45!!!!太阳电池最大功率点跟踪的三点比较法理论分析

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net基金项目 :广西自然科学基金项目 (0542046 )太阳电池最大功率点跟踪的三点比较法理论分析龙腾飞 ,丁宣浩 ,蔡如华(桂林电子科技大学 数学与计算科学学院 , 广西 桂林 541004)摘要 :通过对太阳能光伏系统伏安特性的分析 ,在扰动观察法基础上提出 “三点比较法” 实现最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking ,MPP ) 。 本文采用新的最大功率点 ( MPP ) 判别条件 ,利用常量V d 调整电压的步长 Δ V 来控制算法的结束 ,使得在日照强度急剧变化的情况下 ,系统并不随日照强度的快速改变而盲目移动操作点 ,克服了 “扰动观察法” 误判而导致的部分功率损失 。并且给出了初值Δ V , Vd ,阈值 ε 的确定方法 。关键词 :光伏系统 ;伏安特性 ;MPPT ;三点比较法中图分类号 : T K514 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 7948 ( 2007) 08 - 0014 - 041 引言利用太阳能光伏系统发电节约了传统能源 ,但造价高 ,转化效率较低 ,而且系统的输出电压 、 电流对电池板温度和日照强度的变化非常敏感 ,两者的微小变化都可引起电压和电流的大幅度改变 ,造成能量损耗 。 为了得到最佳能量利用效率使电池时刻处于最佳输出状态 ,有必要采取措施使输出功率自动跟踪外部光强的变化 。要实现这种自动跟踪 ,最常用的方法是最大功率点跟踪法 (Maximum PowerPoint Tracking ,MPPT ) 。目前常用的 MPPT 法是扰动观察法 。 该法通过成比例增加或减少变换器的输入电压 ,移动操作点向最大功率靠近 。这种方法存在算法上的不足 [1 ] :当日照强度急剧变化时容易发生误判 ,且在达到最大功率附近扰动仍不停止 ,导致部分功率损失 。为了更好地实现 MPPT ,让电池板时刻保持最佳输出 ,本文先从光伏电池的伏安特性出发 ,提出一种新的跟踪方法 :三点比较法 。2 光伏电池的伏安特性某温度下一个典型多晶硅太阳能电池单元的输出电流为 [2 ] :I = I L G - I OS expqA k T( V + I R s) - 1 V + I RsRsh(1)I OS = IOrTTr3Aexp EGOB k 1Tr - 1T (2)IL G = [ I SCR + K1 ( T - 298) ] M e/ 1000 (3)一般说来 , R sh > > Rs ,故式 (1) 可简化为 :I = I L G - I OS expqA k T( V + I Rs) - 1 (4)很多文献里式 (2) 的形式为 :I OS = I OrTT r3exp qE GOB k 1Tr - 1T但经过验证发现指数上分子与分母的量纲并不相等 ,而式 (2) 才是正确的 [3 ,4 ] 。以上各式中参数的意义和取值如表 1 所示 。211 光强不变 ,温度对光伏电池输出特性的影响半导体 (硅 ) 中载流子的运动速度随着温度的升高而增大 ,扩散程度也随之增大 ,因此输出的短路电流 I′ (即负载 RL ? 0 时的电流值 I ) 具有正的温度系数 ;开路电压 V′ (即负载 RL ? ∞ 时的电压值 V )则刚好相反 ,具有负的温度系数 ,它随着温度的升高而急剧下降 。前人对某晶体 Si 太阳电池板身温度变化与开路电压和短路电流的关系进行了细致研究 ,在人工模拟太阳下固定光照强度 ,用探温设备测量电池板温度 ,同时记录电池板输出短路电流 ;利用相同方法记录开路电压 ,得出以下两条经验关系式 [5 ,6 ] :d V′d T = - 2. 3mV/ ℃ ,d I′d T = 0. 107mA/ ℃即温度每升高 1 ℃ ,开路电压减少 2. 3mV ,短路电流增加 0. 107mA 。光强相同时不同温度下的伏安特性曲线见图 1。212 温度不变 ,光强对光伏电池输出特性的影响温度不变时 ,假设电路中串联等效电阻趋于零 ,并联等效电阻为无穷大 (支路开路的情况 ) ,则输出的短路电流为 I′ = IL G( I L G为光生电流 ) ;而对于硅材料响—41— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2007 年第 8 期(总第 301 期 )? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net应的光谱分布而言 ,式 (1) 中 IL G与日照强度成正比 ,故I′ 与光强成正比 : I′ = ISC0 × M e/ 1000,其中 , Me 为日照强度 ; ISC0为光强 1000W/m2 时的光照电流。 所以短路电流 I′ 在温度不变时与光强呈线性关系 [5 ,6] 。 图 2 给出了不同温度和不同光强下光伏系统的伏安特性 [7] 。据 P = I2 R 知光强引起电流增大的同时也使得输出功率增大。 图 3 给出了同温下系统最大功率点随日照强度变化的曲线图 [8] 。