光伏水泵系统中CVT及MPPT的控制比较
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法光伏并网控制系统的最大功率点跟踪(MPPT)方法【大比特导读】最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。
本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。
摘要：最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。
本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。
关键字：光伏发电系统，最大功率点跟踪，MPPT控制方法1 引言日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。
据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。
但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。
而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。
本文首先讨论了光伏组件本身的P-V，I-V特性，以及温度、光照的影响;然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。
2 光伏组件的特性A. 物理数学模型根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。
其中：IPH 与日照强度成正比的光生电流;I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A;n 二极管因子;q 电子电荷， ;K 玻尔兹曼常数， J/K;T绝对温度( K);RS光伏组件等效串联电阻;RP光伏组件等效并联电阻;式(1)中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。
B. 温度、光照对输出特性的影响受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。
基于MPPT控制的直流光伏水泵系统
基于MPPT控制的直流光伏水泵系统
设计与研究方向
该系统是采用单片机作为MPPT控制系统，ML4425电机驱动芯片作为直流水泵控制单元，具有宽电压光伏板输入，硬件水位传感器接入，软打干保护功能。
MPPT控制系统可根据当前光照的变化，实时调整输出电压、电流，使水泵时刻处于当前光照的所能
达到的最大工作频率。
直流光伏水泵系统所采用的MPPT控制方式有别于传统MPPT
控制器跟踪电压或功率的形式，以电机频率为采样样本，更贴合直流水泵实际的工况，大大提升直流光伏水泵的整体效率。
系统采用电机专用芯片，大大简化外围电路的设计，减少元件数量，增加系统的可靠性。
同时无霍尔传感器的设计，可以简化电机的
结构，节约成本，增加电机的使用寿命。
课题要求及成果：
掌握文献资料的查找及应用
运用PCB设计软件完成硬件设计
完成软件设计
根据设计要求完成样机的制作、调试
通过实验对比，证明此系统对直流光伏水泵的整体效率有提升
参考资料：
太阳能系统原理及设计、ML4425在电机控制中的应用、MPPT控制方式
对学生的要求：
本系统设计光机电多门学科的应用，要求学生了解太阳能发电的原理，电机驱动的原理，熟练应用PCB设计软件。
同时需要掌握各位调试工具（示波器、光伏模拟器等）
的运用方法。
光伏并网系统中MPPT常用算法及控制策略
光伏并网系统中MPPT常用算法及控制策略1。
1 光伏阵列的电气特性讨论光伏并网系统的控制策略,就必须首先要清楚光伏阵列的V-I，P-V特性，进而提出合理的控制解决方案。
1。
1.1 光伏电池的等效模型图1 光伏电池的等效模型图1是光伏电池（Solar Cell）等效模型。
它由理想电流源Is、反向并联二极管D、串联电阻Rs和并联电阻Rsh构成。
其中Is的值等于电池的短路电流，其大小反映了光伏电池所处环境的日照强度。
日照越强，Is越大;反之越小。
下式是光伏电池的I— V特性关系方程.理想情况下Rs，可近似为零，Rsh近似为无穷大，则上式可简化为式中，I为工作电流，Io为反向饱和电流，V为电池的输出电压，其余皆为常数。
这样，光伏电池的输出功率为：这表明光伏电池的输出功率是日照强度和温度的非线性函数，但是和电流和电压时一种比例关系。
