在最大功率點(diǎn)附近變化，即穩(wěn)態(tài)振蕩。另外擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔU的選取對(duì)系統(tǒng)最終的穩(wěn)定性和靈敏度有非常重要的影響，大步長(zhǎng)使系統(tǒng)有更快的跟蹤速度，但是到達(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)會(huì)有更大的振蕩，小步長(zhǎng)使系統(tǒng)有更高的精度和更小的振蕩，犧牲了跟蹤速度[10-13]。此外，如果光照強(qiáng)度發(fā)生了快速變化，那么在該情景下該方法還容易出現(xiàn)擾動(dòng)方向誤判的情況。1.3.3電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法(INC)的基本原理是：根據(jù)光伏電池的U-P曲線，在最大功率點(diǎn)MPP處，功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零，可得(4-11)將上式進(jìn)一步變形，可得(4-12)通過(guò)比較光伏電池的瞬時(shí)電導(dǎo)G與電導(dǎo)增量dG，改變電路中開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)，從而改變光伏電池的工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。此外，根據(jù)U-P曲線還有以下關(guān)系當(dāng)dP/dU>0時(shí)，表明光伏電池此時(shí)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)MPP的左側(cè)，所以需要增加光伏電池的輸出電壓U，使工作點(diǎn)沿著特性曲線向右移動(dòng)。當(dāng)dP/dU=0時(shí)，表明當(dāng)前工作點(diǎn)就位于最大功率點(diǎn)MPP處，不需要再移動(dòng)。當(dāng)dP/dU<0時(shí)，表明工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)MPP右側(cè)，需要減小光伏電池的輸出電壓U，使工作點(diǎn)沿著特性曲線向左移動(dòng)。在實(shí)際離散控制系統(tǒng)中，一般以ΔI/ΔU代替dI/dU。該方法流程如下圖所示。圖4-11電導(dǎo)增量法流程電導(dǎo)增量法精確度較高，跟蹤過(guò)程平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)振蕩小，而且不易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。缺點(diǎn)是對(duì)硬件采樣電路和系統(tǒng)響應(yīng)速度要求較高[14-15]。1.3.4模糊邏輯控制法模糊邏輯控制是一種以模糊集合理論、模糊邏輯推理、模糊語(yǔ)言變量等技術(shù)為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先將采集到的信息進(jìn)行模糊推理與決策，求得模糊集，再經(jīng)判斷得到輸出量。將模糊邏輯控制應(yīng)用至光伏這種非線性系統(tǒng)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)難度很大，硬件成本高[16-18]。1.3.5人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，直到輸入輸出結(jié)果可以完全匹配。將其應(yīng)用于MPPT時(shí)，需要將光伏電池的電壓、電流以及溫度等信號(hào)作為輸入，輸出可以是占空比或者參考電壓等信號(hào)，用來(lái)調(diào)整光伏電池MPP。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，適合復(fù)雜的工作環(huán)境。缺點(diǎn)是訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年，硬件成本高[19-21]。1.4基于占空比擾動(dòng)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法根據(jù)光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型，使用修正公式(2-15)～(2-18)計(jì)算出SYP-P1830光伏電池在不同光照強(qiáng)度和溫度下的相關(guān)參數(shù)，如表3所示。表3不同光照強(qiáng)度下光伏電池參數(shù)(25℃)光照強(qiáng)度/W/m2開(kāi)路電壓/V短路電流/A最大功率電壓/V最大功率電流/A100021.61.79181.6690021.21.6117.671.4980020.791.4317.331.3360019.951.0716.620.99表4不同溫度下光伏電池參數(shù)(1000W/m2)溫度/℃開(kāi)路電壓/V短路電流/A最大功率電壓/V最大功率電流/A1522.221.7518.521.622521.61.79181.663520.981.8317.481.74520.361.8816.961.74將式(2-8)變形，得到(4-13)根據(jù)式(4-7)，上式可變?yōu)?4-14)式(4-14)即為DC/DC變換器占空比d與光伏電池輸出電壓U的關(guān)系表達(dá)式。同理，再將式(2-8)經(jīng)過(guò)相關(guān)變換，可得到占空比d與光伏電池輸出功率P的表達(dá)式。(4-15)接著根據(jù)表3與表4的數(shù)據(jù)，分別繪制出不同光照強(qiáng)度和溫度下各DC/DC變換器占空比d與光伏電池輸出電壓U和功率P的曲線，如圖4-12至4-19所示。圖4-12不同光照強(qiáng)度下Buck變換器d-U曲線圖4-13不同光照強(qiáng)度下Buck變換器d-P曲線圖4-14不同溫度下Buck變換器d-U曲線圖4-15不同溫度下Buck變換器d-P曲線對(duì)于Buck變換器(RL取1Ω)，光伏電池的輸出電壓U始終與占空比d呈負(fù)相關(guān)，輸出功率P與占空比d呈單峰曲線關(guān)系。在溫度恒定時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的降低，輸出電壓U均有不同程度的降低，輸出功率P降低，同時(shí)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的占空比dMPP較原來(lái)也減小。光照強(qiáng)度恒定時(shí)，隨著溫度的升高，dMPP左側(cè)的輸出電壓U降低較多，右側(cè)變化較小。輸出功率P峰值近似無(wú)變化，dMPP略微增加。圖4-16不同光照強(qiáng)度下Boost變換器d-U曲線圖4-17不同光照強(qiáng)度下Boost變換器d-P曲線圖4-18不同溫度下Boost變換器d-U曲線圖4-19不同溫度下Boost變換器d-P曲線對(duì)于Boost變換器(RL取50Ω)，光伏電池的輸出電壓U也與占空比d呈負(fù)相關(guān)，輸出功率P與占空比d呈單峰曲線關(guān)系。改變光照強(qiáng)度和溫度后光伏電池輸出特性與d的關(guān)系與Buck變換器相似。對(duì)于Buck-Boost變換器，光伏電池的輸出特性與占空比d的關(guān)系也與Buck、Boost變換器相似。綜上，通過(guò)研究光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型與DC/DC變換器工作特性之間的聯(lián)系，為下文MPPT算法提供了理論指導(dǎo)。結(jié)合電導(dǎo)增量法的原理，根據(jù)d-P曲線可以得出在MPP處d與P之間滿足但是相比于電導(dǎo)增量法，占空比d的微增量相比于電壓、功率這些物理量，往往非常小，導(dǎo)致該式在計(jì)算上更加繁瑣。值得注意的是，d-U曲線中光伏電池輸出電壓U的變化方向始終與占空比d相反，因此對(duì)于擾動(dòng)方向仍可以使用U判斷。使用dP/dU的正負(fù)判斷擾動(dòng)方向，實(shí)際仿真中可變?yōu)棣/ΔU。根據(jù)光伏電池的U-P曲線和d-U曲線可以制定出如下MPPT規(guī)則，如表5所示。表5MPPT規(guī)則判斷條件U變化d變化dP/dU=0U不變d不