表 1 某温度下典型多晶硅太阳能电池单元输出 V — I 特性方程参数表参数符号 名称 数值 (单位 ) 备注I 电池单元的输出电流 A 当负载 RL 趋于 0 时就成为短路电流V 电池单元的输出电压 V 当 RL 趋于无穷大时就成为开路电压I L G 给定光照下产生的电流 AI OS 电池单元的反向饱和电流 A 实验室其数量级约为 10 - 4～ 10 - 6A [3 ]Rs 串联等效电阻 ΩRsh 并联等效电阻 Ω Rsh > > RsM e 日照强度 W/ m2K 波耳兹曼常数 1138 × 10 - 23J/ K 工程计算只保留小数点后两位T 电池单元温度 K 公式中的温度单位统一用 “ K”q 电子电荷电量 116 × 10 - 19库仑Tr 参考温度 301118 KI or Tr 下的电池单元饱和电流 AA ,B P - N 结的理想曲线系数 A = B = 115有些文献取 1149 ,考虑到式 (2) 的指数“ 3/ A” 故取值 115[3 ]ISCR 25 ℃ 和 1000W/ m2 条件下的短路电流 AK 1 I SCR下短路电流的温度系数 010017A/ KE GO 硅的禁带宽度 eV图 1 同日照不同温 I - V 曲线图 2 同温不同日照下 I - V 曲线从图 3 知 ,温度一定时 ,日照越强 ,输出功率越大 ,对应的最大功率也越大 ;反之越小 。当太阳能电池受日照 、 电池板温度共同影响时 ,其输出呈非线性关系 : 日照强度越大 ,输出电流越大 ;同时 ,当产生的电功的能优化输出时 ,日照强度图 3 同温不同日照下 P - V 曲线的增大又会导致电池板温度的升高 ,而温度越高 ,输出电压越小 。 所以光伏系统的输出功率存在最大功率点跟踪 (MPPT ) 问题 。3 三点比较法式 (1)或图 1 中的输出电流 I 与电压 V 之积是光伏组件输出的功率 P ,它与输出电压 V 的关系如图 3 所示 。 目前多种自寻优方法研究的目标是使光伏系统总是工作在 P — V 曲线的峰值点 。尽管 P与光照和温度的变化是非线性的 ,但在某一瞬间输出功率 P 对于算法的实现电路 (斩波电路 ) 的占空比是连续可导的 ,有且只有一个极点 。本文提出的三点比较法 ,主要用软件编程进行判断 、 控制 。 该法取三个点 :在光伏电池的 P — V 特性曲线顶点附近从左到右依次取 a、 b、 c 三个点 , V a 和 Pa , V b 和 Pb ,Vc 和 Pc 为各点对应的工作电压和功率值 ,其中功—51—2007 年第 8 期(总第 301 期 ) 节 能EN ER GY CONSERVA TION ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net率值可通过电压和电流的乘积算出 。 算法先给定一电压值 V b 作为基准点 ,a 点和 c 点的工作电压 V a和 V c 可通过步长 Δ V 对 V b 进行增减得到 ( V a =V b - Δ V , V c = V b +Δ V ) ; V d 是一预先设定用于调整步长 Δ V 大小的常量 ;由于 a 点和 c 点都是在 b点基础上得到的 ,这三点和最大功率点 V max的位置关系有三种 : ① 当 b 点在最大功率点 V max左侧且相距较远时 ,c 点也在 V max左侧的情况 ,见图 4 ; ② 当 b点在 V max附近 ,增加步长 Δ V 后 c 点在 V max右侧时的情况 ,见图 5 ; ③ 当 b 点在 V max 右侧且相距较远时 ,减小步长 Δ V 后得到的 a 点也在 V max右侧的情况 ,见图 6[9 ] 。 针对各种情况系统作如下电压调整 :( 1) 如图 4 ,当 Pa Pc( 或者 Pa ≥ Pb且 Pb ≤ Pc) 时 ,程序执行 { Δ V = Δ V - V d ; V a = V b- Δ V ; Vc = V b +Δ V ;} ;(3) 如图 6 ,当 Pa ≥ Pb 且 Pb > Pc 时 ,程序执行{ Vb = V a ; V a = V b - Δ V ; V c = V b + Δ V ;} 。图 4 当 Pa Pc 时 P - V 图系统硬件检测模块先检测到 Pa ≥ Pb ,这时有云遮挡 ,随后检测时得到 Pb ≤ Pc ,表示日照强度快速变化的情形 ,算法设计中将这种情况按照系统工作电压不作改变情形进行处理 ,只对 Δ V 进行微调 ,这样系统不会跟随日照量的快速改变而盲目调整工作电压 ,避免了系统过快振荡 ,实现了平稳跟踪 ,等到日照恢复稳定才开始下一轮检测 、 判断和跟踪 。图 6 当 Pa ≥ Pb 且 Pb > Pc 时 P - V 图图 7 算法控制流程图算法流程图如图 7 所示 。算法是根据 Pa 、 Pb和 Pc 值的大小关系确定三个点电压的调整方向 。为此 ,在算法设计中设置了一个两位的二进制向量“ Flag” ,根据两次判断 Pa 、 Pb 和 Pc 之间的大小得出Flag 的值是 00 ,01 ,10 还是 11 ,不同的 Flag 值决定a、 b、 c 三点电压值不同的调整方案 ,当 Flag 的值为01 或 10 时 ,系统将减小步长 Δ V ,系统向微调方向移动 (见算法中的 “ Δ V =Δ V - V d” ) ;在允许误差范围内算法还设置了一个阈值 ε ,当经过连续减小后的 Δ V < ε 时 ,表明此时的 V b 已经非常接近V max ,系统软件控制认为此时的 V b 就是最大功率点电压 ,系统将在该电压下持续工作直到外部条件发生变化 。 