光伏自动跟踪（共7篇）
光伏自动跟踪 篇1
能源是人类不断发展和进步的动力, 能源利用的水平映出人类文明发展的程度。一次性能源的日益枯竭和环境压力的增加, 使太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能源等新能源的研究与应用, 引起全世界的极大关注。尤其是太阳能因其具有普遍性和高效性的优点, 已成为国际社会公认的理想替代能源。
太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电、光学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是指利用太阳能电池吸收太阳光辐射能, 使之转化为电能而直接发电的形式, 光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏发电业以32.1%的年平均增长率高速发展, 我国幅员辽阔, 有着十分丰富的太阳能资源。理论储量达每年17 000亿吨标准煤, 太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步, 90年代中期进入稳步发展时期, 太阳电池及组件产量也在逐年稳步增加。经过30多年的努力, 光伏发电已迎来了快速发展的新阶段。中国光伏发电产业迅猛发展, 到2007年年底, 全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦, 从事太阳能电池生产的企业达到50余家, 生产能力达到290万千瓦, 太阳能电池年产量达到1 188万千瓦, 已超过日本和欧洲国家。因此, 推广普及光伏发电技术对人类经济的可持续发展和和人类生存环境的改善, 都具有深远的战略意义。
一、光伏发电跟踪控制系统的原理
太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关, 光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大, 如果改变入射角, 发电量将明显下降。其基本原理与结构为:由2台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构, 光电传感器与太阳电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变, 传感器失衡, 引起系统输出信号产生偏差, 达到一定幅度时, 方向开关电路启动, 执行机构开始进行纠正, 使光电传感器重新达到平衡, 即太阳能电池板方阵平面与光线构成90度角而停止转动, 并完成一次调整周期。如此不断地调整, 时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳, 构成一个闭路负反馈系统, 实现了跟踪功能。该系统不需设定基准位置, 跟踪器永远不会迷失方向。系统还设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路, 并附有手动控制开关, 以方便调试。系统结构如图1所示。
在太阳被云层遮挡时, 此时光线很弱, 发电量也极小, 跟踪将毫无意义, 系统会自动停止跟踪。即使天边某处透出相对较亮的光线, 跟踪器也不会被误导, 实现了防杂光干扰功能。云散日出时, 自动跟踪器即时响应, 找到太阳并跟踪到位。傍晚光线消失, 已不能发电时, 传感器会发出信号, 夜间停止电路启动, 并转回到东方。
二、光伏发电自动跟踪系统的改进与发展
我国目前使用的无跟踪装置的用户太阳能光伏系统, 由于太阳能电池价格昂贵, 无跟踪装置的光伏系统发电效率较低, 普遍推广将会受到影响。双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的跟踪效果最好的系统, 可大幅提高发电量 (约提高50%) , 是一种非常有前景的方法, 但适用于较大型的太阳能发电系统中。而我国牧区广袤严寒、地形多样、居住分散, 使推广造价高、结构复杂、维护困难, 利用双轴自动跟踪系统不现实。针对这一实际情况, 根据太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法, 对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进, 设计出具有更高性价比的单轴自动跟踪系统。太阳能电池板与地面水平面南北方向按当地的地理位置成φ角, 此高度角可手动进行调整。东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪, 始终追随太阳的东西方位, 使太阳能电池保持较大的发电功率。
太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。机械部分主要由电池板支架、底座和直流电机构成;控制部分驱动电机可以使电池板在东西方向上自由旋转。控制部分主要由软件算法构成, 具有使用成本低、智能化程度高、扩展性强等优点。高度角可以手动进行调整。
太阳自动跟踪系统的支撑结构常见的有框架式、轴架式和旋转台式3种。根据它们的性价比, 我国牧区主要采用轴架式。该设计的单轴自动跟踪系统的原理结构框图如图2所示。
1. 实时时钟。
本系统利用时钟芯片DS1302读取和写入实时数据, 用于定时控制系统工作的启动, 采用12或24小时格式。
2. 单片机控制单元。
文中的自动跟踪系统的设计采用AT89S8252芯片, 该芯片的特点为:
(1) 内部含有看门狗定时器 (WDT) , 能满足在无人值守条件下自恢复运行系统运行状态的要求。
(2) 芯片内带有8KB的FLASH程序存储器和2KB的EEPROM数据存储器, 不需要再进行存储器扩展, 有利于提高系统的稳定性。
