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 PP T ,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 ø、b ø、c ø、d ø、e ø

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.4

Oct.,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 ø、

b ø、

c ø、

d ø、

e ø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/m 2、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

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U d 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

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