1.1.2 光伏电池特性1、光伏器件输出特性为了更好的理解光伏电池的特性，根据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的光伏电池I—V、P—V特性曲线，如图2、3所示。
(1).电池结温不变，日照变化：图2 光照强度不同情况下I—V、P-V特性曲线图2为光伏电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I—V和P—V特性曲线,从图中可以得出以下结论：①光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系;光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大;②光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。
在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势；到达最大功率点后,输出功率开始快速下降,且下降速度远大于上升速度；③如图2（a)所示：在虚线A的左侧,光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。
虚线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90％；④如图2(b）所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。
(完整word版)光伏并网系统中MPPT常用算法及控制策略
光伏并网系统中 MPPT 常用算法及控制策略1.1光伏阵列的电气特性讨论光伏并网系统的控制策略，就必须首先要清楚光伏阵列的 控制解决方案。
1.1.1 光伏电池的等效模型图1光伏电池的等效模型图1是光伏电池(Solar Cell) 等效模型。
它由理想电流源 Is 、反向并联二极管 D 串联电阻R s 和并联电阻R sh 构成。
其中Is 的值等于电池的短路电流，其大小反映了光伏电池所处环境的日照强度。
日照越强，Is 越大；反之越小。
下式是光伏电池的I — V 特性关系方程。
理想情况下 Rs ,可近似为零，Rsh 近似为无穷大，则上式可简化为式中,V-I ，P-V 特性，进而提岀合理的I为工作电流，I o为反向饱和电流，V为电池的输岀电压，其余皆为常数。
这样，光伏电池的输出功率为:这表明光伏电池的输岀功率是日照强度和温度的非线性函数，但是和电流和电压时一种比例关系。
1.1.2 光伏电池特性1、光伏器件输出特性为了更好的理解光伏电池的特性，根据上面的结论，光伏电池的非线性函数关系绘制岀其在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的光伏电池I —V、P- V特性曲线，如图2、3所示。
(1).电池结温不变，日照变化(a) I-V特性曲线(B) P-V特性曲垛图2光照强度不同情况下I —V、P-V特性曲线图2为光伏电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I —V和P—V特性曲线，从图中可以得岀以下结论① 光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系 种日照条件下变化不大； ② 光伏电池的最大输岀功率随光照强度增强而变大， 且在同一日照环境下有唯一的最大输岀功率点。
在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势 ；到达最大功率点后， 输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；③ 如图2(a)所示：在虚线 A 的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。
虚线 A 对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的 90%;④ 如图2(b)所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输岀电压值基本不变。
几种光伏系统MPPT方法的分析与比较概要
几种光伏系统ＭＰＰＴ方法的分析与比较Analysis and Comparison of Several MPPT Methods for PV System华中科技大学徐鹏威，段善旭，刘飞，刘邦银Email:xcolder@ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＸｕＰｅｎｇｗｅｉ，ＤｕａｎＳｈａｎｘｕ，ＬｉｕＦｅｉ，ＬｉｕＢａｎｇｙｉｎ摘要：在太阳能发电的系统中需要对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。
