搜索
您的当前位置:首页光伏发电系统最大功率跟踪技术

光伏发电系统最大功率跟踪技术

来源:飒榕旅游知识分享网
第20卷 第19期 V01.20 No.19 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2012年l0月 Oct.2012 光伏发电系统最大功率跟踪技术 杨思俊 (西安航空职业技术学院电子工程系,陕西西安710089) 摘要:基于降低光伏发电的成本,提高光伏电池发电效率的目的,本文对采用增量电导法来跟踪光伏电池的最大功 率进行深入的研究,分析其输出伏安特性、对采用BUCK电路电实现增量电导法来提高功率的设计进行论述、从数学 原理来证实增量电导法的实施正确性、并提供了程序控制思路与编制流程。在大量的实验的基础上。采集到日光强度 改变时基站电源运行情况的数据.为提高太阳能电池的利用率提供了实践依据。 关键词:光伏电池;增量电导法;BUCK电路;MP 中图分类号:TP216 ̄.3 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2012)19—0164—04 Remote monitoring system of photovoltaic energy communication power supply YANG Si-jun (Department ofElectronic Engineering,Xi’吼Aeronautwal Polytechnic Institute,Xi’an 710089,China) Abstract:In order to reduces its cost and strengthens the solar battery’S transfer eficiency,tfhe article used to the method of Incrementl conductance to track tahe maximum power of photovoltaic cells.In the paper we also analysis the output current- voltage characters.The design was discussed about the BUCK circuit to increase the power.h prove that method correctness of Incremental conductance from the mathematical theory.And provide the ideas and methods of program contro1.In a large number of experimentl,we collaect abundant operation data when sunlight continuely changes.The data provide practical base to improve the utilization rate of solar cells. Key words:photovoltaic cells;Incremental conductance;BUCK circuit;MPPT i 《墨 脚趋舞 4 3 2 1 为了提高光伏电池的光电转换效率.降低系统成本,最 大可能的提高光伏电池的利用率,必须使光伏电池始终保持 最大功率输出。采用最大功率跟踪(简称MPPT)技术可在同 样的硬件成本上采用软件控制来提高发电效率。 作电压源,接电压型的负载,也可以用作电流源,接电流型的 负载。 1光伏电池的伏安特性曲线 1.1伏安特性曲线 通过曲线图1可以看到。光伏电池在光照下的输出电流 和输出电压均与太阳辐射的通量密度成正比的关系。也就是 说,不同的光照强度条件下可得到不同的特性曲线。光伏电 池输出伏安特性曲线与电流轴的交点为短路电流 ;与电压 轴的交点为开路电压 。在较高电压区域内,该电源具有低 输出电压/V Q 图l光伏电池输出伏安特性曲线 Fig.1 Output current—voltage curve of photovohaie battery 内阻特性。可以视为一系列不同等级的电压源;而在较低电 压区域内。该电源又具有高电阻特性,可以视为一系列不同 等级的电流源。 1.2输出功率 根据功率定义式P=U/,设定P为不同的常数,代人U和 J,便可在光伏电池输出伏安特性曲线图上做出一系列的等功 率曲线.,如图2(a)所示,图中右上角的三条曲线在实际中,必 有唯一的一条功率曲线与光伏电池输出伏安特性曲线相切. 