这是系统跟踪到输出功率峰值点的判别—61— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2007 年第 8 期(总第 301 期 )? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net条件 。必须说明的是 ,当系统连续多次微调后发现并不是最大功率点时 ,如图 8 所示 ,必须重新初始化Δ V 。 这是保证三点比较法精确的关键 。图 8 必须重新初始化 Δ V 的情况4 相关参数的确定(1) 最初 V b 的选取 。原则是使它处于最大功率点附近 ,这有两方面信息供参考 :① 根据光伏系统所在地的 M e、 T 随机变化测量记录 ,采用数学统计方法可得出 M e - T 特性 ,进而结合光伏电池的伏安特性可判断最大功率点的大概位置 ;② 根据对各种条件下 V - I 特性曲线的分析 ,可以得到这么一个信息 :最大功率点电压大概位于开路电压的 80 %处 ,因此我们定 V b 的初值为开路电压的 80 %[9 ] 。(2) 在允许误差范围内 ,控制程序结束的条件参数值 :Δ V ,电压调整常量 V d 和阈值 ε 。① Δ V 初值的选取 :若选值过小 ,系统无法快速对应环境特性的变化 ,反应速度变得很慢 ;若选值过大 ,系统必须花更多时间去追踪才能达到最大功率点 ,同时对数据的处理量将增加 ,硬件负荷随之增大 。 对输出电压一般在 1～ 5V 的实验室单片电池板而言 ,由于 V b 的初值已经定在开路电压的 80 % ,本文建议 Δ V 的初值范围定在 10 - 1～ 10 - 2V ;② V d 是一个正数 ,其值比 Δ V 小 ,作为电压微调量 , 若 V d 的 值 非 常 接 近 Δ V ( 如 令 V d =0199Δ V ) ,会造成调整后的的 Δ V 过小而使系统在以后的跟踪中长期徘徊在低功率点 。 根据 “ 二分法”原则 ,建议取 V d = 015Δ V ;③ ε 的值根据系统精密度要求来确定 ,作为一个控制程序结束的阈值 ,ε 越大 ,精确度越低 ,导致部分功率损失 ;ε 越小 ,MPPT 跟踪越精确 ,但跟踪时间也越长 ,对硬件要求也越高 ,难以实现快速实时跟踪 。 对实验室单片电池板而言 ,建议 ε 取值为10 - 1V 。5 结 语太阳能光伏发电系统中的 MPPT 是高效利用太阳能 、 实现最优输出的一项关键技术 。本文讨论了光伏电池伏安特性 ,根据目前常用的 MPPT 法的缺陷 ,理论上提出了一种 “ 三点比较法” :通过确立一个初值电压 V b (定在开路电压的 80 %) ,利用电压调整常量 V d 改变电压变化步长 Δ V ,最后以 Δ V <ε 作为系统跟踪到最大功率点的判别条件 。 为避免算法程序对 MPP 出现误判现象 ,还在系统连续多次对 Δ V 进行微调后发现 V b 并不是峰值点时进行Δ V 重新初始化 ,从而保证了系统按算法要求实现最准确的 MPPT 。此外 ,三点比较法在算法设计上将 “ Pa ≥ Pb 且 Pb ≤ Pc” 的情况归入工作电压不作改变情形 ,使得光伏发电系统在外部日照强度急剧变化时能实现平稳跟踪 。三点比较法算法设计比较复杂 ,涉及到检测当前工作电压 ,判断电压间关系和确定电压调整方向 ,尤其对电压变化步长 Δ V 进行微调以及达到峰值点条件 Δ V <ε 的判别过程对硬件 A/ D 转换速度和处理能力要求较高 。参考文献[ 1] 李炜 ,朱新坚 . 光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J ]. 计算机仿真 ,2006 ,23 (6) :240.[ 2] 雷元超 ,陈春根 ,陈国呈 ,等 . 光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究 [J ]. 电工电能新技术 ,2004 ,23 ( 3) :76 - 79.[ 3] 丁金磊 ,程晓舫 ,等 . 晶体硅太阳电池最大功率下负载的函数表达 [J ]. 中国工程科学 ,2005 ,7 (6) :45 - 48.[ 4] 陈兴峰 ,曹志峰 ,许洪华 ,等 . 光伏发电的最大功率跟踪算法研究 [J ]. 可再生能源 ,2005 (1) :8 - 9.[ 5] 江小涛 ,吴麟章 ,王远 ,等 . 硅太阳电池数学模型 [J ]. 武汉科技学院学报 ,2005 ,18 (8) 8 :7.[6 ] 李秀文 ,等 . 太阳电池工作原理 、 工艺和系统的应用 [ M ].北京 :北京电子工业出版社 ,1987.[7 ] 江小涛 ,吴麟章 ,等 . 太阳电池最大功率点跟踪研究 [J ].通信电源技术 ,2005 ,22 (4) :33 - 35.[ 8 ]Ching - Tsai Pan ,Jeng - Yue Chen. 