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优化最大功率跟踪法在光伏水泵中的应用

通过对光伏水泵系统功率输出特点的分析,找到影响最大功率输出的影响因素,通过进一步对光伏输出I-V曲线和P-U曲线分析,提出了一种对最大功率点跟踪(MPPT)扰动观察法的优化算法和实现方法,解决了MPPT扰动观察法在最大功率点附近震荡的问题。

1 MPPT 与扰动观察法原理

光伏组件是光伏水泵系统的能量来源,光伏组件的输出功率受外部环境影响较大,如光照强度、温度变化等;即使在外部环境参数稳定时,其输出功率还会受所连接的负载的影响,研究表明,只有当连接的负载为某一恒定值时,即所谓的阻抗匹配,光伏组件输出功率才达到最大值,此时光伏组件所输出的功率为最大功率点。为了最大限度发挥光伏组件的效率,在外部环境和负载变化的情况下使光伏组件仍保持最大功率的输出,就需要不断调节光伏组件的工作电压,使其输出功率最大化,这个功率调节过程被称为最大功率点跟踪(MPPT)。图1 为光伏组件1#、2#、3# 的输出I-V 曲线和对应电阻负载1#、2#、3#的I-V 曲线,两者的交点即为光伏阵列的最大功率点。通过对这些曲线分析可知,除了在 Pa、Pb、Pc 点阻抗达到了阻抗匹配外,其他点都未能实现阻抗匹配,即输出功率未达到最大点,这说明采用光伏组件直接与水泵电机耦合会导致系统功率不能充分发挥,即总效率欠佳。因此,若想充分发挥光伏组件的效率,最大化提高瞬时功率,就需对最大功率点进行跟踪。

扰动观察法实现MPPT 的过程中,在一定的时间间隔内调整光伏组件的工作电压,使其输出功率随之变化。若调整扰动电压的方向,光伏组件的输出功率变大,则说明扰动方向正确;若输出功率变小,则需往相反方向调整扰动电压。流程图如图2 所示。

扰动观察法的经典控制流程图如图3 所示。其中,D 表示DC/DC 变换器的占空比;Δd 表示步长;P(k) 表示调整k 次的功率;U(k) 表示调整k次的电压。

由图4 可知,当扰动步长较大时,如电压从U3 调整到Um,则对应功率为P3 变化到Pmax,统稳态震荡范围大,能量损失也大;当扰动步长较小时,如从电压U1 调整到U2,对应的功从P1 变化到P2,虽然系统震荡范围小,但在环境变化较大时,跟踪速度慢,所用的时间长,功率损失也较大。

2 MPPT 的优化

为了解决上述问题,本文提出一种可根据扰动结果来判断外部环境突变和是否达到最大功率的简易算法。当外部环境突变时,通过加大步长来达到快速跟踪最大功率的目的;当到达最大功率点附近时,通过缩短步长来达到减小震荡的目的。该方法的流程图如图5 所示。

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