(3) 性价比高, 编程资源充足。
(4) 工作电压范围宽。使用4.0～6.0V的工作电压, 便于交、直流供电, 并能在一定程度上抵御电源的波动干扰, 降低对电源的要求。
3. 电机驱动电路 (图3) 。
利用P87LPC764的P0.0至P0.3端口, 编制程序输出脉冲信号, 改变输出脉冲的电平, 达到使电动机正转、反转和停转的目的。
4. 步进电机。
本设计采用混合式步进电机, 它集合了永磁式和反应式的优点。步进电动机转动原理是:转动方向通过通电的顺序来控制的, 以四相单四拍为例:正转时, 按A→D→C→B→A次序通电;反转时, 按A→B→C→D→A次序通电。
5. 系统工作原理 (图4) 。
通过将实时时钟芯片的时间按顺序送入单片机并与设定值作比较后确定系统工作, 即每天早上6点到晚上6点跟踪系统工作时间。单片机通过电机驱动电路控制电机转动。当到了晚上6点后, 自动跟踪系统停止工作, 单片机控制电机转回初始位置, 即使太阳能电池板到达初始位置。
三、主程序设计
单片机主程序主要完成系统初始化, 主程序流程如图5所示。
首先对单片机进行初始化, 之后读取系统初始校验值作为光电旋转编码器的位置基准数据。主循环程序不断检测系统的运行状态, 如果满足复位条件便发出指令转入复位子程序, 迅速将电池板转到适当的位置后待机以等待新的指令;校验子程序对系统重新进行校验, 并将新的位置检验值存储到单片机内部新的位置基准, 它可以用来消除系统的累积误差, 同时也方便了系统的安装与调试;系统通常运行在自动跟踪状态, 单片机时刻检测太阳与电池板实际位置间的差值, 并结合启动条件发出相应的PWM脉冲, 来控制电机转动。此外主循环程序还不断检测当前太阳与电池板的位置, 将位置信息通过数据总线分别送到液晶显示器与PC机监控软件系统中, 并将有关位置参数及时存到单片机中。
目前我国还没有先进的跟踪光伏系统, 太阳能发电效率较低。通过把双轴太阳能自动跟踪系统改进成单轴自动跟踪系统, 能使该系统跟踪准确、能耗低、可靠性高、系统性能稳定, 发电效率提高了20%以上, 具有较大的应用价值, 在未来会有更大的发展前景。
光伏自动跟踪 篇2
目前采用现场总线通讯方式的控制系统开始广泛应用。Profibus (Process Field Bus) 是以ISO7498为基础, 以开放式系统互连网络OSI (Open System Interconnection) 作为参考模型, 定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。由于只采用物理层、数据链路层DDLM和应用层, 使它具有良好的高速性和经济性。采用Profibus-DP的太阳能光伏发电追日控制系统是一种高效、经济的控制系统与分散式I/O设备之间通讯的系统。使用Profibus-DP模块取代24 V或4 m A~20 m A的串联式信号传输。直接数据链路层DDLM提供的用户接口, 使得对数据链路层的存取简单方便, 是一种优化了的设计。传输介质采用RS-485传输通讯屏蔽双绞线电缆[1]。
1 光伏板自动追踪太阳光系统
为充分地提高使用太阳能光伏发电的效率, 太阳能光伏发电板应垂直正对太阳光, 而太阳光的方位角和倾斜角一天中相对一个地点是变化的, 因此为了使太阳能光伏板随时得到最大的太阳光幅射量, 系统利用多台电机去控制多组光伏电池方阵的方位角和倾斜角以达到光伏板追日目的, 获得最大太阳光能源。针对以上情况, 本传送系统采用西门子PLC S7-300作为中心控制器, 并由西门子公司的Micro MASTER440变频器与PLC构成PROFIBUS-DP现场总线控制系统, 控制3台变频器分别驱动太阳光伏板的方位角和倾斜角电机, 以实现同步追踪太阳光, 其光伏板自动追踪太阳光模型见图1。
2 系统硬件配置
2.1 硬件组成
a) 西门子PLC S7-300 CPU315—2DP (6ES7 315-2AG10-0AB0) 组成主站, 包括:电源模块PS307 24VDC10A (6ES7 307-1KA00-0AA0) , 2块模拟量输入/输出SM334 (6ES7 334-0CE00-0AA0) , 1块数字量输入/输出SM323 (6ES7 323-1BH01-0AA0) ;
b) 总线传输介质。RS-485屏蔽双绞线;
c) 变频器。Siemens Micro MASTER440 (6SE6420-2UD13-7AA1) 内嵌通讯模块6SE6400-1PB00-0AA0;
d) 传动设备。异步电动机。
2.2 网络组态
a) 新建项目。在STEP7中创建一个工程项目, 并插入新对象SIMATIC 300站点, 进入“HW Config”窗口, 按硬软安装次序和订货号依次组态插入机架RACK-300的导轨Rail、电源模块PS307 24VDC 10A、CPU315—2DP, 2块模拟量I/O模块SM334、1块数字量I/O模块SM323, PLC通过Profibus-DP与变频器MM440组态连接见图2, 在基于PROFIBUS-DP的玻璃输送线控制系统中, PROFIBUS-DP采用RS485传输技术。其数据传输速率设置为1.5 Mbps, S7-300作主站, 主站DP口地址设为2, 采用Profibus DP协议进行通讯, 可以满足多电机同步传动控制的要求, 实现系统的高速通讯能力[2,3];
b) 组态从站。3台Siemens变频器MM440 (内嵌通讯模块6SE6400-1PB00-0AA0) 作为PROFIBUS-DP现场总线系统的3个从站连接到DP网上, 都选择PPO1通信报文, 设置的从站DP口地址和通信地址见表1。
3 设置变频器参数及通信编程
a) 变频器参数设定见表2;
