光伏发电在农业照明中的应用

光伏发电在农业照明中的应用夏小会 ， 李正明 （ 江苏大学电气信息工程学院 ， 江苏镇江 212013 ）摘要 提出了一种改进算法 ， 并对此进行了仿真 。 仿真结果表明 ， 与传统的 MPPT 控制方法比较 ， 该方法跟踪速度快 ， 跟踪精度高 ， 且在最大功率点处具有较高的稳定性 。 该方法实现了恒定电压法和滞环比较法的有效结合 。关键词 农业照明 ； 光伏发电 ； 最大功率跟踪 ； 改进算法中图分类号 TM914． 4 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2011） 26 － 16402 － 03Application of Photovoltaic Power Generation in Agriculture LightingXIA Xiao- hui et al （ School of Electrical and Information Engineering， JiangsuUniversity， Zhenjiang， Jiangsu212013）Abstract An improved algorithm waspresentedand simulated ．As indicated by the simulation results， the improvedalgorithm had quicker track-ing speed， higher tracking accuracy and stability compared with the traditional MPPT method． It achieved the effective combination of constantvoltage processand hysteresiscomparisonmethod．Key words Agricultural lighting ； Photovoltaic powergeneration； Maximum power tracking； Improved algorithm基金项目 国家自然科学基金项目 （ 60904053） 。作者简介 夏小会 （ 1987 － ） ， 男 ， 安徽巢湖人 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ：控制理论与控制工程 。收稿日期 2011- 05-31由于边远地区地域广阔 ， 架设输电线路难 ， 农业照明一直是当地人们关注的焦点 。 光伏发电由于能量质量高 ， 不受地域限制 ， 无需消耗燃料 ， 故障率低 ， 维护简便 ， 可以无人职守和无需架设输电线路等优点 ［ 1］ ， 受到各国的广泛关注 。 但是 ， 外界环境是不断变化的 （ 如温度 、 日照等 ） ， 为了最大效率的利用太阳能 ， 必须对光伏阵列进行最大功率点跟踪 。 目前 ， 最大功率点跟 踪 （ Maximum Power Point Tracking， 简 称MPPT） 的方法很多 ， 如恒定电压法 ， 扰动观察法 ， 增量电导法 ， 模糊控制法 ， 滞环比较法 ［ 2 － 6］ 等 ， 但不同控制方法在实际应用中存在不同的优缺点 。 在对几种常见的 MPPT 方法进行分析的基础上 ， 综合恒定电压法和滞环比较法的优点 ， 提出一种改进启动特性的 MPPT 方法 。 利用这种方法 ， 能显著提高跟踪速度和精度 。1 光伏电池的等效模型及特性1． 1 光伏电池等效模型 光伏电池单元的等效电路模型见图 1。 其中 ， Isc为光生电流 ， 正比于光伏电池的面积和入射光的强度 。 Id 为无光照下类似于二极管的暗电流 。 Rs 为串联电阻 ， Rsh为并联电阻 ， Rs 一般很小 ， 而 Rsh 很大 ［ 7］ 。图 1 光伏电池等效模型Fig ． 1 Equivalent model of photovoltaic cells光伏电池工作电压电流关系为 ：Ipv = I sc － I 0［ eqU pv/AKT － 1］ － Upv + Ipv RsRsh（ 1）式中 ， Isc为光生电流 ， I0 为二极管饱和电流 ， I pv 为光伏电池工作电流 ， q 为电子电荷 1． 6 × 10 － 19 C， U pv 为光伏电池工作电压 ， K 为波尔兹曼常数 1． 38 × 10 － 23 J/K ， T 为绝对温度 ， A 为二极管特性因子 。理想情况下 ， Rs 为零 ， Rsh 为无穷大 ， A = 1， 则式 （ 1） 简化为 ：Ipv = I sc － I 0［ eqU pv/KT － 1］ （ 2）当 I pv = 0 时 ， 可以得到太阳能电池的开路电压 ：Voc = kTq In（I scI 0 + 1） （ 3）1． 2 光伏电池的特性 光伏电池的输出电压和电流受光照强度和温度的变化而变化 。 一定光照强度下 ， 光伏电池的 I-V 特性曲线和 P-V 曲线分别见图 2 和 3。图 2 光伏电池的 I- V 特性曲线Fig ． 2 I- V characteristic curve of photovoltaic cells图 3 光伏电池的 P-V 特性曲线Fig ． 3 P-V characteristic curve of photovoltaic cells由图 2、 3 可知 ， 太阳能光伏电池具有明显的非线性 。 光伏电池在同一温度 （ T） 不同日照 （ S） 下的 I-V 和 P-V 特性曲线分别见图 4 和 5。 由图 4、 5 可知 ， 光伏电池的输出功率随光强增加而增大 （ S1 ＜ S2 ＜ S3） 。光伏电池在同一日照 （ S） 不同温度 （ T） 下的 I- V 和 P- V特性曲线分别见图 6、 7。 由图 6、 7 可知 ， 光伏电池的输出功率随温度的增加而降低 ［ 8 － 10］ （ T1 ＜ T2 ＜ T3） 。