带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析

1、第27卷第12期2006年12月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol127,No112Dec.,2006文章编号:025420096(2006)1221196206带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析陈维1,2,3,沈辉3(11中国科学院广州能源研究所,广州510070;21中国科技大学,合肥230026;31中山大学太阳能系统研究所,广州510275)摘要:通过对太阳电池组件平面辐照、太阳电池组件特性以及蓄电池负载数学模型计算,分别对北京和广州地区两种典型气候条件下应用MPPT与直接耦合方式的输出情况进行比较和研究,发现在广州地区MPPT的应用意义不大,

2、而在北京地区冬季则能够明显增加太阳电池组件的输出。在带蓄电池的光伏系统中影响控制器发挥效能的因素被分析和研究,要综合当地全年气温变化、负载状况、MPPT的应用。关键词:光伏系统;蓄电池;最大功率跟踪;匹配性能中图分类号:TK512文献标识码:A0前言、,这也就是理论和。目前MPPT技术一般用在大型光伏电站,尤其适用并网发电系统。由于MPPT控制器的采用可以降低光伏系统的太阳电池组件配置功率,从而降低系统成本,使其性能价格比得到有效提高,因此MPPT技术必将在光伏系统中得到广泛应用。如图1所示,常用光伏系统设计中,蓄电池充电曲线在光伏电池性能曲线最大功率点附近,因此一MPPT电路,而由太阳电池直

3、接给蓄电池充电。由图2所示,太阳电池的工作电压随着温度升高而下降,而蓄电池的充放电电压随充电电流升高而增加,在太阳电池组件中为了保证夏天高温天气能对蓄电池正常充电,组件的标准峰值工作电压一般比较大,从而使太阳电池通常有较大一段图1蓄电池充电时I2V曲线Fig11Chargingcharacteristicofstoragebattery收稿日期:2005208213基金项目:2004年国家十五攻关项目(2004BA411A09;2004BA411A19)图2太阳电池组件在不同温度下的I2V曲线Fig12I2Vcurveofsolarmodulewithdifferenttemperature1

4、2期陈维等:带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析1197区间没有真正工作在最大功率点,造成太阳电池以入射角,太阳辐射与所研究表面法线间的夹角;及蓄电池配置容量增加,增大了光伏系统的成本。太阳天顶角;<纬度;赤纬,当天赤z采用MPPT控制技术在温差变化较大的场合,特别纬角为在太阳时正午,太阳光线与赤道平面的夹角;是对于冬、夏以及全日温差较大的地区有明显的技太阳高度角;表面方位角,所研究表面术意义。MPPT跟踪可以挽回由于温度变化而导致法线水平面的投影与正北方向的夹角;s太阳的系统失配损失,能有效提高太阳电池的输出。方位角,太阳辐射水平面的投影与正北方向的夹角。然而,MPPT电路也要

5、消耗一部分电能,存在转换112负载特性效率的问题,在使用MPPT增大对蓄电池充电时,必须在配有蓄电池的光伏系统中,太阳电池方阵向使增加的能量大于MPPT自身损耗的能量,否则采用蓄电池充电,蓄电池又通过负载放电。蓄电池的充MPPT就失去意义。本文通过数学模型模拟计算的方放电伏安特性可以表示为:法,对在北京和广州地区两种典型气候条件下采用MPPT的效果进行了理论分析。VL=VB+ILRb(2)式中,VB蓄电池内电动势R蓄电池的内阻。1131计算模型111倾斜面辐照模型小时接受到的平均光强、负载特性决定。定倾角安装,面上的相应值的天空散射各向异性模型常用于此目的,其表达式为:HT=HBRB+HDRB

6、HBH0+015(1-HBH0)+015)(1+cosH(1-cos(1),Ns块太阳电池连,Kirchoff定律:IL=Iph-Id-IshIph=(3)1000ISC0(1+RSRSH)Id=I0expq(VL+ILRS)NKTNS-I0Ish=(VL+ILRS)RSH式中,Iph太阳电池的光生电流;I0太阳电池的暗电流,包括N、P型区的扩散电流、结区的复合-5电流等,I0=3186×10A;q电子电荷;IL电池的输出电流;VL太阳电池的输出电压;K波尔兹曼常数;T绝对温度。RB=coscosiz入射角:-1+sin)2coscos(s-i=coszcoszsin天顶角:-13s

7、insin<+coscos<cosz=cos太阳方位角:s=so+ewns式中:so=sinew=ns=-13180°sinz图3太阳电池阵列单二极管模型等价电路图Fig13Equivalentcircuitdiagramofsolararraybasedonsinglediodemodele1|-1其他)1<(<-0-1其他114太阳电池组件产电以及负载匹配因子计算MPPT电路一般是通过BUCK或BOOST型电路10-1其他ew=arccos(tantan<)式中,斜面倾角;地物表面反射率;i的DCDC变换电路,要求有较高的转换效率,一般在90%以上。

