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带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析(20180814100242)

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带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析(20180814100242)

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net文章编号 025420096 2006 1221196206带蓄电池的光伏系统中 MPPT 充电效果理论分析收稿日期 2005208213基金项目 2004年国家十五攻关项目 2004BA411A09;2004BA411A19陈 维 1 ,2 ,3 , 沈 辉 311 中国科学院广州能源研究所 , 广州 510070; 21中国科技大学 , 合肥 230026;31 中山大学太阳能系统研究所 , 广州 510275摘 要 通过对太阳电池组件平面辐照 、 太阳电池组件特性以及蓄电池负载数学模型计算 ,分别对北京和广州地区两种典型气候条件下应用 MPPT 与直接耦合方式的输出情况进行比较和研究 ,发现在广州地区 MPPT 的应用意义不大 ,而在北京地区冬季则能够明显增加太阳电池组件的输出 。 在带蓄电池的光伏系统中影响 MPPT 控制器发挥效能的因素被分析和研究 ,要综合当地全年气温变化 、 负载状况 、 经济性以及可靠性等多方面考虑 MPPT 的应用 。关键词 光伏系统 ;蓄电池 ;最大功率跟踪 ;匹配性能中图分类号 TK512 文献标识码 A0 前 言在光伏系统中都希望太阳电池在同样的日照、温度条件下输出尽可能多的电能 ,这也就是理论和实践上提出太阳电池最大功率跟踪的必要性 。目前MPPT技术一般用在大型光伏电站 ,尤其适用并网发电系统 。 由于 MPPT控制器的采用可以降低光伏系统的太阳电池组件配置功率 ,从而降低系统成本 ,使其性能价格比得到有效提高 ,因此 MPPT 技术必将在光伏系统中得到广泛应用 。如图 1 所示 ,常用光伏系统设计中 ,蓄电池充电曲线在光伏电池性能曲线最大功率点附近 , 因此一图 1 蓄电池充电时 I2V 曲线Fig11 Charging characteristic of storage battery般都没有设置 MPPT 电路 ,而由太阳电池直接给蓄电池充电 。 由图 2 所示 ,太阳电池的工作电压随着温度升高而下降 ,而蓄电池的充放电电压随充电电流升高而增加 , 在太阳电池组件中为了保证夏天高温天气能对蓄电池正常充电 ,组件的标准峰值工作电压一般比较大 ,从而使太阳电池通常有较大一段图 2 太阳电池组件在不同温度下的 I2V 曲线Fig12 I2V curve of solar module with different temperature第 27 卷 第 12 期2006 年 12 月太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol127 , No112Dec. ,2006 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net区间没有真正工作在最大功率点 ,造成太阳电池以及蓄电池配置容量增加 ,增大了光伏系统的成本 。采用 MPPT控制技术在温差变化较大的场合 ,特别是对于冬 、 夏以及全日温差较大的地区有明显的技术意义 。 MPPT跟踪可以挽回由于温度变化而导致的系统失配损失 ,能有效提高太阳电池的输出 。然而 ,MPPT电路也要消耗一部分电能 ,存在转换效率的问题 ,在使用 MPPT增大对蓄电池充电时 ,必须使增加的能量大于 MPPT自身损耗的能量 ,否则采用MPPT就失去意义。 本文通过数学模型模拟计算的方法 ,对在北京和广州地区两种典型气候条件下采用MPPT的效果进行了理论分析。1 计算模型111 倾斜面辐照模型太阳电池组件每小时的发电量由组件平面上每小时接受到的平均光强、 环境温度和组件特性以及负载特性决定 。 由于太阳电池方阵通常与地面成一定倾角安装 ,在计算太阳电池组件每小时的输出时 ,需要将水平面上实测的辐射强度数据折算到组件平面上的相应值 。 