b) S7-CPU 315-2DP PLC处理器提供的通信。 (a) 主站将控制数据 (如电机速度设定、接触器吸合及断开等) 发送到传动装置; (b) 传动装置的数据 (如电机转速、接触器触点的通断等) 通过通信传送到主站PLC指定的寄存器地址。在OB1中调用功能块SFC14和SFC15, 完成对3个从站变频器数据的读和写, PLC主站向变频器从站“读”和“写”数据见图3, SFC14从变频器中“读”取过程数据到PLC, SFC15是PLC向变频器“写”控制数据, 都遵循PROFIBUS-DP协议[4]。
4 结语
基于PROFIBUS-DP的太阳能光伏板追日跟踪系统的多电机同步传动方向控制系统研究与开发, 利用PLC直接通过数字通讯模式, 按照一定采样周期进行信息的输入、处理和输出, 简化了系统外围模块, 缩短了控制周期, 稳定性好, 扩展性好, 同时提高了在线监测、运算和驱动能力, 增强了系统的抗干扰能力, 控制精度和工作可靠性进一步提高。另外, 可以通过通讯模块将变频器相关参数读到PLC机, 可根据实际情况做出相关的比较和调整, 完成预期的通信和控制功能, 系统运行良好, 最大限度地应用了太阳光, 充分提高了太阳能的应用效益, 提高了经济效益, 取得了满意的效果。
摘要：介绍了基于Profibus-DP的太阳能光伏自动跟踪系统设计, 以西门子公司PLC及变频器为相关设备的现场总线技术应用, 以西门子S7-300可编程控制器为主控制器对西门子变频器实时控制, 详述了Profibus总线的硬件配置, 给出了基于Profibus总线技术的变频器控制方案, 实践证明系统运行稳定、可靠。
关键词：光伏自动跟踪,现场总线,S7-300可编程控制器,变频器
参考文献
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光伏自动跟踪 篇3
一、自动跟踪系统原理
光伏发电自动跟踪系统整体框图如图1所示, 该系统将光电跟踪方式与太阳运动轨迹追踪方式相结合, 以单片机控制器作为控制核心, 通过Modbus总线协议接收来自光强检测模块输出的光强值。太阳能电池板是安装在二维电机转动架上[5], 光强检测模块放置于太阳能电池板的正中央, 两者保持平行。根据光强值的大小, 控制二维电机的转动, 从而实现对太阳的跟踪。基于光强检测对整个自动跟踪系统的重要性, 本文主要对光强检测进行了设计和研究。
二、光强检测硬件设计
光强检测是光伏发电自动跟踪系统的重要环节, 自动跟踪系统是根据检测到的光强值来判断二维电机的运动方向。在设计光强检测模块时, 其基本出发点就是要合理的利用现有工艺条件, 采用单片机控制技术对实时采集的光强信号进行接收和处理, 经过A/D转换后的光强信号传输到单片机中, 单片机再通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。
2.1器件选型
本设计选用ATMEL公司的AVR系列单片机Atmaga8作为主控芯片, 其价格低廉, 具有功能强大的定时器/计数器及通讯接口, 并且内置EEPROM[4]。
作为光强检测, 光强传感器的好坏直接影响整个系统的运行情况。本设计采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。内部结构图如图2所示, 该芯片是第二代周围环境光强度传感器。
2.2原理图设计
光强检测原理图如图3所示, 将TSL2560T的引脚SCL连接于Atmaga8的PC5, 引脚SDA连接于单片机的PC4。单片机只需要以PC4和PC5来模拟SMBus总线就可以读取TSL2560T的ADC寄存器中的光强值。TSL2560T中有两个转换通道, 分别为通道0和通道1, 其中通道0是转换可见光和红外线的通道;通道1仅仅只转换红外线。自动跟踪系统只是跟随着可见光光强值最大的方向运转, 如此, 通道1是作为一个补偿的通道, 补偿掉通道0中的红外线, 最后可以唯一得到可见光的光强值。
为了实现将采集到的光强值正常传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器, 本设计采用传输距离远, 传输可靠性高的Modbus总线协议。485通信芯片选择为SP3485E, 3.3V供电。其中R4为匹配电阻, 在远距离传输或者位于485总线上的最后一个从机时才使用。R3和R5分别为下拉电阻和上拉电阻, 保证485总线的初始状态。光伏发电跟踪系统难免处于比较恶劣的环境下, 为防止单片机程序跑飞, 本设计外置一个看门狗芯片X5043来保证光强检测模块的正常高效工作, 其原理图如图4所示。
三、软件设计
在软件设计中, 首先需要对看门狗芯片进行初始化, 然后读取光强传感器的参数值, 最后通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。
单片机通过对引脚PC4和PC5通用I/O口 (一根时钟线, 一根数据线) 进行SMBus读写协议模拟, SMBus和I2C协议的区别就是协议中应答 (ACK) 不一样, 所以可以依照I2C协议进行参考。SMBus协议的重点是数据传输的时序, 由开始位和停止位来控制。开始位为时钟信号的高电平, 将数据线的电平由高到低, 标志着数据传输的开始。停止位为时钟信号的低电平, 将数据线的电平由低拉到高, 标志着数据传输的结束。在写数据时, 先发送器件的地址, 然后发送要写入的数据。光强传感器芯片的写操作过程包括:先发送器件的地址, 然后写命令码, 命令码是往寄存器地址00H-0FH中写的数据, 其以字节、字或者块为单位进行写操作。在读数据时, 需要先写器件地址, 然后写命令代码, 再写入一次器件地址, 最后才是读取通道寄存器的数值。