本文分析了四种常见的最大功率跟踪方法，比较了其优缺点，为不同的系统选择不同的跟踪方法提供了理论依据。
Abstract：The photovoltaic (PV) system must contain a maximum power point tracking (MPPT) function. The advantages and weaknesses of four existing MPPT methods are compared and analyzed in this paper, and the basic rules for choosing the MPPT method are proposed.关键词：光伏系统；最大功率追踪；分析比较Keywords：PV system；MPPT；Analysis and comparison1 引言当前，由于全球性能源危机,世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。
在所有可再生能源利用中，光伏发电是其中一项重要的方案。
但是，由于太阳能电池具有明显的非线性特性，因此，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，需要对太阳能电池的输出最大功率点进行跟踪。
目前，最大功率点跟踪（MPPT: Maximum Power Point Tracking）的方法有很多，如恒定电压控制法，扰动观测法，导纳增量法，模糊控制法，基于预测数据的最大功率跟踪方法[1][2][3][4]等等。
光伏系统典型MPPT控制方法比较研究
大学电子信息学院 ， 湖 南 长沙 ４ １ ０ ０ １ １ ２ 、 苏州大学阳澄湖校 区自动控 制系， 江苏 苏州 ２ １ ５ １ ３ ７ ）
摘 要： 太阳能光伏组件是非稳定 电源， 为有效利用太 阳能 ， 必须对其进 行最大功率点跟踪（ ＭＰ ） 。论文分析 了光伏发 电 ＭＰ Ｐ Ｔ原 理， 提 出一种基 于占空比扰动 的 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ控制 方法 ， 在 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ中建立扰动观 察法和增量 电导 法仿真模 型 ， 仿真 结果显示两者均能 实现最 大 功率点跟踪 ， 增量 电导法性能要明显优 于扰动观察法 ， 但其硬 件要 求高。 研 究为光伏 发电 ＭＰ Ｐ Ｔ算法选择提供 了参考 ， 当系统精度要求高， 硬件能够满足控制要 求 ， 可以选择增量 电导法 ， 否则应考虑扰 动观 察法。 关键词 ： 最大功 率点跟踪 ； 扰 动观 察法； 增量电导法
光伏发电技术试题十二
一、单项选择题1．太阳是距离地球最近的恒星，由炽热气体构成的一个巨大球体，中心温度约为10的7次方K，表面温度接近5800K，主要由__B__(约占80%)和____(约占19%)组成。
A．氢、氧 B. 氢、氦C. 氮、氢D. 氮、氦2．在地球大气层之外，地球与太阳平均距离处，垂直于太方向的单位面积上的辐射能基本上为一个常数。
这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零（AM0）的辐射，其值为__A__。
A．1.367 kW/m2 B. 1.000 kW/m2C. 1.353 kW/m2D. 0.875 kW/m23.太阳电池是利用半导体__C__的半导体器件。
A．光热效应 B.热电效应C. 光生伏特效应D. 热斑效应4．在衡量太阳电池输出特性参数中，表征最大输出功率与太阳电池短路电流和开路电压乘积比值的是__B__。
A．转换效率 B.填充因子C. 光谱响应D. 方块电阻5.下列表征太阳电池的参数中，哪个不属于太阳电池电学性能的主要参数__D__。
A．开路电压 B.短路电流C. 填充因子D.掺杂浓度6．下列光伏系统器件中，能实现DC-AC（直流-交流）转换的器件是__C__。
A．太阳电池 B.蓄电池C. 逆变器D. 控制器7．太阳能光伏发电系统的装机容量通常以太阳电池组件的输出功率为单位，如果装机容量1GW，其相当于__C__W。
A．103 B.106C. 109D.10108．一个独立光伏系统，已知系统电压48V，蓄电池的标称电压为12V，那么需串联的蓄电池数量为__D__。
A．1 B. 2C. 3D. 49.某无人值守彩色电视差转站所用太阳能电源，其电压为24V，每天发射时间为15h,功耗20W；其余9小时为接收等候时间，功耗为5W，则负载每天耗电量为__D__。