责任编辑 李占东 责任校对 李岩安徽农业科学 ， Journal of Anhui Agri ． Sci ． 2011， 39 （ 26 ）： 16402 － 16404图 4 不同日照下的 I- V 曲线Fig ． 4 I- V curve under different sunlight intensities图 5 不同日照下的 P-V 曲线Fig ． 5 P-V curve under different sunlight intensities图 6 不同温度下的 I- V 曲线Fig ． 6 I- V curve under different temperature图 7 不同温度下的 P-V 曲线Fig ． 7 P-V curve under different temperature2 改进算法的原理及仿真2． 1 改进算法的原理 滞环比较法能够消除振荡现象和电压崩溃现象 ， 但要求 A、 B、 C 3 点都在最大功率点附近 。 而固定电压法结构简单 ， 成本低 ， 能够快速找到最大功率点 ， 但跟踪精度不够 。 一种更好的算法是综合这 2 种方法的优点 ，前期使用固定电压法迅速找到最大功率点 ， 后期使用滞环比较法提高控制精度 。 这样系统具有最优的启动特性 ， 启动速度快而平稳 ， 功率单调增加 ， 不会出现波动现象 。 具体原理见图 8。图 8 双重算法示意Fig ． 8 Schematic diagram of the dual algorithm图 9 扰动观察法功率输出波形Fig ． 9 Power output waveform of perturbation and observationmethod图 10 改进算法功率输出波形Fig ． 10 Power output waveform of improved algorithm改进算法先测量光伏阵列的开路电压 Uoc， 乘以系数0． 8， 得到一个参考电压 Uref 。 首先让系统以恒定电压法启动 ， 扰动量为 Δ U1， 并不断记录当前光伏阵列的工作电压 ， 并与参考电压 Uref 比较 ， 当当前工作电压与参考电压误差绝对值大于设定参数 ε 时 ， 则继续以 Δ U1 的扰动量增大电压 ， 直到当前工作电压与参考电压误差绝对值小于设定参数 ε ， 如图 8 中的 D 点 ， 系统即认为恒定电压法控制结束 ， 系统已经到达了最大功率点附近 。 这就是第 1 阶段的恒定电压法控制 。当系统到达 D 点 ， 改用滞环比较法控制 ， 并记录此时的电压值和电流值 ， 计算出相应的功率 。 系统改用较小扰动量Δ U2 ， 以提高跟踪精度 。 此时图 8 中 D 点功率即为滞环比较法中的 PA， 连续 2 次增加扰动 ， 并分别记录相应的电压值和3046139 卷 26 期 夏小会等 光伏发电在农业照明中的应用电流值 ， 计算出各自的功率 ， 其值分别为滞环比较法中的 PB和 PC 。 再通过滞环比较法中 PA、 PB 、 PC 3 点功率的比较确定具体的扰动方向 ， 直到系统工作在最大功率点 。 这是第 2 阶段的滞环比较法控制 。若此时始终让系统工作在第 2 阶段 ， 则当外界光照和温度发生变化时 ， 系统仍以滞环比较法进行控制 ， 由于设定的滞环比较法步长较小 ， 所以很难快速跟踪到新的最大功率点 。 为能够适应外界环境的变化 ， 需要重新启用恒定电压法迅速找到最大功率点的近似位置 ， 再转至滞环比较法 。 为此 ， 为系统设置了定时器 。 当定时时间到时 ， 系统重新采集光伏阵列的开路电压 U oc， 得到新的参考电压 Uref ， 并重新运用恒定电压法快速跟踪新的最大功率点 。 为避免因不断切换控制算法而带来较大的功率损失 ， 定时器定时时间可为分钟级别 。 这是第 3 阶段的定时跳转阶段 。改进算法前期使用恒定电压法及较大步长大大提高了跟踪速度 ， 后期使用滞环比较法及较小步长 ， 旨在提高控制精度 ， 减少功率损失 。2． 2 仿真结果 在 Matlab /Simulink 环境下分别对改进算法及常用的扰动观察法进行了仿真研究 。 2 种算法的功率输出波形见图 9、 10。 由图 9、 10 可知 ， 扰动观察法在最大功率点处上下波动 ， 稳定后输出功率平均值为 248 W， 稳定时间为0． 045 s。 而改进算法稳定后为一条平滑的直线 ， 稳定时间为0． 038 s， 稳定后输出功率为 249 ． 2 W。3 结论该研究采用改进算法对光伏系统中最大功率跟踪进行了研究 ， 并通过与传统算法进行仿真比较 。 由仿真比较可知 ， 改进算法启动过程平稳 ， 具有跟踪速度快 、 跟踪精度高的特点 。 它完全消除了扰动观察法固有的振荡现象和电压崩溃现象 ， 具有较大的优越性 。参考文献［ 1］ 车孝轩 ． 太阳能光伏系统概论 ［ M］ ． 武汉 ： 武汉大学出版社 ， 2006．［ 2］ PARK S S， JINDAL A K， et al ． An optimized sensorlessMPPT methodforPV generationsystem［ C］ / /Canadian Conferenceon Electrical and Com-puter Engineering， CCECE ＇09． Delta St． John＇s Hotel and ConferenceCen-tre， St． John＇s， Newfoundland， Canada： IEEE， 2009： 720 － 724．［ 3］ 赵为 ． 太阳能光伏并网发电系统的研究 ［ D］ ． 合肥 ： 合肥工业大学 ，2003： 25 － 44．［ 4］ NICOLA FEMIA ， GIOVANNI PETRONE， GIOVANNI SPAGN-UOLO， etal ． Optimization Tracking Method［ J］ ． IEEE Transactionson Power 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