Hay[1 ] 的天空散射各向异性模型常用于此目的 ,其表达式为 HT HB RB HD [ RB HBΠ H0 015 1 - HBΠ H01 cosβ ] 015ρ H 1 - cosβ 1RB cosθ iΠ cosθ z入射角 θ i cos- 1 [cosθ z cosβ sinθ z sinβ cosγ s - γ [2 ]天顶角 θ z cos- 1 [ sinδ sin cosδ coscosω ] [3 ]太阳方位角 γ s σ ewσ nsγ so 1 - σ ewσ ns2 σ ω 180 [3 ]式中 γ so sin - 1 sinω cosδsinθzσ ew 1 |ω | ≤ ω eω- 1 其他σ ns 1 - δ ≥ 0- 1 其他σ ω 1 ω ≥ 0- 1 其他ω ew arccostanδ Π tan 式中 ,β 斜面倾角 ;ρ 地物表面反 射 率 ;θ i 入射角 ,太阳辐射与所研究表面法线间的夹角 ;θ z 太阳天顶角 ; 纬度 ;δ 赤纬 ,当天赤纬角为在太阳时正午 ,太阳光线与赤道平面的夹角 ;α 太阳高度角 ;γ 表面方位角 ,所研究表面法线水平面的投影与正北方向的夹角 ;γ s 太阳方位角 ,太阳辐射水平面的投影与正北方向的夹角 。112 负载特性在配有蓄电池的光伏系统中 ,太阳电池方阵向蓄电池充电 ,蓄电池又通过负载放电 。蓄电池的充放电伏安特性可以表示为 VL VB IL Rb 2式中 ,VB 蓄电池内电动势 ; Rb 蓄电池的内阻 。113 表征太阳电池特性数学模型如图 3 所示 ,太阳电池阵列有 N s 块太阳电池连接时 ,在光照条件下根据 Kirchoff 定律 IL Iph - I d - I sh 3Iph HT1000I SC0 1 RSΠ RSHId I0exp[ q VL IL RS Π N KTNS ] - I0Ish VL IL RS Π RSH式中 , I ph 太阳电池的光生电流 ; I0 太阳电池的暗电流 , 包括 N 、 P 型区的扩散电流 、 结区的复合电流等 , I 0 3186 10- 5 A ; q 电子电荷 ; IL 电池 的 输 出 电 流 ; VL 太 阳 电 池 的 输 出 电 压 ;K 波尔兹曼常数 ; T 绝对温度 。图 3 太阳电池阵列单二极管模型等价电路图Fig13 Equivalent circuit diagram of solararray basedon single diode model114 太阳电池组件产电以及负载匹配因子计算MPPT电路一般是通过 BUCK 或 BOOST型电路的 DCΠ DC 变换电路 ,要求有较高的转换效率 ,一般在 90 以上 。 同时在使用 MPPT控制器时存在着系统匹配的问题 ,DCΠ DC 变换电路的设计与 PV组件功12 期 陈 维等 带蓄电池的光伏系统中 MPPT 充电效果理论分析 1197 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net率 、 负载大小要匹配 ,当匹配接近设计功率时效率更高 。 光伏系统工作时 ,太阳辐照强度变化很大 如图4 所示 ,当太阳辐照度很低以及光伏组件输出功率与 MPPT控制器名义设计功率相比很小时 , MPPT控制器的效率很低 。 因此在计算太阳电池组件的输出功率时 ,必须考虑 MPPT控制器在不同匹配下效率的变化 。图 4 MPPT 控制器在不同匹配下效率特性曲线Fig14 Efficiency characteristicof MPPTcontrollerwith different matching注 图中 POUT为光伏组件输出功率 ; PNOM 为 MPPT 控制器设计名义功率使用 MPPT控制器的太阳电池组件输出功率计算 PMPPT Pmp η M 4使用 MPPT控制器太阳电池组件产出电能 EMPPT 1b - a∫baPMPPT t d t 5可以通过下面的公式计算太阳电池组件工作在最大功率点时的电流、 电压 [4 ] Imp ISC0 1 - C1 exp VMP -Δ VC2 VOC0 - 1 Δ I 6式中 ,C1 1 - Imp0Π ISC0 exp[ - V mp0Π C2 VOC0 ]C2 VMP0Π VOC0 - 1ln 1 - IMP0Π ISC0 Vmp VMP0[1 010539lgHT1000 ] β 0Δ T 7Δ V Vmp - VMP0Δ I α 0 HT1000 Δ T HT1000 - 1 ISC0 ;Δ T Tcell - 25Tcell TA 0103 HT太阳电池阵列工作在最大工作点时的输出功率 Pmp Imp Vmp 8蓄电池充电负载功率 PL IL VL 9充入蓄电池的电能 EL 1b - a∫baPL t d t 10太阳电池组件最大产生电能 Emax 1b - a∫ba Pmp t d t 11匹配因子是太阳电池方阵提供给负载的实际输入能量与其本身所能提供的最大能量之比 ,也就是 μ t EL tEmax t 122 结果与分析按照以上给出的模型对使用 MPPT控制器和蓄电池直接耦合两种方式时系统工作状况进行了模拟研究 ,该独立光伏系统由 标准测试条件下 ,峰值功率 Pmp 100Wp ,峰值电压 Vmp 1715V ,峰值电流 I mp 5171A 的太阳电池组件 太阳电池板朝南按照北京 、 广州地区的当地纬度倾斜布置 和 12V ,100AH免维护铅酸蓄电池以及每天工作 8h 的 20W 的直流节能灯负载组成 。