A．25Ah B. 15AhC. 12.5AhD. 14.4Ah10．光伏逆变器常用的冷却方式（ C ）。
A．自然风冷 B. 水冷 C. 强风冷11．某单片太阳电池测得其填充因子为77.3%，其开路电压为0.62V，短路电流为5.24A,其测试输入功率为15.625W,则此太阳电池的光电转换效率为__A__。
浅谈光伏发电系统及MPPT
光伏阵列MPPT功能的研究和实现策略
由于光伏阵列具有明显的非线性特性,为了实现光伏 阵列在不同光强条件下的输出功率最大化,需要对光伏阵列 的最大功率点进行跟踪。使之工作在最大功率点电压处以 使太阳能电池板输出功率达到最大值,这个过程即最大功率 点跟踪(Maximum Power Point Tracking)。 从电路理论可得:在线性电路中,当外部负载等效阻抗 (ZL)与电源内阻抗(Zpv)成共轭时,外部负载可以获得最大输 出功率。在光伏发电系统中,虽然光伏电池和DC/DC变换 电路均为非线性,但在较短时间内,两者均可以看为线性电 路。因此可以把光伏阵列等效看成直流电源,DC/DC变换 电路看成外部负载。调节DC/DC变换电路的等效电阻,使 之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化,两者 动态负载匹配时就可以获得DC/DC变换器的最大输出功 率,实现太阳能电池的MPPT。
不与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为独立太阳能 光伏发电系统。一般来说,独立太阳能光伏发电系统主要由太阳能 电池方阵、MPPT控制器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负 载等部分组成。独立太阳能光伏发电系统的结构框图如下。
独立太阳能光伏发电 系统根据用电负载的特点, 可分为直流系统、交流系 统和交直流混合系统等几 种,其主要区别是系统中 是否带有逆变器。独立太 阳能光伏发电系统的工作 原理是光伏阵列首先将接 收来的太阳辐射能量直接 转换成电能供给负载,并 将多余能量经过充电控制 器后以化学能的形式储存 在蓄电池中,在日照不足 时,储存在蓄电池中的能 量供给直流负载使用或经 过逆变器后变成交流电能 供给交流负载使用。
光伏阵列的构成及其特性
光伏电池单元是光电转换的最小单元,一般不单独作为电 源使用。将光伏电池单元进行串、并联并封装后就成为太阳 电池组件,功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦,众多太阳电池 组件按需要再进行串、并联后形成太阳电池阵列,就构成了 “太阳能发电机”(Solar Generator)。 光伏电池工作环境的多种外部因素都会影响光伏电池的 性能指标,比如光照强度、环境温度、光谱响应等。光伏电池 的输出特性可以用曲线的形式表示出来,根据纵坐标的不同,分 为I-V和P-V特性曲线 。在一定条件下,光伏电池两端电压和电 流的对应关系在直角坐标下形成一条曲线,叫做光伏电池的伏 安特性曲线,即I-V曲线。可以看出,此I-V曲线具有高度的非线 性特征,这样就存在一个最大功率输出问题 。在P-V特性曲线 中,可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下 降,说明存在一个端电压值,在其附近可获得最大功率输出,这跟 I-V曲线说明了同一个问题。
光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究-鲁兵(修改后)
光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究Design of power optimizer and study on MPPT control method in PVcombiner box鲁兵黄远洋王卓北京华联电力工程监理有限公司（北京100067）摘要：在光伏系统中，汇流箱起到了汇集光伏阵列输出电流的功能，汇流箱中搭载的功率优化器具有实现光伏电池最大功率点跟踪的功能。
本文设计的光伏汇流箱中每个支路采用双重BOOST结构，MPPT 算法采用变步长电阻增量法。
由Simulink仿真可知，双重BOOST结构能够有效降低汇流箱输出电流纹波，在光照强度突变后，采用变步长电阻增量法的功率优化器可以使光伏系统快速稳定地达到新的最大功率点并且使各个电感电流均流。
关键词：光伏发电；功率优化器；MPPT算法；双重BOOST；Simulink引言太阳能资源丰富、低碳环保，作为清洁的可再生能源，在世界范围内引起广泛重视[1]。