看门狗X5043芯片是以SPI接口协议进行初始化, 初始化为1.4s, 在1.4s之内引脚CS如果没有接受来自单片机的上升沿或者下降沿, RST引脚就输出一个低电平的脉冲给单片机复位。本文Modbus总线协议在485通信接口的基础上, 以ASCII码通信格式来设计和实现。读取和传输光强值的程序流程图如图5所示。
四、总结
本文重点研究和设计了一种光伏发电自动跟踪系统中的光强检测模块, 其主要是基于Atmaga8单片机和TSL2560T光强传感器, 采用Modbus总线协议, 精确采集太阳 (或者模拟光源) 的光强值, 使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向, 达到自动跟踪的效果。通过实物验证, 结果证明本方案比目前广泛使用的光敏电阻等光强检测的方案要实用和优越, 通过本方案得到的光强值精度高, 效果好, 在极其恶劣的环境条件下也能正常稳定地运行。
参考文献
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独立光伏发电跟踪系统的设计 篇4
光伏发电系统存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化、最大输出功率随温度变化等问题, 且硅的光电转化效率虽有不断提升, 但迫于价格因素, 高转化效率的太阳能板未能大范围使用, 这对硅光电池的有效利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的, 且主功率电路的设计也很少考虑到温度变化导致的最大功率点的移动, 发电效率低下, 太阳能面板利用率不高。因此对太阳位置和宽温度范围最大功率点的跟踪都是十分有必要的。文章提供一个完整的独立光伏最大功率点跟踪系统设计, 并将之实现。该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 获得最大辐照度, 而且在跟踪过程中能自动记忆不同时间的坐标位置, 判断阴晴天, 无需人工调整, 适合天气变化的复杂情况。用负温度系数电阻调节限流点实现最大功率跟踪, 并能对蓄电池进行三段式充电, 使整个系统的效率得到大幅提升。
1 最大辐照度跟踪
最大辐照度有多种跟踪方法, 如:时钟法、压差法、光电法等。
(1) 时钟法根据太阳运动角度, 确定电动机转速, 使太阳能面板根据太阳位置相应变动。其主要缺点是:跟踪精度不够, 太阳高度角、方位角和区域、季节都有关系, 普适性不高, 且累积误差比较大, 需要定期进行校正。
(2) 压差法在太阳能面板周围设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。太阳偏移时, 两根空气管受太阳的照射不同, 管内产生压差, 压差执行器就发出跟踪信号。当镜面对准太阳时, 管内压力平衡, 压差执行器又发出停止跟踪信号, 这种跟踪器的跟踪灵敏度高。与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。
(3) 光电法用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差, 当偏差超过一个阈值时, 执行机构调整, 直到使太阳光线与太阳能面板垂直, 实现对太阳高度角和方位角的跟踪。与前两种跟踪装置相比, 光电式跟踪器可通过反馈消除误差, 控制较精确, 电路也比较容易实现。
本文将时钟法和光电法结合, 太阳能面板以预定日行轨迹行进到粗调坐标, 然后用光电传感器判断光线是否垂直, 在细调区间内进行精细的位置调整。从而解决了时钟式的累积误差问题。细调区间又预防了光电式存在的误动作。在入夜之后, 太阳能面板根据预设值, 调回早晨的方位, 并进入掉电模式。
1.1 双轴跟踪机构
双轴跟踪器的机械结构图如图1, 其中一个电机带动太阳能面板绕日轴转动, 跟踪太阳的赤经运动;另一个电机带动反射器绕季轴旋转, 跟踪太阳的赤纬运动。这样太阳能面板就能全年尽可能和入射阳光相垂直, 达到跟踪太阳的目的。
1.2 传感器原理及设计
1.2.1 传感器原理
传感器由光电二极管设计而成。有光照射时, 光电二极管的PN结附近受光子的轰击, 半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对, 使少数载流子的浓度大大提高, 反向饱和漏电流大大增加, 形成光电流, 光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时, 在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号, 完成光电转换[1]。
图2 (a) 是光电二极管的伏安特性曲线。由于光电二极管掺杂度较小, 工作时要给其加反向电压。即取其工作在第三象限时的特性, 如图2 (b) 。串入可调电阻, 电阻工作曲线与光电二极管特性曲线的交点即其工作点。
当太阳光线与光电二极管平面的法线有一定夹角θ时, 光电二极管输出电动势:
式中φ为光通量, 即通过截面S的光能量, K为比例常数。
式中I为光照度, 即单位面积上的光通量 (-π/2≤θ≤π/2) 。
式中U0=KIS0。
当光线垂直照射固定面时, 左右光电二极管输出电压U1=U2=U0cosα, 固定α为45° (如图3) 。本文用两对图3所示的光电二极管方法来分别跟踪太阳的高度角和方位角[2]。
当太阳光线偏离二极管固定面β角度时[3], 若-π/2≤β≤-π/4,
由式 (4-6) 可知, 电压差输出ΔU与β的曲线图如图4 (a) 所示, []中表示的区间是时钟法所能精确到的近似区间, 即图4 (b) , 传感器的细调区间。θ1和θ2的范围分别为[-π/12, -π/18]、π[/18, π/12], 即± (10~15°) 。
1.2.2 传感器信号调理电路