该功率曲线便代表着光伏电池在当前照强度下的最大输出 功率.该切点称为最佳工作点 。从原点引出的交于M点的 直线为最佳负载线,R =R ;M点对应的电流值为最佳输出 在光照强度不变的情况下。它的功率输出具有极大值, 出现在电压源与电流源的交点处,并且如果假设电池温度不 变。这个极大值将随光照强度的增强或降低而增加或降低I1-3]。 在这个极大值点的两侧,光伏电池的功率输出都在零与极大 值之间连续变化。换言之,对于同样的功率输出,电源可以用 收稿日期:2012—06—02 稿件编号:201206011 作者简介:杨思俊(1981一),女,陕西渭南人,硕士,助教。研究方向:电子电路设计,嵌入式系统,新能源技术开发。 164- -杨思俊电流 ,对应的电压值为最佳输出电压 ;由 光伏发电系统最大功率跟踪技术 和 得到 的矩形几何面积也是该特性曲线所能包揽的最大面积,成 为光伏电池的最佳输出功率或最大输出功率 ,如图2(b) 所示。 2最大功率根据技术的硬件电路 最大功率根据技术的硬件电路如图3所示,用BUCK电 路可以实现最大功率点的跟踪。BUCK电路(也称为斩波电路 或斩波器)是接在光伏阵列和负载之间,通过控制电压将不 l _ 控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。BUCK 电路中开关管导通的占空比的改变,对光伏阵列而言表现为 目 蜷 书 其输出阻抗发生了变化。输出阻抗的变化将影响光伏阵列的 输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出 臻 电流值。而MPPT技术即是通过调节BUCK电路的占空比而 改变光伏阵列的输出阻抗。从而寻求输出电流与输出电压的 输出电压/my (a)伏安特性曲线 (a)currcnt—vol tage CUrV ̄ 输出电压/mv (b)输出功率曲线 (b)output power curvc 乘积即输出功率的最大值。由BUCK电路实现M 技术 时.光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时,才能实现 图2特性曲线 Fig.2 Characteristic CUrVe 较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时, BUCK电路的控制失去作用嗍。 矗袭鐾嘉 R8 47k0 一? 1 。 。 R7 3Ok0 -上r 100 u H C3 = jD 47k0 1000u F/35V 472 + 苎D 22O0 u F/63V 27 C7 01 u 2.4kQ R6 100 D4L MBR2010 置2 3O0 RI 7 2.4k C4 01 u 太阳能电 电压 采样 驱动 信号 负载电压 采样 图3最大功率根据技术的硬件电路 Fig.3 Circuit of MPPT 3软件控制原理 3.1主程序分析及流程 MPPrr控制使工作电压在每隔一定时间稍微变动.然后 测量此时的太阳电池的输出功率与前一次进行比较,就这样 反复进行比较使输出始终跟踪太阳电池的最大功率点。 MPPI'控制的一个例子如图4所示。假定图中曲线1和曲线 2为两不同光照强度下太阳电池的输出特性曲线.A点和B ≤ 斌 脚 图4 MPPT控制示例 Fig.4 Control example of MPPT 点分别为相应的最大功率输出点;并假定某一时刻,系统运 行在A点。当光照强度发生变化。即太阳电池的输出特性由 曲线2上升为曲线1。此时如果保持负载1不变,系统将运行 在D点,这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了 继续追踪最大功率点,应将系统的负载特性由负载1变化至 负载2,以保证系统运行在新的最大功率点B。同样。如果光 照强度变化使得太阳电池的输出特性由曲线1减至曲线2. 则相应的工作点由B点变化到C点,应当相应的调整负载2 至负载1以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在 最大功率点A。 最大功率点跟踪(MPPT)的算法有:干扰观测法(Pertur- bation and observation,简称P&O法)、增量电导法(Incremental conductance。简称IncCond法)、模糊逻辑控制法等阎。 增量电导法是MPP,r控制常用的方法之一。通过光伏阵 列P-U曲线可知最大值P眦处的斜率为零,即寻求在斜率为 零的这一最大功率点处工作。通过调整工作点的电压。使之 逐渐接近最大功率点电压来实现最大功率点的跟踪。