在大型光伏系统中，由于逆变器直流侧电压高，输出功率大，所以应尽量避免光伏阵列同逆变器之间直接连线，同时为了系统的稳定运行，使系统发电效率达到最优，需要在光伏阵列和逆变器之间安装汇流箱[2]。
本文研究的汇流箱，搭载具有MPPT功能的功率优化器，增加了系统的可靠性。
功率优化器是一种基于DC-DC转换电路的调节器[3]，它具有提高光伏阵列发电效率的功能。
功率优化器的结构如图1中虚线框所示。
图1 功率优化器结构在光伏发电现场，由于阴影遮挡和地形方位不同等原因，往往造成光伏阵列失配问题，在大规模光伏发电场所，为汇流箱装配功率优化器可有效解决此问题。
功率优化器对光伏阵列输出的电压、电流信号采集，经过MPPT控制，使光伏阵列不断调整跟踪最大功率点。
功率优化器的关键技术就是MPPT算法。
国内外研究最多的MPPT算法有：定电压跟踪法（CVT）、扰动观测法（P&O）、电导增量法（INC）[4]等，在产品开发过程中如何选择MPPT算法至关重要。
光伏发电系统新型变步长MPPT控制方法
- 178 -光伏发电系统新型变步长MPPT 控制方法范佳佳 宋平岗（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）【摘 要】分析并网型光伏发电系统最大功率点跟踪原理，针对含有直流-直流（DC/DC）升压环节的两级系统，文章提出了一种新型简单实用变步长最大功率点跟踪（MPPT）控制方法。
系统只检测输出并网电流，并根据电流变化率di/dt 变步长改变占空比，实现最大功率点的快速跟踪。
仿真分析得，系统追踪最大功率点速度快，当外界条件发生变化时，系统能快速追踪到新的最大功率点并保持不变，稳定性好，输出功率平稳，波动小，证明了理论研究的正确性与可行性。
【关键词】并网；光伏发电；MPPT；变步长 【中图分类号】TM464 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1151(2010)10-0178-03（一）引言太阳能具有清洁、无污染、取之不尽用之不竭、分布面广等优点，已成为世界各国普遍研究的热点。
与此同时，光伏发电装机总量每年成倍增趋势，在世界发电总量中所占的比重也越来越大。
但是，光伏发电系统的一个主要缺点是其价格昂贵而发电效率却较低，这已成为限制其发展的主要因素之一[1]。
所有的光伏系统都希望电池阵列在同样的日照、温度条件下输出尽可能多的电能，提高发电效率，这也就是理论和实践上的太阳能电池阵列最大功率点跟踪MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。
目前，国内外常用的最大功率点跟踪控制方法大多是直接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向。
比较成熟的MPPT 方法有扰动观察法（爬山法）、增量电导法（INC）、恒定电压法（CVT）、滞环比较法、模糊逻辑控制法等。
其中工程中应用较多的控制方法为：扰动观察法和恒定电压法。
此类方法存在一个缺点，系统在追踪最大功率点时只能定步长跟踪，追踪速度较慢，会产生一定的能量流失。
另外，此类最大功率点跟踪控制方法一般直接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向[2]。
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光伏水泵系统中CVT 及MPPT 的控制比较a余世杰 何慧若 曹仁贤(合肥工业大学能源研究所,合肥230009)文 摘:光伏阵列的最大功率点跟踪器可使光伏水泵系统获得实时的最大功率输出。
出于方便及降低系统造价,世界上大多数国家的光伏水泵系统产品迄今仍采用恒定电压跟踪器(CVT ),以代替真正的最大功率点跟踪器(MPP T )。
本文通过计算机仿真进一步阐明了CVT 与MP PT 的区别并证明MP PT 在很大程度上优于CVT ,特别是对于冬、夏及全日内温差较大的场合。
关键词:光伏水泵,CVT ,M PP T ,仿真,比较0 引 言近几年光伏水泵系统数量在世界范围内迅速增长,特别是非洲、南美、澳洲及亚洲各国,其增长幅度相当大,印度近5年来新安装的光伏水泵系统约有4000台套,连能源供应远不算紧张的泰国,1992年以来也在其乡村安装了近千台光伏水泵系统,其它如马来西亚、印度尼西亚、孟加拉、缅甸等许多国家也都有一定幅度的增长。
其迅速增长的原因,不外是近几年来太阳电池、电力电子及微电子技术的快速发展及人们环保意识的不断增强,许多实例都进一步证明了光伏水泵系统的经济性要优于柴油机水泵,而且具有全自动、高可靠性、无人值守等特点,非常适合边远地区使用。
当然,许多国家都制定了相应的鼓励政策,这也是光伏水泵快速发展的原因之一。