由运放、仪用放大器[3]调理采回电压, 如图5。用单片机自带的6路10位AD进行模数转换。理论精度为5*1 (/2^10) /10*1 000=0.49mV, 由实验数据对应的角度精度为1°。
2 软件设计
标注1:1 302走时误差仅为16s/月, 故采用串口校正, 软件开始可以加读串口操作。视精度要求定时 (如一季, 一年) 校正就可。
标注2:由外部中断唤醒进入正常模式。
流程图如图6。
3 宽温度范围的MPPT设计
太阳能面板最大功率点随着环境温度的变化处于非线性变化状态, 图7示出了太阳能板性能指标随温度的变化曲线, 可见最大功率Pmax与太阳能板的最大功率点输出电压Vpm变化趋势非常接近, 因此我们只需要跟踪控制Vpm电压就能跟踪太阳能面板的最大功率点。
传统的恒压跟踪法 (CVT) 忽略温度对太阳能面板开路电压的影响, 仅通过设定正常温度下太阳能电池的最佳工作开路电压来保证太阳能面板能够输出最大功率。文献[4]利用采样普通二极管随温度变化的压降来提供太阳能面板MPP的变化趋势, 但采样电路精度要求高, 控制复杂。加入负温度系数电阻 (NTC) 实时采样太阳能面板的环境温度, 动态调节主功率电路的限流点, 使太阳能面板的输出电压保持在最优工作电压, 很好地解决了这个问题。作者采用文献[5]提出的宽温度补偿太阳能面板最大功率跟踪电路控制方法, 当输入电压是17V、输出电压为12V时, 效率可达90%以上。
实物图如图8。
4 结束语
文章完成了用双轴机构跟踪太阳方位角和高度角, 使太阳光直射太阳能面板, 获得最大辐照度;用负温度系数热敏电阻动态调节主功率电路限流点, 在宽温度范围内巧妙跟踪最大功率点的工作。大幅提高了发电效率和太阳能板的利用率。
参考文献
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光伏自动跟踪 篇5
关键词：光伏发电,最大功率跟踪,算法,建模
近二、三十年来, 太阳能光伏 (Photovol taic, PV) 发电技术得到了持续的发展, 光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电并网逆变系统的研究, 对于缓解能源和环境问题, 研究高性能光伏发电系统, 开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术, 具有重大的理论和现实意义。
1 光伏电池的特性及其仿真模型的建立
光伏电池的基本结构是能够将光能转换为电能的PN结, 图1显示了光伏电池精确的等效电路模型, 它由光生电流源、二极管、串联电阻和并联电阻组成。光伏电池产生的光生电流Iph与光照强度λ成正比, 流经二极管的电流Id随着结电压Ud及逆向饱和电流Isat不同而变化, 一般很小, 在分析光伏电池特性时可忽略。
根据光伏电池的等效电路, 其输出电压和电流的关系可由下式表示为:
式中, A为二极管的理想因子;k为波尔滋曼常数, k=1.38×10-23 J K;q为电荷电量, q=1.6×10-19C。T为温度, K;Iph为光生电流, A;Isat为二极管反向饱和电流, A;Rsh为并联电阻, Ω;sR为串联电阻, Ω;U为光伏电池输出电压, V;I为光伏电池输出电流, A。
光伏组件由一定数量的小功率光伏电池串联而成, 光伏阵列又根据所需功率等级由一系列光伏组件串并联形成, 具有强非线性伏安特性。光伏阵列的等效电路同样可以用图1表达。
通过工程近似, 可以推导出光伏电源的数学模型为:
在式 (2) 中, 1C、C2定义为:
式 (2) 表达了光伏电源的输出电流和输出电压与主要技术参数之间的相应关系。因此, 将主要技术参数作为输入量、输出电流和输出电压作为光伏电源的输出量, 就可以搭建出光伏电源的仿真模型。其中, 短路电流Isc:给定温度和日照强度下光伏电源所能输出的最大电流。开路电压Uoc:给定温度和日照强度下光伏电源所能输出的最大电压。最大功率点电流Im:给定温度和日照强度下光伏电源最大功率点上的电流。最大功率点电压Vm为给定温度和日照强度下光伏电源最大功率点上的电压。最大功率点电压Pm为给定温度和日照强度下光伏电源最大功率点上的功率。
图2和图3是标准环境状况下即S=1000W/m2, T=25°C, 最大功率点运行在Im=5A、mV=36V、Pm=Vm.Im=180W时的光伏电源I-U和P-U特性曲线。从图3可以看出, 在温度和光照强度一定的情况下, 光伏电源具有唯一的最大功率点。
2 最大功率跟踪方法
光伏阵列输出特性具有非线性特征, 在一定的太阳辐照度和环境温度下, 光伏阵列可以工作在不同的稳定电压下, 但只有运行在某一输出电压点时, 光伏阵列的输出功率才能达到最大值。这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点, 称之为最大功率点 (Ma x i m u m P o w er P o i n t, M P P) 。因此, 在光伏发电系统中, 要提高系统的整体效率, 一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点, 使之始终工作在最大功率点附近, 这一过程就称之为最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking, M P P T) 。
3 扰动观察法 (P&Q)
扰动观察法是目前实现MPPT常用的方法, 其原理是先扰动输出电压值, 然后测其功率变化, 与扰动之前的功率值比较, 如果功率值增加, 则表示扰动方向正确, 继续朝同一方向扰动;如果扰动后功率值小于扰动前的值, 则往相反的方向扰动。
图4所示, 首先假设光伏电池工作电压可控制并逐渐增大。刚开始时光伏电池工作于nP点上, 由于工作电压的增大, 下一时刻工作点移至Pn+1, 此时有Pn