8、同时在使用MPPT控制器时存在着系统匹配的问题,DCDC变换电路的设计与PV组件功1198太阳能学报27卷率、负载大小要匹配,当匹配接近设计功率时效率更高。光伏系统工作时,太阳辐照强度变化很大(如图4所示),当太阳辐照度很低以及光伏组件输出功率与MPPT控制器名义设计功率相比很小时,MPPT控制器的效率很低。因此在计算太阳电池组件的输出功率时,必须考虑MPPT控制器在不同匹配下效率的变化。率:Pmp=ImpVmp(8)(9)蓄电池充电负载功率:PL=ILVL充入蓄电池的电能:EL=b-aP(t)dtabL(10)太阳电池组件最大产生电能:bEmax=Pmp(t)dtb-aa(11)匹配因子是太

9、阳电池方阵提供给负载的实际输,也就是:E(t)(12)E)图4MPPTFig14Efficiencyw注:图中P;PNOM为MPPT控MPPT控制器和蓄电池直接耦合两种方式时系统工作状况进行了模拟研究,该独立光伏系统由:标准测试条件下,峰值功率Pmp=100Wp,峰值电压Vmp=1715V,峰值电流Imp=5171A的太阳电池组件(太阳电池板朝南按照北使用MPPT控制器的太阳电池组件输出功率计算:PMPPT=PmpM使用MPPT控制器太阳电池组件产出电能:EMPPT京、广州地区的当地纬度倾斜布置)和12V,100AH免维护铅酸蓄电池以及每天工作8h的20W的直流节能灯负载组成。图5、图6给出了

10、在北京和广州地区采用MPPT控制器以及蓄电池直接耦合两种方法在1月和7月一天中产出电能的变化曲线图。从图5和图6可以看出,1月份北京和广州地区采用MPPT方式相对于直接耦合方式太阳电池组件对蓄电池充电获得的电能都有增加,在北京地区增幅更明显,全天产电增加了1411%,而广州地区增幅则较小,全天产电增加了318%;7月份,北京和广州地区都不采用MPPT的蓄电池直接耦合方式太阳电池组件对蓄电池充电获得的电能反而要大于采用MPPT方式的。我们发现冬季MPPT方式比夏季时作用更明显,如图9所示,由于采用蓄电池直接耦合充电时冬季的匹配因子都要比夏季时低,这时MPPT控制器的作用就更明显。主要是因为冬季的

11、低温导致的系统失配损失更大,此外由于冬季的太阳辐照一般比夏季差,因此蓄电池通常的充电状态也处在低充电状态,这样蓄电池的端电压也较低,进一步引起太阳电池组件与蓄电池间的失配。(4)Pab=b-aMPPT(t)dt(5)可以通过下面的公式计算太阳电池组件工作在4最大功率点时的电流、电压:VV(6)Imp=ISC01-C1exp-1+IC2VOC0式中,(C2C1=(1-Imp0ISC0)exp-Vmp0VOC0)C2=ln(1-IMP0ISC0)HVmp=VMP01+010539lgHTT+0(7)V=Vmp-VMP0I=0HTT+1000ISC0;-1T=Tcell-25Tcell=TA+010

12、3HT太阳电池阵列工作在最大工作点时的输出功12期陈维等:带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析1199图7和图8是北京和广州地区采用MPPT方式与直接耦合方式月产出电能以及月平均温度变化。从图7可以看出在冬半年的几个月北京地区采用MPPT相对于蓄电池直接耦合太阳电池板产出电能有较大增幅,而在下半年MPPT方式和蓄电池直接耦合产出电能相差不大,甚至在58月还出现负增长,虽然全年来看MPPT方式只比耦合方式仅多产出电能314%,然而从表1可以看出,北京地区在冬季的1月和12月的增幅分别是1219%和1116%,这个增长是很明显的。由于冬季的太阳辐照比夏季小以及用在太阳能路灯等冬季耗电量大的

13、季节性负载上,冬季产电量的增加,。图5北京地区采用1FigConofsmoduleoutputbetweenandbatterydirectlycoupledinonedayofJanuaryandJulyatBeijing图7北京地区采用MPPT方式与直接耦合方式典型月产出电能及月平均温度变化Fig17ComparisonofsolarmodulemonthlyoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupled,andvariancyofmonthlyexternaltemperatureinayearatBeijing图6广州地区采用MPPT

14、方式与直接耦合方式在1月和7月一天产出电能变化曲线Fig16ComparisonofsolarmoduleoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupledinonedayofJanuaryandJulyatGuangzhou图8广州地区采用MPPT方式与直接耦合方式典型月产出电能及月平均温度变化Fig18ComparisonofsolarmodulemonthlyoutputbetweenMPPTappliedandbatterydirectlycoupled,andvariancyofmonthlyexternaltemperatureina