由于CVT (恒定电压跟踪器)的制造相对简单,目前许多国家的产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的MPPT (最大功率点跟踪器),但这种方式所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价,已经显得很不经济。
本文通过对具体系统的计算机仿真阐明了MPPT 远较CVT 合理。
1 CVT 与MPPT硅太阳电池阵列具有如图1所示的伏安特性,在不同的日射强度下它与负载特性L 的交点,如a 、b 、c 、d 、e 等为系统当前的工作点。
可以看出,这些工作点并不正好落在阵列可能提供最大功率的那些点,如a ø、b ø、c ø、d ø、e ø上,这就不能充分利用在当前日射下阵列所能提供的最大功率,被浪费的阵列容量为如图1中阴影线所示的面积。
如果把在不同日射下阵列所能提供最大功率的点联起来,就构成了图1中曲线P max 所示的最大功率点轨迹线,任何时候都应设第19卷 第4期1998年10月 ACT A ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol .19,No.4Oct.,1998 a 本文1997-10-31收到图1 太阳电池阵列的伏安特性及其工作点法使系统的工作点落在这一轨迹线上,从电路匹配的角度看,这就需要一个阻抗变换器[1,2]。
为了实现这一阻抗变换,即实现把a 、b 、c 、d 、e 等工作点移到a ø、b ø、c ø、d ø、e ø等点上,人们发现当温度保持某一固定值时,后述之一些点几乎落在同一根垂直线的邻近两侧,这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U =const 的一根垂直线,亦即只要保持阵列的出端电压为常数且等于某一日射强度下相应于最大功率点的电压,就可以大致保证阵列输出在该一温度下的最大功率,把最大功率点跟踪器简化为一个稳压器,这就是CVT 跟踪的理论依据。
采用CVT 较之不带阻抗变换器的直接耦合要有利得多,对于一般光伏水泵系统可望多获得高至20%的扬水,但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响。
一般硅太阳电池的开路电压都在较大程度上受结温影响,对结温影响最大的因素当推环境温度和太阳辐照度,以常规单晶硅太阳电池而言,当环境温度每升高1℃时,其开路电压下降率约为0.35—0.45%[3,4,7],具体较准确的值可用实验测得,也可按所选太阳电池的数字模型计算得到[3]。
以我所用于新疆的某一阵列为例,经计算及实测,阵列在环境温度为25℃时开路电压为363.6V,当环境温度为60℃时下降至299V (均在相同的太阳辐照度900W/m 2、未计环境风力的情况下),其下降幅度为17.5%,这是一个不容忽视的影响。
可以肯定,特别是对于那些一年四季或每天晨、午温差比较大的地区,温度将在相当大程度上影响到光伏水泵的扬水量,而这一点采用CVT 跟踪是无法克服的。
2 MPPT的控制方式图2 M PPT 的控制框图 MPPT 的实现实质上是一个自寻优过程[4-6],通过对阵列当前输出电压与电流的检测,得到当前阵列输出功率,再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较,舍小存大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,便可使阵列动态地工作在最大功率点上,其控制框图示于图2。
图3 MP PT 的控制过程 在实施过程中可按图3表明的规律不断地给阵列输出电压的脉宽以增量(±$U )。
设测得阵列当前的输出功率为P d ,被存储的前一时刻的记忆功率为P i ,若通过乘法器测得有:P d >P j ,则取U =U +$U 后再测、再比、再修改脉宽;反之,若测得有:P d <P j ,则取U =U -$U 后再测、再比、再修改脉宽。
如此可实时搜索到阵列的最大输出功率点并动态地保持它。
在进行寻优搜索的程序流程(略)中引入了一个参考电压U ref ,是为了让U d 不断地跟踪它,在寻优过程中不断地更新U ref 使它逐渐逼近相应于阵列最大功率点的电压U m ,U jj 为前两次的阵列电压采样值。
由于阵列395 4期 余世杰等:光伏水泵系统中CVT 及MPP T 的控制比较特性的I=f(U)关系是一个单值函数,因此只要保证阵列的输出电压在任何太阳辐照度及温度下都能实时地保持为与该一太阳辐照度及温度相应的U m值,就一定可以保证阵列在任何瞬间都输出其最大功率。