扰动观察法具有以下优点: (1) 模块化控制回路; (2) 跟踪方法简单, 实现容易; (3) 对互感器精度要求不高。
扰动观察法具有以下缺点为: (1) 光伏阵列会在最大功率点附近振荡运行, 导致一定功率损失; (2) 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度; (3) 在特定情况下会出现判断错误情况。
4 改进扰动观察法P&O
通过以上对最大功率跟踪算法的分析, 本文采用“扰动观察法P&O”实现最大功率跟踪, 并对其进行了改进。“扰动观察法”的原理是:根据测量得到的电压和电流, 计算得到由于扰动产生的功率变化, 当功率不变时, 最大功率跟踪回路不需要调节;若功率值增加, 则表示扰动方向正确, 继续朝同一方向扰动;如果扰动后功率值小于扰动前的值, 则往相反的方向扰动。
进行仿真实验, 发现存在以下问题:实际中电压和电流存在测量误差;计算中又存在精度误差, 即使功率变化量接近于0, 计算得到的功率变化量也不为0。据此变化量, “扰动观察法”的最大功率跟踪一直在工作, 不断地调整光伏电源的输出电压, 使得光伏电源的仿真模型无法稳定工作。
在标准环境条件下, 光伏电源容量10MW、负载容量30MW和系统容量30MW时, P&O输出的参考电压示于图5中。该参考电压Uref的作用是:提供光伏电源工作在最大功率点的参考电压。由该图可以看出, 由于算法本身存在着误差以及其它方面的误差, 最大功率跟踪输出的参考电压始终无法达到稳定, 这样会引起最大功率跟踪无法实现, 因此有必要对原有的P&O算法进行改进。
对上述问题进行了如下改进。
首先, 通过对最大功率跟踪模型的仿真分析, 得到光伏电源输出功率由零上升到最大功率点的时间。以此为基础设置一个门槛时间∆t, 在未到达∆t以前, 改进的P&O法能使输出功率达到最大功率点。其次, 设定了一个输出功率变化量的门槛值ε, 当达到最大功率点后, 若输出功率变化量的绝对值小于ε时, 则停止扰动, 使输出参考电压保持不变。反之, 继续扰动。这样由于ε的存在, 在一定程度上保证了输出参考电压尽快趋于稳定, 光伏电源稳定工作在最大功率点附近, 从而实现了最大功率跟踪。该改进P&O算法的具体流程图如图6所示。
图8给出了“改进扰动观察法”的仿真模型。该图中, 选择开关swith和阶跃信号发生器step实现了时间门槛值∆t的功能, 继电器relay模块实现输出功率门槛值ε的设置功能。这两个重要参数的设计需通过大量仿真实验, 最终比较得到最优的参数。
图7给出了“改进P&O法”输出参考电压的波形图。从该图可以看出, 当光伏电源输出功率达到最大功率点后 (0.02s) , 输出功率变化量的门槛值ε发挥了作用, 使参考电压Uref趋于稳定, 实现了最大功率跟踪。
5 结语
本文提出的“改进P&O法”具有以下优点: (1) 实际中不受电流互感器和电压互感器测量误差的影响; (2) 最大功率跟踪输出不受计算误差的影响; (3) 输出功率变化量的门槛值取光伏电源容量的1%左右即可保证光伏电源尽快稳定在最大功率点; (4) 由于该方法可以使光伏电源尽快稳定在最大功率点, 所以使得光伏并网系统的仿真模型调试工作更容易实现。
参考文献
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光伏自动跟踪 篇6
随着能源危机的到来, 清洁能源的运用备受关注, 尤其以太阳能能源的应用较为广泛, 但由于光伏电池的输出特性为非线性, 因此, 如何最大限度的获得太阳能的输出能量成为研究热点, 由此, 基于最大功率点跟踪控制算法相继被提出。
二、最大功率点跟踪控制方法
1、固定电压跟踪法。
在环境温度一定时, 不同的光照强度下光伏电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近, 因此把最大功率线近似地看成电压为固定值的一根垂直线, 使光伏电池工作于某一个固定的电压, 这就是固定电压跟踪法。早期的光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法是在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换, 使得光伏系统成为一个稳压器, 构成固定电压式的MPPT控制。但由于实际运行环境中, 温度不断变化, 该方法并不能在所有的不同环境温度下实现最大功率点跟踪, 因此, 该方法适用于温度变化不明显的场合。
2、扰动观察法。
扰动观察法其原理是周期性的增加或者减少太阳能电池输出的电压, 然后观测之后其输出功率变化方向, 进而决定下一步的控制信号, 此种控制方法虽然原理简单, 但是其响应速度慢, 仅适合应用于光照强度变化较为缓慢的场合, 而且在光照变化较快时, 容易产生误判。文献[1]提出一种变步长寻优的方法, 目的在于使得在离最大功率点较远的地方, 使用大步长跟踪, 提高跟踪速度, 在离最大功率点较近的地方, 使用小步长跟踪, 减小振荡幅度, 较传统步长为固定大小的扰动观察法而言, 提高了控制精度。文献[2]提出一种光伏电池的一种自适应最大功率跟踪算法, 利用输出功率的变化量来形成扰动信号, 从而根据扰动指令对DC/DC变换器的占空比进行PI调节。文献[3]提出一种对光伏电池最大功率点跟踪算法的优化设计, 根据光伏电池的电压和电流计算得到光伏电池的瞬时功率, 通过两个采样点瞬时功率的差值决定扰动步长以及DC/DC变换器的占空比。为了降低扰动观察法得误判概率, 提出了将扰动观察法与模糊控制方法相结合的控制算法, 以脉宽调制电路的占空比作为扰动量进行跟踪控制。为了提高系统抗干扰能力, 降低误判, 学者们提出了利用三次插值法以及3段变步长爬山法, 在外界环境温度有较大波动时以最快速度重新到达自寻优区。
3、电导增量法。