15、yearatGuangzhou1200太阳能学报27卷从图8可以看出,广州地区采用MPPT方式相对于蓄电池直接耦合太阳电池板产出电能全年都很接近,从表1可以看出,在全年月平均气温最低的1月份,MPPT方式也只比直接耦合方式多产出电能213%,而且在全年大部分月份都是负增长,全年产电反而减少了115%,因此可以说在中国南方的广州等地区带蓄电池的光伏系统采用MPPT的作用不大。表1北京和广州地区采用MPPT相对于蓄电池直接耦合太阳能电池板产出电能增幅Table1ThemonthlyincrementofsolarmoduleoutputwithMPPTapplied(单位:%)10314-1151

16、1719016121116210北京广州1121921329161163516-2194212-3175-014-4106-119-3177-310-3128-214-3159311-213图9是北京和广州地区采用蓄电池直接耦合方式充电时月平均匹配因子变化,相比而言,北京地区的月平均匹配因子波动较大(从1月份的最小值0184到7月份的最大值0196);而广州地区的月平均匹配因子则变化比较平缓(全年都在0190以上,最大值是8月份的0197)的匹配因子相差不大,较大,高,从图81均气温也在,得多,-4。分析图7图9,发现当蓄电池直接耦合匹配因子越小时,MPPT相对于直接耦合方式增加电能越多,MP

17、PT的意义越明显;当匹配因子达到0194以上时,由于采用MPPT方式的电路本身要消耗一部分能量,这时MPPT方式反而比蓄电池直接耦合方式产出的电能还少。济性以及可靠性等多方面因素考虑。1)使用MPPT增加,应当保证采用MPPT;,在,全年气,此时带蓄电池的光伏系统中使用MPPT。而在全年温差变化比较大的中国北方地区,采用MPPT控制方式意义比较明显,能够很大的增加冬季系统产能,降低系统太阳电池组件和蓄电池容量,减少成本。若在全年气温都比较低的地区,则可以通过减少组件串联电池片个数的方式调节太阳电池组件和蓄电池间的匹配,这种方式更可靠和经济;3)论文中提到的MPPT控制器效率参数一般只有在大、中

18、型光伏系统中才能达到,而在小型光伏系统中,比如太阳能路灯等小功率的光伏系统(200Wp以下)中,在目前技术条件下,通常MPPT控制器效率很低,一般只有65%80%,因此即使在温差比较大的北方地区带蓄电池的小型光伏系统中使用MPPT控制器意义也不是很明显。通过对光伏组件平面辐照、光伏组件特性以及蓄电池负载数学模型计算,对在北京和广州地区两种典型气候条件下应用MPPT控制方式的效果进行图9北京和广州地区采用蓄电池直接耦合充电时月平均匹配因子变化Fig19Comparisonofmonthlymatchingfactorsolardirect2couplingsystembetweenBeijing

19、andGuangzhou了理论研究,研究结果对太阳能光伏系统中的控制器设计有一定的指导意义,详细的数值分析、实验研究工作将在以后进一步完成。符号HT倾斜面上的太阳总辐射强度,Wm;H水平面上的太阳总辐射强度,Wm;HB水平面上的太阳直接辐射强度,Wm;HD水平面上的天空散射辐射强度,Wm;22223结语在带蓄电池的光伏系统中是否选择采用MPPT控制方式要综合当地全年气温变化、负载状况、经12期陈维等:带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析21201H0大气层外水平辐照量,H0=1367Wm;RB倾斜面和水平面上直接辐照量的比值;输出电压;Imp太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电流;Vm

20、p太阳电池阵列工作在最大工作点时输出电压;Pmp太阳电池阵列工作在最大工作点时输出功率;斜面倾角;VL负载工作电压;VB蓄电池内电动势;Rb蓄电池的内阻;IL负载工作电流;Iph太阳电池的光生电流;Id太阳电池二极管漏电流;Ish太阳电池并联电阻漏电流;MPPT器件在不同输出情况下的效率;MPMPPT应用最大功率跟踪时负载实际输入功率。参考文献1HayJE.Calculationofmonthlymeansolarradiationforhori2zontalandinclinedsurfaceJ.SolarEnergy,1979,23(4):301307.2BraunJE,MitchellJ

21、C.Solarforfixedandtrack2ingsurfacesJ.SolarEnergy,:439444.3郭廷玮,.:科技文献出版太阳电池阵列负载匹配因子;太阳电池阵列提供给负载的实际输入能量;LEmax太阳电池阵列所能提供的最大能量;ISC0标准测试条件下太阳电池阵列的短路电流;Imp0标准测试条件下太阳电池阵列工作在最大工作点时输,198730.,等(I)CAD设出电流;Vmp0.,2003,24(5):717722.ONFUNCTIONOFMPPTFORTAICSYSTEMWITHSTORAGEBATTERYChenWei1,2,3,ShenHui3(1.GuangzhouIn

22、stituteofEnergyconversion,CAS,Guangzhou510070,China;2.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China;3.SolarsystemresearchinstituteofSunYat2SENuniversity,Guangzhou510275,China)Abstract:Inthephotovoltaicsystemwithstoragebattery,whenMPPT(maxiumpowerpointtracking)wasusedtoen2hanceoutputforbatterycharging,theenhancementmust