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All rights reserved. http://www.cnki.netEnergy Conservation( Monthly)Sponsor :Liaoning Provincial Institute of Science andTechnology InformationPublisher :Energy Conservation Magazine PublishingHouseChief Editor :J IN NaAddress :No. 274 ,Qingnian Boulevard ,Shenyang City ,Liaoning Province ,ChinaPost Code :110016CONTENTSJune 2007 Vol. 26 ,No. 8 Total Issue No. 301Strengthen power grid science innovation management ,realize safety , high quality ,and economical operationWEI Zhen ,L IU Wei2chun( Tianjin Elect ric Power Corporation , Tianjin 300010 ,China )Abstract : Tianjin power grid is located at load center of China NorthernPower Grid and represents the characteristic of intercity network. Tian2jin power grid realized safety , high quality , and economical operationthrough strengthen scienceinnovation management. At the end of 2006 ,safe dispatching operation record of Tianjin power dispatching and com2munication is more than 3600 days. In the past two years ,Tianjin 220kVpower grid ’ s voltage percent of pass always maintains a level amongState Grid Corporation. Network loss rate in 2006 is lower than the sameperiod of previous years.Key words :power grid ;innovation management; high quality and eco2nomical operation6Research on the benef its of energy conservation and emissionreduction of ground source heat pump using LCA methodMA Ming 2zhu ,ZHANG Xu( HVAC Institute , Tongji University ,Shanghai 200092 ,China )Abstract : Studied the benefits of energy conservation and CO 2 emissionreduction of ground source heat pump ( GSHP) , compared with airsource heat pump (ASHP ) ,using life cycle assessmentmethod (LCA ) .Considered energy pay - back - time ( EPT ) and CO2 pay - back - time(CPT ) , relative to air source heat pump , the results show that theamounts of energy conservation and CO2 emission reduction are 91829.64tce and 262. 5ton ,the energy pay - back - time is 2. 87 year ,the CO2pay - back - time is 0. 89 year ,the ground source heat pump has verygood benefits of energy conservation and CO2 emission reduction.Key words : LCA ; ground source heat pump ;energy conservation ; CO2emission reduction ; EPT ;CPT8A review and elementary discussion ofpowder and pulverized - coal chargeL IU Wei2jun ,CHEN SHuan2zhu ,ZHANG SHu2hua( Harbin Univ. of Sci. pulverized - coal ;measuring technique10Photovoltaic power system output characteristic and the theoreticanalysis to the three points comparing on MPPT algorithmLONG Teng2fei ,DING Xuan2hao ,CAI Ru2hua(College of Mathematics and Computing Science , GuilinUniversity of Elect ronic , Guilin 