K.H.Hussein于1995年提出了电导增量法, 通过光伏阵列的P-U曲线, 在最大功率点处斜率为0, 在输出电导的变化量等于输出电导的负值时, 光伏电池即工作在最大功率点处。
传统电导增量法采用固定步长, 在步长选择较大时, 对光照强度的变化跟踪快, 但震荡较为严重, 当步长较小时, 虽然震荡减轻, 但对光照强度变化跟踪慢, 因此, 基于固定步长的缺陷, 文献[4]提出了一种采用变步长的方式, 当工作点远离最大功率点时, 加大步长, 加快跟踪, 当工作点在最大功率点附近时, 减小步长, 提高跟踪精度。学者们对于电导增量法做了诸多改进, 提出了一种电导增量法与模糊控制组合算法, 当光伏系统工作在最大功率点附近时采用模糊控制实现MPPT控制, 在光伏系统工作于远离最大功率点时, 采用电导增量法实现MPPT控制, 达到了较好的控制效果。还提出了一种固定电压法结合电导增量法的控制算法, 在外界温度环境发生突变时, 使用固定电压法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近, 随后用小步长的电导增量法逼近最大功率点。同时, 使用零均值法改善最大功率点附近的震荡问题, 使用微分-跟踪器方法对电导增量法进行优化改进, 结合智能数据库达到实时跟踪控制等等。
4、其他方法。
利用粒子群优化算法突出的寻优功能提出了基于粒子群优化BP神经网络的光伏电池跟踪控制算法, 利用模糊控制算法针对非线性系统具有良好控制精度的特点, 提出了基于模糊逻辑的MPPT算法, 加快了响应速度, 而由于神经网络对外界环境的变化有极为强大地自习能力, 学者们将模糊算法、神经网络相结合, 提出了更为精确的MPPT控制算法, 同时还有负载跟踪控制法、光源跟踪该控制法、开路电压法等等。
三、小结
在电力新能源强势发展的今天, 太阳能作为主要清洁能源之一扮演着十分重要的角色, 为了获得稳定、高效的能源, 控制算法的日益成熟为太阳能电池的最大功率点跟踪奠定了基础, 随着电力电子技术的不断发展, 太阳能最大功率点跟踪控制的控制器智能化、集成化势必成为今后研究重点。
参考文献
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光伏自动跟踪 篇7
最近几年,太阳能因丰富、清洁、无污染、无噪声、免维护等优点成为一种重要的可再生能源。但是太阳能电池转化效率低、较高的安装费用和模块价格既增加了系统成本又限制了光伏的推广应用。为了提高整个系统转化效率和周期内的成本回报率,应保证太阳能电池始终工作在输出功率曲线的最大点处,根据太阳能模块的工作状态实时调节其输出电压或电流,强迫其始终工作在输出功率最大点附近,这过程称为最大功率点跟踪。
在众多最大功率点跟踪方法中,扰动观测法[1,2,3,4]和电导增量法[5,6,7,8]是比较常见的方法。扰动观测法因为计算简单,无需太阳能电池模块的具体参数等优点普遍使用,但是跟踪速度慢,容易引起功率波动,而且在光照强度变化快的情况下会背离实际最大功率点变化方向,造成跟踪失败。电导增量法的跟踪准确性较高,在环境快速变化的条件下具有良好的跟踪性能。不过,电导增量法计算复杂,对微处理器的要求较高,跟踪速度相对较慢。为了达到快速跟踪的目的,使用部分开路电压或者部分短路电流作为输出最大功率时的工作电压或者工作电流。这种方法容易实现,成本低,无需复杂运算,响应速度快。然而实际最大功率点的工作电压或者电流和部分开路电压或者部分短路电流存在差异,因此此种方法的精确度比较低。
为了达到快速跟踪的目的,文献[9]提出了基于最大功率点的实验分析结果和太阳能电池的P-V输出曲线的交点作为最大功率点,这种方法的速度快,但是求解相关的数学代数式很复杂,并且需要实时检测工作时的温度,也给跟踪控制增加了难度。文献[10]通过把输出功率曲线划分成两个区域,在不同的区域分别采用不同的控制方法使输出电流快速接近或达到最大功率点时的工作电流。但是这种方法需要同时采样开路电压和短路电流,而且在区域Ⅱ又采用部分开短电流估算最大功率点时的电流,根据此电流判断调节的电流步长。多次估算既降低了跟踪精度也使跟踪方法变得错综复杂。鉴于此,本文提出一种新的快速跟踪最大功率点的方法,此种方法通过实验仿真数据估算出最大功率和输出电流的线性关系,根据这种线性关系把P-I特性曲线划分不同的两个区域,在区域Ⅱ只需知道开路电流就可变步长地快速调节输出电流,提高跟踪最大功率点的精度。
1 太阳能电池输出曲线特性分析
太阳能电池板的等效电路图可以如图1表示。
从图1中可以得出输出电流的表达式(1)。
式中:I为输出电流;ISC为短路的电流;ISCR为标准测试条件下光伏电池的短路电流;I0为反向饱和电流;I0¢为参考温度下的饱和电流;V为输出电压;q为电子电荷;K为玻耳兹曼常数;K1为短路电流的温度系数;λ为日照强度;T为绝对温度;Tr为参考温度;A为光伏电池理想因子;Egas为禁带宽度;Rs为串联电阻;Rsh为并联电阻。
根据公式(1)~(3)建立Matlab/Simulink太阳能电池数学仿真模型,通过仿真分析得出,输出电压受温度的影响比较大,而输出电流受光照强度的影响比较大。在实际应用中,温度变化是缓慢的,光照强度常常受云彩、阴影等变化较大。对应的反映在输出特性上表现为输出电流波动较大,输出电压波动较小。因此,在特定的时间内可以把输出电压看成近似不变的常数。图2是温度固定不变,不同光照情况的输出功率仿真图形,从图中可以显示出不同光照情况下最大功率点近似在一条直线上。
2 最大功率点分区控制原理
从上面的仿真分析可以估算出IM(最大功率点时输出电流)与最大输出功率P之间近似线性的关系,根据Pref-I直线把实际的P-I特性曲线分为两个区域,如图3所示。在区域Ⅰ中估算的输出功率小于实际检测到的功率,而在区域Ⅱ中恰好相反,估算的输出功率大于实际检测到的功率。只有估算的输出功率等于实际检测到的功率时,输出的功率被认为已达到最大值,即太阳能电池模块工作在最大功率点。