图 5 、 图 6 给出了在北京和广州地区采用 MPPT控制器以及蓄电池直接耦合两种方法在 1 月和 7 月一天中产出电能的变化曲线图 。 从图 5 和图 6 可以看出 ,1 月份北京和广州地区采用 MPPT方式相对于直接耦合方式太阳电池组件对蓄电池充电获得的电能都有增加 ,在北京地区增幅更明显 ,全天产电增加了 1411 ,而广州地区增幅则较小 ,全天产电增加了318 ;7 月份 ,北京和广州地区都不采用 MPPT的蓄电池直接耦合方式太阳电池组件对蓄电池充电获得的电能反而要大于采用 MPPT方式的 。我们发现冬季 MPPT方式比夏季时作用更明显 ,如图 9 所示 ,由于采用蓄电池直接耦合充电时冬季的匹配因子都要比夏季时低 ,这时 MPPT 控制器的作用就更明显 。主要是因为冬季的低温导致的系统失配损失更大 ,此外由于冬季的太阳辐照一般比夏季差 ,因此蓄电池通常的充电状态也处在低充电状态 ,这样蓄电池的端电压也较低 ,进一步引起太阳电池组件与蓄电池间的失配 。1198 太 阳 能 学 报 27 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net图 5 北京地区采用 MPPT 方式与直接耦合方式1 月和 7 月一天产出电能变化曲线Fig15 Comparison of solar module outputbetweenMPPT applied and battery directly coupledin one day of January and July at Beijing图 6 广州地区采用 MPPT 方式与直接耦合方式在 1 月和 7 月一天产出电能变化曲线Fig16 Comparison of solar module output betweenMPPT applied and battery directly coupled in oneday of January and July at Guangzhou图 7 和图 8 是北京和广州地区采用 MPPT方式与直接耦合方式月产出电能以及月平均温度变化 。从图 7 可以看出在冬半年的几个月北京地区采用MPPT相对于蓄电池直接耦合太阳电池板产出电能有较大增幅 ,而在下半年 MPPT方式和蓄电池直接耦合产出电能相差不大 ,甚至在 5~ 8 月还出现负增长 ,虽然全年来看 MPPT方式只比耦合方式仅多产出电能 314 , 然而从表 1 可以看出 ,北京地区在冬季的 1 月和 12月的增幅分别是 1219 和 1116 ,这个增长是很明显的 。 由于冬季的太阳辐照比夏季小以及用在太阳能路灯等冬季耗电量大的季节性负载上 ,冬季产电量的增加 ,对在光伏系统设计中减少太阳电池组件和蓄电池的容量及降低成本很有帮助 。图 7 北京地区采用 MPPT 方式与直接耦合方式典型月产出电能及月平均温度变化Fig17 Comparison of solar module monthly outputbetweenMPPT applied and battery directlycoupled ,and variancy of monthly externaltemperature in a year at Beijing图 8 广州地区采用 MPPT 方式与直接耦合方式典型月产出电能及月平均温度变化Fig18 Comparison of solar module monthly outputbetweenMPPT applied and battery directlycoupled ,and variancy of monthly externaltemperature in a year at Guangzhou12 期 陈 维等 带蓄电池的光伏系统中 MPPT 充电效果理论分析 1199 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net从图 8 可以看出 ,广州地区采用 MPPT方式相对于蓄电池直接耦合太阳电池板产出电能全年都很接近 ,从表 1 可以看出 ,在全年月平均气温最低的 1 月份 ,MPPT方式也只比直接耦合方式多产出电能 213 ,而且在全年大部分月份都是负增长 ,全年产电反而减少了 115 ,因此可以说在中国南方的广州等地区带蓄电池的光伏系统采用 MPPT的作用不大 。