3 仿真用数学模型计算机仿真选用的单晶硅太阳电池数学模型[5]如下:I L=I ph-I01{exp[(U+I L·R S)/(A1·U T)]-1}-I02{exp[(U+I L·R S)/(A2·U T)]-1}-[(U+I L·R S)/R P](1)其相应的等效电路如图4所示。
式(1)中各符号与图4中各元件的含义是:I ph、I L、I01、I02、U、R S、R P、A1、A2分别为单晶硅单元太阳电池的光生电流、负载电流、反向电流、出端电压、等效串联电阻、等效并联电阻和双二极管等效电路中的二极管因子。
本仿真模型中取A1=1、A2=2。
其中,I01、I02受温度的影响较大,对于当前我国及世界各国生产的单晶硅太阳能电池,其受温度影响的程度可用下述关系描述:I01≈T3·exp(-E g/K T)(2)I02≈T5/2·exp(-E g/K T)(3)对单晶硅太阳电池,其禁带宽度E g在本仿真中取为E g=1.15eV,温度电压U T=K T/q,波尔兹曼常数K=1.38·10-23,单元电荷q=1.6·10-19C,T为以绝对温度表示的结温。
图4 单晶硅单元太阳电池等效电路图 阵列温度(本模型中视阵列温度为结温)与环境温度不能等同,阵列温度除与环境温度、太阳辐照度有密切关系外,还与散热条件、风速、风向等有关,这里暂时只忽略风速、风向的影响,对于一般用角钢或角铝构成的阵列支架,按下列由实验数据逼近而得的表达式[7]可以获得较满意的修正:T ar r=- 2.0+1.02T su r+0.03·S(4)式中,T ar r为阵列温度,T sur为环境温度,S为太阳辐照度。
4 CVT与MPPT在光伏水泵系统中效果分析为简明地说明问题,本文以新疆吐鲁番盆地正在运行的2.5kW光伏水泵站的参数为例,通过仿真阐明二者的差异。
该站所用光伏阵列的实际容量及其参数在T=25℃、AM1.5、S= 1000W/m2的条件下为:阵列的标称最大输出功率 P m=2376W(33W×18串×4并)阵列相应于最大功率点的电压 U m=291.6V系统采用CVT以跟踪最大功率点,出厂时已整定的U CVT=290V。
据土鲁番地区提供的气象资料表明,该地区夏季中午的最高温度可达80℃,按常规考虑,在光伏水泵中午扬水高峰时间内土鲁番盆地的环境温度也在60—70℃之间,而冬季土鲁番盆地中午的环境温度常是0℃左右, 396太 阳 能 学 报19卷 化。
图5给出了相应于环境温度为0℃时与50℃时阵列的U (I )特性及给定之U CVT的位置。
图5 环境温度为0℃及60℃时阵列U (I )特性与U CVT 的位置 由图5可以清楚地看到,U C VT =290V 在夏季不能使水泵有效地工作,为了保证夏季能有效地扬水,不得不把U CVT 的值在出厂时下调到220V 左右,而这一点正好意味着在冬季必须承受相应于图中虚线所示面积的功率损失。
仿真的结果表明,该泵站系统在保持扬程30m 时瞬时输入功率与瞬时扬水量之间的关系如图6所示。
为了能有统一明确的比较条件,取统一的日辐照度分布曲线如图7所示、取土鲁番地区冬季及夏季日环境温度在日照期间的变化典型化为如图8所示的分布曲线。
图6 系统瞬时输入功率与水泵瞬时流量之间的关系 在图8与图9所示的日照及温度变化条件下,系统相应于最大功率点的电压在冬、夏季内漂移于200—310V 如此大的范围之间。
如取U C VT 为210V,仿真表明该站夏季日扬水量为58m 3;如在冬季调整U CVT =310V,仿真结果表明,在同样的其它条件下日扬水量可增至88m 3。
显然,如终年固定选择仅适合于夏日的U CVT 值,则这种VCT 跟踪方式相比于MPPT 来说,白白地浪费了冬季的日出水能力。
当选U CVT =290V 时,该系统在冬季某全晴日内于新疆测得的实际日出水能力为78—80m 3,那是由于该日虽全晴,但其实际日射条件较图7所示为差,以及此时U C VT 已偏于适配当时环境温度下的U max 之故。
该泵站由于必须考虑夏日用水,因而不得不将U C VT 值整定于兼顾冬、夏,但对冬、夏来说都不是理想的量值上,这也就意味着不得不放弃冬、夏有可能多获得的能量。
图7 供比较的统一日辐照度H 分布图8 供比较的冬、夏典型温度变化 事实上,日射及温度的变化具有极大的随机性,很难作出可以重复出现的准确定量计算,但从上述仿真结果足可以看出CVT 与MPPT 之间的效果差异很大。
该泵站以全年250个太阳日、每日损失的扬水能力按10m 3计,则全年损失的扬水能力将达2500m 3,土鲁番盆地水价397 4期 余世杰等:光伏水泵系统中CVT 及MPP T 的控制比较398太 阳 能 学 报19卷 远超过1.0元/m3,因此由于采用CVT而导致的经济损失将超过2500元/年,而2.5kW级光伏水泵的CVT装置与MPPT装置之间的成本差异仅数百元,一个季度增加的水价即可回收全部增加的硬件投资。