541004 ,China )Abstract :Maximum Power Point Tracking ( MPPT ) control method“ Three Points Comparing” was proposed based on the analysis of thephotovoltaic cell’ s V2I characteristic and the“ Perturbation and Observa2tion ” ( P V2I characteristic ; MPPT ;three points comparing14Simulation of a water - cooled solar - assistedabsorption air conditioning systemZHAO Zong2xiang ,L IU Jin2liang ,ZHANG Xiao2dong ,et al(Shandong Zibo City Calibrating and Measuring Department ,Zibo 255033 ,China )Abstract :A water - cooled solar - assisted absorption air conditioningsystem with cooling capacity of 5kW was simulated basedon the proper2ties of aqueous lithium bromide. The performance of the system and thevariation of the temperature of exit hot water of the flat plate solar col2lector were analyzed. The simulation showed that water - cooled solar -assisted absorption air conditioning system is feasible in theory and thevariation of the cooling water temperature affected obviously the coeffi2cient of performance of the system. The lower temperature of the coolingwater is ,the higher coefficient of performance of the system will be.Key words : solar energy ; water - cooling ; absorption air conditioningsystem ;coefficient of performance18The developed LM algorithm of hydraulic mechanicaltransmission vehicle neural netw ork autom aticshiftting controling systemZHAO Dan2dan , YU Wei2bo ,WANG Dong2yan(College of Elect ric and Elecronic Engineering ,ChangchunUniversity of Technology ,Changchun 130012 ,China )Abstract :Set up system model and controling for hydraulic mechanicaltransmission vehicle“ energy conservation shift schedule” was based onneural networks. Adopting developed energy conservation shift for im2proving the neural networks training process can develop the conver2gence rapid of the net and reduce the possibility of net convergence to belocal smallest point. It can simulate and predict shift judgement of the au2tomatic transmission. The MATLAB simulation result was available.Key words :hydraulic mechanical transmission ; neural networks ;shift ,energy ;shift judgement22The 2D numerical simulation research of kitchen exhaust hoodCHEN Li 2bo( Guangzhou XieAn Const ruction Engineering CO. ,L TD. Guangzhou 510075 ,China )—2— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2007 年第 8 期(总第 301 期 )