光伏水泵系统中CVT及MPPT的控制比较

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 PPT , 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?、 b?、 c?、 d?、 e?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?、 b?、 c?、 d?、 e?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/ m2、 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 Ud 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 Um 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 - I 01{exp[ ( U+ I L · RS )/ ( A 1 · U T) ] - 1}- I 02{exp[ ( U + I L · R S) / ( A 2· U T )] - 1}- [ ( U + I L· R S) / RP]( 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、 I 01 、 I 02 、 U、RS、 RP 、 A 1、 A 2 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、 A 2= 2。其中 , I 01、 I 02 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 :I 01 ≈ T 3· exp( - E g/ K T ) ( 2)I 02 ≈ T 5/ 2· exp( - E g/ K T ) ( 3)对单晶硅太阳电池 , 其禁带宽度 Eg 在本仿真中取为 E g= 1. 15eV, 温度电压 UT = 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 arr= - 2. 0+ 1. 02T su r + 0. 03· S ( 4)式中 , T arr 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℃、 AM 1. 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 Um = 291. 6V系统采用 CVT 以跟踪最大功率点 , 出厂时已整定的 UCVT = 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 UCVT 的 位置由图 5 可以清楚地看到 , U CVT = 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 CVT 为 210V,仿真表明该站夏季日扬水量为 58m3; 如在冬季调整UCVT = 310V, 仿真结果表明 , 在同样的其它条件下日扬水量可增至 88m3。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 CVT 已偏于适配当时环境温度下的 Umax 之故。 该泵站由于必须考虑夏日用水 , 因而不得不将 U CVT 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 2500m3, 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。5 结 论硅太阳电池的开路电压在很大程度上受温度的影响 , 其伏安特性也随时在改变 , CVT 装置不能适应这种改变 , 只能迫使阵列在温度升高时无法避免之效率降低的基础上 , 再附加一个失配的损失。 MPPT 跟踪可挽回由于温度变化而导致的系统失配损失 , 特别是对于冬、 夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济、 技术意义。参 考 文 献1 余世杰等 . 光伏水泵系统的最大功率点跟踪器 . 太阳能学报 , 1991, 12( 3) : 2252 沈维祥等 . 光伏水泵系统实验研究 . 太阳能学报 , 1993, 14( 3) : 2743 赵富鑫 , 魏彦章主编 . 太阳电池及其应用 . 北京 : 北京国防工业出版社 , 19854 曹仁贤等 . 微处理器光伏水泵 SPWM 变频器的设计 . 太阳能学报 , 1997, 18( 1) : 595 H Kar l. Phot ovoltaische Anlagentechnik . M anuskript , Universit aet Stuttgart , 19896 Engenio Fa llella etal. Ar chitectural and Design Issues on Optimal Management on Potovolt aic PumpingSystem. I EEE on Industr ial Electr onics, 1991, ( 38) : 3087 京特·莱纳 , 余世杰等译 . 太阳能的光伏利用 . 合肥 : 合肥工业大学 , 19918 罗祥 . 高性能的光伏水泵专用型逆变器 : [ 硕士论文 ] . 合肥 : 合肥工业大学 , 19979 战福忠 . 光伏供电的最大功率点自动跟踪 . 新能源 , 1992, 1A COMPARISON BETWEEN CVT AND MPPT CONTROL INPHOTOVOLTAIC WATER PUMPING SYSTEMYu Shijie He Huiruo Cao Renxian( Energy Research I nstitute , H ef ei Univer sity of Technology H ef ei 230009)Abstr act: The majority of photovoltaic water pumping systems produced in the factories areworldwide equipped with constant voltage tr acker ( CVT ) instead of maximal power pointtracker ( MPPT ) for tr acking the maximal power output of solar cell array. Although the pro-duction cost of the CVT is a lower than that of MPPT, the simulation r esults show that theMPPT control is much advantageous in comparison with the CVT , especially for the r egions,where ther e the larger difference of the temperature throughout the year or even in a day ap-pears fr equently .Keywords : photovoltaic water pumping system, simulation, CVT & MPPT contr ol, compari-son398 太 阳 能 学 报 19 卷