而增量 电导法避免了微扰观察法的盲目性。它能够判断出工作点电 压于最大功率点电压之间的关系。 、厶为检测到光伏阵列当 一】65- 《电子设计工程)2012年第19期 前电压、电流值,£,6、厶为上一控制周期的采样值, 为最大 3.2滤波程序 功率点对应的电压。这种MPPT控制算法最大的优点是在光 照强度发生变化时.光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪 其变化,而且稳态的振荡也比扰动观测小。其中,dU= 一 , d/=L-h。 采样的电压电流信号是单片机控制的参考,也是最大功 率跟踪的关键依据。所以要对所采样的信号进行准确处理, 以防止路灯的误接入和MP 跟踪技术中的可能出现的错 误跟踪 。 当dU#O时: =其滤波过程如下。在2 s内分别取电压、电流的采样的信 nu (1) 号20次。然后依照大小冒泡排序,在排完序的数组中依次去 掉5个最大的值和5个最小的值,再将其求平均,得到一个 >0时, 小于最大功率点电压; <0时, 大于 可靠性较高的数.并以此来作为占空比或路灯的接入与否的 最大功率点电压;当 :0时, 等于最大功率点电压。将上 述3种情况代入式(I)可得: 若 <Um, > =:,+U等>0可得: >告。 要寻求最大功率点则要增加电压。 若 , < _,+U <o可得: <舌。 要寻求最大功率点则要减小电压。 若 = , : _,+U =0可得: 一寺。 则 即为最大功率点的电压。 这样可以根据 与一 之间的关系来调整工作点电压 而实现最大功率点跟踪。 当dU=O时: 若d/=O,则 即为最大功率点的电压。 若d/>O,由图5可知要寻求最大功率点则要减小电压。 若d/<O.由图5可知要寻求最大功率点则要增加电压。 电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导 来改变控制信号。这种控制算法同样需要对光伏阵列的电压 和电流进行采样。电导增量法控制精确,响应速度比较快,适 用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求特别是传 感器的精度要求比较高,系统各个部分响应速度都要求比较 快.因而整个系统的硬件造价也会比较高[句。电导增量法的控 制流程图如图5所示 图5 电导增量法的流程图 Fig.5 Flow diagram of Incremental conductance -I66- 依据。作实验时,选择2 s取一个有效信号,可以明显看到电 压表电流表的表针在来回摆动寻优。滤波后的数值产生 MPPT误调的可能性将大大减小。程序实现如图6所示。 r__ 读入A/D转换后的采样值 存入PCAO的捕捉比较寄存器 入数值个<2 :;,- 、 _.__ 一 上否 对采样数值按大小排序 对中间10个数求累加和 I 查兰塑堡 l 由 图6滤波程序流程 Fig.6 Filter processes 其中对采样数值的排序采用冒泡排序法。将尚未排序的 各元素从头到尾依次比较相邻的两个元素是否逆序(与欲排 顺序相反),若逆序就交换这两元素,经过第一轮比较排序后 便可把最大(或最小)的元素排好,然后再用同样的方法把剩 下的元素逐个进行比较.就得到了所要的顺序。可以看出如 果有2O个元素,那么一共要进行19轮比较,第i轮要进行 j=20-i次比较。 4系统检测结果 在实验系统中,为了提高发电效率,对于太阳能光电池 转换效率低的问题,引用了MPPT(最大功率跟踪)技术来提 高太阳能电池的利用率。分别采集了带MPPT技术的太阳能 基站电源的控制器与不带MPPT技术的控制器的电压、电 流,并将发电功率进行了比较,在设计中作了大量的实验,并 形成了图表予以分析。以下是13光强度逐渐减弱时的数据测 试。实际采集过程是每5 s采集一次,这里将简单将每隔 1 min的数据进行列表分析。 在同样的外界条件下.13光逐渐减弱时引入MPPT技术 的太阳能发电技术和无MPPT技术的情况下,由表1的数据 可统计.在引入MPPT技术的太阳能发电技术后,发电功率 增长了25.9%。 杨思俊光伏发电系统最大功率跟踪技术 表1 日光强度逐渐减弱时数据表 条件下工作。在实际应用时,即太阳能电池板通过带MPPT Tab.1 Sunlight gradually decreased data 技术的控制器对蓄电池充电比太阳能电池板通过不带MPPT 技术的控制器对蓄电池充电高的效率将小于20%。但并不是 说引入MPPT技术没有必要,论文中实验数据就是有效的证 明。在光伏发电的并网运行中,由于电网的负载性质,引入 MP 技术后,效率的提高将大于本设计中的实验数据,意义 重大。