通過對光伏水泵系統(tǒng)功率輸出特點(diǎn)的分析，找到影響最大功率輸出的影響因素，通過進(jìn)一步對光伏輸出I-V 曲線和P-U 曲線分析，提出了一種對最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT) 擾動(dòng)觀察法的優(yōu)化算法和實(shí)現(xiàn)方法，解決了MPPT 擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近震蕩的問題。
1 MPPT 與擾動(dòng)觀察法原理
光伏組件是光伏水泵系統(tǒng)的能量來源，光伏組件的輸出功率受外部環(huán)境影響較大，如光照強(qiáng)度、溫度變化等;即使在外部環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，其輸出功率還會(huì)受所連接的負(fù)載的影響，研究表明，只有當(dāng)連接的負(fù)載為某一恒定值時(shí)，即所謂的阻抗匹配，光伏組件輸出功率才達(dá)到最大值，此時(shí)光伏組件所輸出的功率為最大功率點(diǎn)。為了最大限度發(fā)揮光伏組件的效率，在外部環(huán)境和負(fù)載變化的情況下使光伏組件仍保持最大功率的輸出，就需要不斷調(diào)節(jié)光伏組件的工作電壓，使其輸出功率最大化，這個(gè)功率調(diào)節(jié)過程被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。圖1 為光伏組件1#、2#、3# 的輸出I-V 曲線和對應(yīng)電阻負(fù)載1#、2#、3#的I-V 曲線，兩者的交點(diǎn)即為光伏陣列的最大功率點(diǎn)。通過對這些曲線分析可知，除了在 Pa、Pb、Pc 點(diǎn)阻抗達(dá)到了阻抗匹配外，其他點(diǎn)都未能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即輸出功率未達(dá)到最大點(diǎn)，這說明采用光伏組件直接與水泵電機(jī)耦合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率不能充分發(fā)揮，即總效率欠佳。因此，若想充分發(fā)揮光伏組件的效率，最大化提高瞬時(shí)功率，就需對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。
擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT 的過程中，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)調(diào)整光伏組件的工作電壓，使其輸出功率隨之變化。若調(diào)整擾動(dòng)電壓的方向，光伏組件的輸出功率變大，則說明擾動(dòng)方向正確;若輸出功率變小，則需往相反方向調(diào)整擾動(dòng)電壓。流程圖如圖2 所示。
擾動(dòng)觀察法的經(jīng)典控制流程圖如圖3 所示。其中，D 表示DC/DC 變換器的占空比;Δd 表示步長;P(k) 表示調(diào)整k 次的功率;U(k) 表示調(diào)整k次的電壓。
由圖4 可知，當(dāng)擾動(dòng)步長較大時(shí)，如電壓從U3 調(diào)整到Um，則對應(yīng)功率為P3 變化到Pmax，統(tǒng)穩(wěn)態(tài)震蕩范圍大，能量損失也大;當(dāng)擾動(dòng)步長較小時(shí)，如從電壓U1 調(diào)整到U2，對應(yīng)的功從P1 變化到P2，雖然系統(tǒng)震蕩范圍小，但在環(huán)境變化較大時(shí)，跟蹤速度慢，所用的時(shí)間長，功率損失也較大。
2 MPPT 的優(yōu)化
為了解決上述問題，本文提出一種可根據(jù)擾動(dòng)結(jié)果來判斷外部環(huán)境突變和是否達(dá)到最大功率的簡易算法。當(dāng)外部環(huán)境突變時(shí)，通過加大步長來達(dá)到快速跟蹤最大功率的目的;當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)，通過縮短步長來達(dá)到減小震蕩的目的。該方法的流程圖如圖5 所示。
由圖5 可看到，擾動(dòng)后的結(jié)果共4 種，分別記為1、2、3、4。每次擾動(dòng)完成后，將擾動(dòng)結(jié)果存在寄存器Sn 中，S(n-1)、S(n-2)……表示前幾次的觀察結(jié)果，并比較最近n 次的擾動(dòng)結(jié)果。當(dāng)最近n 次的擾動(dòng)相同時(shí)，即視為環(huán)境突變，此時(shí)切換到大步長模式;當(dāng)最近n 次的擾動(dòng)結(jié)果不同時(shí)，即視為到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)切換到小步長模式。
