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光伏发电系统效益最大化的控制策略

日期:2019-06-11    来源:电气行家

国际太阳能光伏网

2019
06/11
11:31

关键词: 光伏发电系统 光伏产业 光伏电池

  由于太阳能电池的电压与电流并不是线性的关系,且在不同的大气条件下,因日照量与温度不同,每个工作曲线都不一样,每一个工作曲线均有一个不同的最大功率点(Pmax),此即为太阳能电池的最佳工作点。为了提高太阳能发电系统的效率并充分的运用太阳能电池,将太阳能电池的电压V和电流I检测后相乘得到功率P,然后判断太阳能电池此时的输出功率是否达到最大,若不在最大功率点运行,则调整脉宽调制输出的占空比D,改变充电电流,再次进行实时采样,并作出是否改变占空比的判断,通过这样寻优过程可保证太阳能电池始终运行在最大功率点,以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式,使充电电流成为脉冲电流,以减少蓄电池的极化,提高充电效率。
 
  定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking,CVT)是利用太阳能电池输出最大功率时的工作电压(MPPT)与开路电压V0存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。
 
  在太阳能光伏发电系统中,通常要求太阳能电池的输出功率始终最大,即系统要能跟踪太阳能电池输出的最大功率点。太阳能电池的伏安特性如图1所示,在图1中L是负载特性曲线,交点a、b、c、d、e对应于不同的工作点。可以看出,这些工作点并不正好落在太阳能电池提供的最大功率点(a′、b′、c′、d′、e′)处,这就不能充分利用在当前条件下太阳能电池所能提供的最大功率。因此,必须在太阳能电池和负载之间加入阻抗变换器,使得变换后的工作点正好和太阳能电池的最大功率点重合,使太阳能电池以最大功率输出,这就是所谓的太阳能电池的最大功率跟踪。
 
  从图1中可以看出,当温度一定时,太阳能电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近,这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压V=const的一根垂直线,亦即只要保持太阳能电池的输出端电压为常数,且等于某一日照强度下对应的最大功率点的电压,就可以大致保证在该温度下太阳能电池输出最大功率。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪(CVT),这就是CVT控制的理论依据。实现CVT的原理如图2所示。图中Vsp*是给定工作点电压,对应于某一温度下的最大功率点;Vsp是太阳能电池的实际输出电压。给定电压和实际电压比较后经过PI调节,调节结果与三角波比较得到PWM脉冲,驱动功率器件,从而调节太阳能电池的负载阻抗。不同的PWM脉宽对应不同的负载阻抗。
 
  CVT方式具有控制简单、可靠性高、稳定性好、易于实现等优点,比一般太阳能光伏发电系统可多获得20%的电能,较不带CVT的直接耦合要有利得多。但是,这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响。以单晶硅太阳能电池为例,当环境温度每升高1℃时,其开路电压下降率为0.35%~0.45%。这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区,CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。在太阳能电池阵列的功率输出随着温度变化的情况下,如果仍然采用恒定电压跟踪(CVT)控制策略,阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点,产生较大的功率损失。特别在有些情况,太阳能电池的结温升高比较明显,导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点,引起系统振荡。
 
  由于太阳能电池特性的i=f(v)关系是一个单值函数,因此,只要保证太阳能电池的输出电压在任何日照及温度下都能实时地保持为与该条件相对应的Vm值,就一定可以保证太阳能电池在任何瞬间都输出其最大功率。CVT控制结构如图3所示,它将太阳能电池工作电压作为反馈,达到稳定太阳能电池工作点电压的目的。
 
  实验表明:固定电压法在相同测试条件下,太阳能电池的输出功率至多为理论最大输出功率的88%,低于其它最大功率点控制方法。虽然该方法控制精度低,但是因其原理简单、易于实现,通常用于功率较小、日照情况稳定的工作场合。
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