2.1 I域中的最大功率点跟踪
在区域Ⅰ中实际功率(PQ)大于等于估算参考输出功率(Pref),分别如公式(4)和公式(5)表示。
假设在某时刻检测到的电流和电压分别为I1和V1,根据公式(4)和公式(5)计算出此时的实际功率PQ1=I1*V1和估算参考功率Pref1=C*I1,因PQ1>Pref1,以PQ1作为下一次估算参考功率,即Pref2=PQ1,根据公式(5)计算出接下来的输出电流值I2,增加输出电流达到I2,再次检测此时的电压值V2,根据公式(4)计算出实测功率PQ2,比较PQ2和Pref2,如果误差Δ=PQ2-Pref2大于给定的误差值则继续增加输出电流使其达到I3,依此类推重复前面的步骤直到误差Δ小于等于给定的误差值,则此时认为模块输出功率达到了最大功率点,对应的电流值为IM=In=PQn/C。
图4为在区域Ⅰ中的最大功率点跟踪示意图。
在区域Ⅰ中,当误差Δ大时,调节电流的步长就大,反之调节电流的步长就小,这种变步长的调节输出电流既加快了跟踪速度,也在接近最大功率点时跟踪更加精确。而且始终保持PQ≥Pref,输出功率不会造成在最大功率点附近来回波动,减少了功率损失。
2.2 Ⅱ区域中的最大功率点跟踪
在区域Ⅱ中实际功率(PQ)小于等于估算参考功率(Pref),且工作电流小于等于短路电流Isc。
假设在某时刻采样检测到的电流和电压分别为I1和V1,根据公式(4)计算出在这一时刻的实际功率PQ1值,以坐标点(I1,PQ1)和另一点坐标点(Isc,0)做一条如公式(6)表示的直线,这条直线与Pref-I直线相交于一点且唯一,这个交点的值一定在(IM,I1)之间。把这一相交点的功率值作为下一次输出的估算参考功率Pref2,根据公式(5)和公式(6)联立推导出公式(7)计算出接下来的电流值I2。
再次采样此时的电压值V2,根据公式(4)计算出实测功率PQ2,比较PQ2和Pref2,如果误差Δ=Pref2-PQ2大于给定的误差值,认为还没有接近或者达到最大功率点,将继续减小电流值,接下来以坐标点(I1,PQ1)和坐标点(I2,PQ2)重新做一条直线,这条直线与估算参考功率直线有一个交点,交点估算参考功率为Pref3,交点电流I3如公式(8)所示。
使输出电流达到I3值,采样此时电压计算出输出功率PQ3和估算参考Pref3做比较,如果误差Δ依然大于给定的误差值,则继续按公式(9)减小电流值,如此多次重复上述步骤,直到误差Δ小于等于给定的误差值为止。此时认为已经达到最大功率点的跟踪。
图5为在区域Ⅱ中的最大功率点跟踪示意图。
在区域Ⅱ中变步长调节输出电流值,加快了跟踪速度。与电导增量法比较跟踪速度更快。另外和估算参考功率直线的交点始终大于等于最大功率点时的输出电流,因此不存在输出功率波动现象。
3 仿真与实验
为了验证上述所提的最大功率点跟踪方法正确性,采用如图6所示的电路拓扑结构进行仿真。通过前面的仿真,T=300 K时,光照1 000 W/m2条件下,最大功率点和对应的电流为(18.8,1.19),800W/m2,最大功率和对应的电流为(14.98,0.9599),因此公式(5)中的常数取C=15.7,短路电流分别为1.36 A和1.12 A。最大功率点跟踪采用前面提到的分区跟踪最大功率点方法。
图8~图11分别为当温度不变光照强度变化时最大功率点跟踪的仿真功率输出波形。初始条件为温度300 K,光照强度1 000 W/m2,启动后,光伏电池端电压不断下降,而输出电流逐渐增加,功率也不断增加,当达到18.8 W最大功率点并稳定工作之后,在0.1 s时光强突然降低为800 W/m2,此时输出功率在一个阶跃增加后缓慢增加达到新条件下的最大功率点14.98 W,光照突然降低时,图7和图8分别为采用扰动观测法和Ⅱ区域中的最大功率点跟踪方法的输出功率仿真波形。
在1.2 s时,光照强度突然从800 W/m2上升为1 000 W/m2,输出功率突然上升,然后慢慢爬升,再度达到最大功率点。光照突然降低时,图9和图10分别为采用扰动观测法和Ⅰ区域中的最大功率点跟踪方法的输出功率仿真波形。
从仿真图形来看当光照强度突然变化的时候,采用分区域跟踪最大功率点的控制方法能快速准确地跟踪最大功率点,达到比较理想的跟踪效果。图11和图12通过实验验证了本文所提的最大功率点跟踪方法。
4 结束语
本文在温度变化比较小的条件下,通过仿真得到近似估算参考最大功率和输出电流之间的线性关系,根据估算的参考直线把实际输出功率划分为两个区域,在区域Ⅰ和区域Ⅱ中分别采取不同的最大功率点跟踪方法。通过仿真在光照强度突然上升和突然下降两种情况下和扰动观测法进行了对比,在跟踪速度和跟踪精度都比扰动观测方法优越,而且输出功率没有反复波动现象。实验验证此种方法简单易行,容易实现且跟踪速度快,无输出功率波动现象。
摘要：太阳能电池的输出功率受外界温度、光照强度和负载影响具有特殊的非线性。为了使输出功率始终工作在最大点处从而提高系统的整体效率,最大功率点跟踪在光伏系统中有很重要的意义。通过理论仿真分析,在温度不变的情况下,太阳能电池的输出电压变化不大,随着光照强度的变化最大功率点近似在一条直线上,和输出电流成线性关系。所采用新颖最大功率点跟踪方法是根据估算的最大功率点和输出电流成线性关系把P-I输出曲线划分成两个独立区域,在区域Ⅰ和区域Ⅱ分别采用变步长的观测比较法和变斜率的观测比较法快速调节输出电流使其接近或者等于最大功率点电流,达到快速跟踪最大功率点的目的。通过Matlab/Simulink软件仿真结果表明此种方法与扰动观测控制相比较,不仅能保证快速的跟踪光伏模块最大输出功率点,而且不会引起在最大功率点附近频繁波动,最后通过实验加以验证。
关键词：光伏,最大功率点跟踪,太阳能,电流控制
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