表 1 北京和广州地区采用 MPPT 相对于蓄电池直接耦合太阳能电池板产出电能增幅Table 1 The monthly increment of solar module output with MPPT applied 单位 地区月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12北京 1219 916 516 212 - 014 - 119 - 310 - 214 311 314 719 1116广州 213 116 - 219 - 317 - 410 - 317 - 312 - 315 - 213 - 115 016 210图 9 是北京和广州地区采用蓄电池直接耦合方式充电时月平均匹配因子变化 ,相比而言 ,北京地区的月平均匹配因子波动较大 从 1 月份的最小值0184 到 7 月份的最大值 0196 ;而广州地区的月平均匹配因子则变化比较平缓 全年都在 0190 以上 ,最大值是 8 月份的 0197 。北京和广州地区在夏季的匹配因子相差不大 ,然而冬季的匹配因子却差别较大 ,主要是因为广州地区处在亚热带 ,全年气温较高 ,从图 8 可以看出在广州地区 1 月全年月最低平均气温也在 15 ℃ 左右 ,而北京地区冬季的气温则低得多 ,全年最低月平均温度低至 - 4 ℃ 。分析图 7~图 9 ,发现当蓄电池直接耦合匹配因子越小时 ,MPPT相对于直接耦合方式增加电能越多 ,MPPT的意义越明显 ;当匹配因子达到 0194以上时 ,由于采用 MPPT方式的电路本身要消耗一部分能量 ,这时 MPPT方式反而比蓄电池直接耦合方式产出的电能还少 。图 9 北京和广州地区采用蓄电池直接耦合充电时月平均匹配因子变化Fig19 Comparison of monthly matching factor solardirect2coupling system betweenBeijing and Guangzhou3 结 语在带蓄电池的光伏系统中是否选择采用 MPPT控制方式要综合当地全年气温变化 、 负载状况 、 经济性以及可靠性等多方面因素考虑 。1 使用 MPPT控制方式要使系统的控制器成本增加 ,应当保证采用 MPPT后光伏阵列和蓄电池容量降低的成本要大于系统控制器增加的成本 ;2 MPPT控制器的效果受气候因素影响最大 ,在以广州为代表的华南地区属于亚热带气候 ,全年气温都比较高 ,此时带蓄电池的光伏系统中使用 MPPT控制器的作用不大 。 而在全年温差变化比较大的中国北方地区 ,采用 MPPT控制方式意义比较明显 ,能够很大的增加冬季系统产能 ,降低系统太阳电池组件和蓄电池容量 ,减少成本 。若在全年气温都比较低的地区 ,则可以通过减少组件串联电池片个数的方式调节太阳电池组件和蓄电池间的匹配 ,这种方式更可靠和经济 ;3 论文中提到的 MPPT控制器效率参数一般只有在大 、 中型光伏系统中才能达到 ,而在小型光伏系统中 ,比如太阳能路灯等小功率的光伏系统 200Wp以下 中 ,在目前技术条件下 ,通常 MPPT控制器效率很低 ,一般只有 65 ~ 80 ,因此即使在温差比较大的北方地区带蓄电池的小型光伏系统中使用MPPT控制器意义也不是很明显 。通过对光伏组件平面辐照 、 光伏组件特性以及蓄电池负载数学模型计算 ,对在北京和广州地区两种典型气候条件下应用 MPPT控制方式的效果进行了理论研究 ,研究结果对太阳能光伏系统中的控制器设计有一定的指导意义 ,详细的数值分析 、 实验研究工作将在以后进一步完成 。符号HT 倾斜面上的太阳总辐射强度 ,WΠ m2 ;H 水平面上的太阳总辐射强度 ,WΠ m2 ;HB 水平面上的太阳直接辐射强度 ,WΠ m2 ;HD 水平面上的天空散射辐射强度 ,WΠ m2 ;1200 太 阳 能 学 报 27 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.netH0 大气层外水平辐照量 , H0 1367WΠ m2 ;RB 倾斜面和水平面上直接辐照量的比值 ;β 斜面倾角 ;VL 负载工作电压 ;VB 蓄电池内电动势 ;Rb 蓄电池的内阻 ;IL 负载工作电流 ;Iph 太阳电池的光生电流 ;I d 太阳电池二极管漏电流 ;I sh 太阳电池并联电阻漏电流 ;μ 太阳电池阵列负载匹配因子 ;Ε L 太阳电池阵列提供给负载的实际输入能量 ;Emax 太阳电池阵列所能提供的最大能量 ;I SC0 标准测试条件下太阳电池阵列的短路电流 ;Imp0 标准测试条件下太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电流 ;Vmp0 标准测试条件下太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电压 ;Imp 太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电流 ;Vmp 太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电压 ;Pmp 太阳电池阵列工作在最大工作点时输出功率 ;η M MPPT 器件在不同输出情况下的效率 ;PMPPT 应用最大功率跟踪时负载实际输入功率 。