為了避免系統(tǒng)在大步長模式和小步長模式之間頻繁切換，在設(shè)置步長時(shí)應(yīng)注意，大步長Δdmax 不得大于或等于n 倍小步長Δdmin。比如，當(dāng)n=4、Δdmin =0.02 時(shí)，必須滿足Δdmax<4Δdmin，此時(shí)Δdmax=0.05 較為合適。
3 優(yōu)化后的MPPT 應(yīng)用測試
圖6 為水泵負(fù)載測試電路圖，圖中光伏陣列表示電源，在給定一個(gè)電壓后，水泵開始工作，帶優(yōu)化的MPPT 控制器(CPU) 計(jì)算出的光伏組件輸出功率為初始值，隨后，CPU 通過改變IGBT的導(dǎo)通頻率給出一個(gè)擾動(dòng)電壓，CPU 再次計(jì)算光伏組件的輸出功率，一般給出6 組擾動(dòng)電壓，CPU 通過對比計(jì)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓幅度和方向，保證光伏組件在最短時(shí)間內(nèi)使輸出功率達(dá)到最大值，且能保證功率值的波動(dòng)幅度小，不會(huì)對控制系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。
通過觀察MPPT 擾動(dòng)觀察法取不同步長時(shí)對光伏水泵揚(yáng)水系統(tǒng)輸出功率的影響，對比總結(jié)優(yōu)化后的擾動(dòng)觀察法的優(yōu)勢。
圖7、圖8 是Δd 分別取0.02 和0.05 時(shí)的P-T 圖， 圖9 是Δd 取可變步長時(shí)(0.02～0.05)的P-T 圖。由圖7 可知，當(dāng)步長較小時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定( 最大功率點(diǎn)) 時(shí)所需時(shí)間較長，在外部環(huán)境變化頻繁的場合將損失較多的能量。
由圖8 可知，當(dāng)步長較大時(shí)，雖然系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間較短，但是系統(tǒng)在穩(wěn)定后的振幅較大，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，損失的能量較多。
圖9 是優(yōu)化過的步長可根據(jù)環(huán)境變化的P-T圖，可以看出，經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)既能較快的達(dá)到穩(wěn)定，又能減小系統(tǒng)在穩(wěn)定時(shí)的波動(dòng)。
4 應(yīng)用實(shí)例及測試
圖10 為優(yōu)化后的MPPT 在光伏水泵中的應(yīng)用，該水泵為交流水泵，揚(yáng)程為28 m、額定流量為4.2 m3/h、額定電流為4.5 A、額定電壓為220 V、功率為1.1 kW。其采用直接連接方式，具體配置為：光伏組件+ 控制器+ 電機(jī)+ 潛水泵。光伏陣列由10 塊240 W 多晶硅光伏組件串、并聯(lián)構(gòu)成，考慮到各種損耗和環(huán)境因素，其實(shí)際輸出功率約為1600 W，可滿足系統(tǒng)需求控制器采用優(yōu)化過的擾動(dòng)觀察算法的MPPT 和變頻逆變器，其主要工作內(nèi)容是通過檢測主回路電流電壓，計(jì)算出光伏陣列的輸出功率，同時(shí)給出信號，實(shí)現(xiàn)在調(diào)壓過程中對光伏陣列輸出最大功率的跟蹤。電機(jī)和潛水泵做成一個(gè)整體，該搭配由于受電機(jī)的功率等級、電壓等級等的影響，特別是很大程度上受到光伏陣列電壓和功率的制約，往往需要在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下專門設(shè)計(jì)，特別是處于變壓工作狀態(tài)時(shí)，需適應(yīng)較寬的電壓工作范圍;泵采用常用的容積泵;蓄水池的尺寸為5 m×5 m×3 m。
通過同樣的光照條件測試，在注水時(shí)間同為10 h 時(shí)，采用普通的MPPT 控制器的太陽能水泵注水高度為0.98 m，采用優(yōu)化后的MPPT 控制器的太陽能水泵注水高度為1.12 m。不僅效率提高了，由于系統(tǒng)受沖擊小，系統(tǒng)穩(wěn)定性和壽命也得到了很大的提高。
5 結(jié)論
通過優(yōu)化的MPPT 擾動(dòng)觀察法能夠解決擾動(dòng)觀察法的兩大難題，大幅縮短了系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間，減小了系統(tǒng)震動(dòng)幅度。在環(huán)境復(fù)雜的情況下也無需人工設(shè)定步長，具有一定的自適應(yīng)能力。相比普通MPPT 擾動(dòng)法，優(yōu)化后的MPPT 的綜合運(yùn)行效率得到了一定程度的提升。
文章來源：太陽能雜志（索緒洲）