在本设计中,引入MPPT技术后功率的提高所费的成 本与增加太阳能电池板来提高功率相比将占有绝对大的 优势。 参考文献: 【1】杨思俊.基于MPP,r技术的光伏路灯控制系统的研究【D]. 西安:西安科技大学.2009. [2]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D】.安徽:合肥工 业大学硕士学位论文.2oo5. 【3]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用[M】.北 京:科学出版社.2005. [4】杨思俊.光伏发电通信基站电源远程监测系统的设计[J]. 电子设计工程,2011,19(10):169—172. 5 结束语 YANG Si-jun.The remote monitoring system of photovohaic energy communication power supply[J】.Electronic Design 对于太阳能光电池转换效率低的问题。引用了MPPI.(最 Engineering,2011,19(10):169-172. 大功率跟踪)技术来提高太阳能电池的利用率。在利用同样 【5】汪令祥.光伏发电用DC/DC变换器的研究【D].安徽:合肥 的参数的太阳能电池板.对带MPPT技术的控制器与不带 工业大学,2oo6. MP 技术的控制器发电功率进行了比较,在设计中作了大 [6】陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能 量的实验,采集了输出电压、电流,并形成了图表予以分析。 源工程,2o03,22(3):18—21. 但实验图表亦存在一些局限性,实验数据采集过程中,是采 CHEN Wei.LI Jian-hong.Research on the tracker controller 用太阳能电池板通过控制器直接接负载(即电阻丝)来测量 methodologies in utilization of solar eneryg0].Eneryg Engin・ 控制器的输出功率的。而实际应用中应为太阳能电池板通过 eefing,2003,22(3):18-21. 控制器向蓄电池充电。电阻丝只吸收功率,而蓄电池(本设计 [7]曹祖亮,王斌,王帅.光伏发电系统及其最大功率点跟踪 中采用额定电压为24 V)会将控制器的输出电压钳位在 控制方法比较[J].广东电力,2010,23(6):16-19. 21.6~26.4 V之间,当输出电压在这之间时.带MPPT技术的 CAO Zu-liang,WANG Bin,WANG Shuai.Photovohaic 控制器的输出功率将比此时此刻不接蓄电池而接电阻丝的 generation system and comparison of control methods for 输出功率要低。没有采用给蓄电池充电的方式进行实验比较 maximum power point tracking册.Guang Dong Electric Power, 是因为无法一直获得电量等同的蓄电池,带MPPT技术的控 2010,23(6):16—19. 制器对蓄电池充电较快,所以无法使两种控制器一直在同等 1R全新600 V IGBT提供更高功率密度和效率适合电机驱动应用 国际整流器公司推出600 V绝缘栅双极晶体管(IGBT)系列。适合在10 kHZ以下工作的电机驱动应用,包括冰箱和空调的 压缩机。IR新一代Gen 7 F器件采用击穿沟道式技术,能够为特定的工作频率提供更高功率密度。以及经过优化的传导和开关 损耗。全新IGBT的VCE(ON)非常低,能通过零温度系数提升效率,使整个工作范围都能保持高效率。该器件还能实现顺畅开 关,以减少电磁干扰与过冲,并且能在电机驱动应用中实现额定短路。 IRG7RC10FD和IRG7IC30FD均与软恢复二极管共同封装,而IRG7SC12F则是单一IGBT。可让设计师根据应用需要选择 合适的二极管。两款配备Gen 7 F IGBT的电机控制参考设计现已供应。IRMDKG7—400 W包合适合高达400 W电机的 IRG7SC3OFD DPAK IGBT和IRS2334S三相位高压集成电路(HVIC)驱动器,而IRMDKG7—600 W包含适合高达600 W电机的 IRG7SC3OFD DPAK IGBT和IRS2334S三相位高压集成电路驱动器。两款参考设计都备有散热片供用户选择。 咨询编号:2012191002 -167- 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top