[ 参考文献 ][ 1] HayJ E. Calculation of monthly mean solar radiation for hori2zontal and inclined surface [J ]. Solar Energy ,1979 ,23 4 301 307.[2 ] Braun J E , Mitchell J C. Solar geometryfor fixed and track2ing surfaces[J ]. Solar Energy , 1983 ,31 5 439 444.[3 ] 郭廷玮 , 等 . 太阳能的利用 [M] 1 北京 科技文献出版社 ,1987 , 22 30.[4 ] 艾 斌 , 等 . 风光互补发电系统的优化设计 I CAD 设计方法 [J ]. 太阳能学报 ,2003 ,24 5 717 722.INVESTIGATION ON FUNCTION OF MPPT FORPHOTOVOL TAIC SYSTEM WITH STORAGE BATTER YChen Wei1 ,2 ,3 , Shen Hui31. Guangzhou Institute of Energy conversion , CAS , Guangzhou 510070, China ;2. University of Science and Technology of China , Hefei 230026, China ;3. Solar system research institute of Sun Yat2SEN university , Guangzhou 510275 , China Abstract In the photovoltaic systemwith storagebattery, when MPPT maxium power point tracking was used to en2hanceoutput for battery charging,the enhancementmust be greaterthan the internal efficiency of the device itself , ortherewill be no net gain at all. Solar module output performancebetweenMPPT and battery directly coupled systemforthe typical climate of Beijing and Guangzhouin China were compared and analyzedwith the mathematicmodels of PVmodule ,storagebattery and models for the estimatingthe hourly irradiation on the module slopeplane ,it wasfound thateffectof MPPT at Guangzhouwas not very obvious,however,in Beijing MPPT can largerly enhancethe output of the PVmodules in the winter1The factor influencing the usageof controller with MPPT was analyzedand discussed. The resultshowthat the using MPPT must considerannual temperature change,load status,economyand reliability in all together.Keywords photovoltaic system;storagebattery;MPPT;matching performance联系人 E2mail shenhui1956163. com12 期 陈 维等 带蓄电池的光伏系统中 MPPT 充电效果理论分析 1201

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