一種改進(jìn)的太陽能電池MPPT技術(shù)

李 金，任稷林，祁承超，章周石

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì)，湖北 武漢430019；2.空軍預(yù)警學(xué)院科研部，湖北 武漢430019；3.空軍預(yù)警學(xué)院信息對(duì)抗系，湖北 武漢430019）

0 引 言

隨著化石能源的日益枯竭，可再生能源越來越受到人們的重視，而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的綠色能源得到了廣泛的應(yīng)用。其中光伏發(fā)電技術(shù)更是具有廣闊的發(fā)展前景。目前光伏發(fā)電主要面臨著設(shè)備造價(jià)高，太陽能轉(zhuǎn)化效率低等問題，所以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率成為了人們的研究重點(diǎn)。由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化具有強(qiáng)烈的非線性特性，在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，都希望太陽能光伏陣列在同樣日照、溫度條件下輸出盡可能多的電能，即存在一個(gè)最大功率的跟蹤［1］。目前最常用的最大功率點(diǎn)跟蹤的方法有：固定電壓法，固定電流法，擾動(dòng)觀察法和導(dǎo)納增量法。本文分析了擾動(dòng)觀察法和導(dǎo)納增量法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法的方法克服了上述兩種方法的不足。

1 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型及其特性分析

1.1 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型

光伏極板的等效數(shù)學(xué)模型為［2］：

式中，I為極板輸出電流；U 為極板輸出電壓；Iph為光生電流；Io為二極管飽和電流；q為電子的電荷量 （1.6×1019C）；Rs為太陽能電池的串聯(lián)電阻；n為二極管特性因子；k為玻耳茲曼常數(shù) （1.38×10－23J／K）；T為太陽能電池溫度；Rsh為太陽能電池的并聯(lián)電阻。

光伏極板的等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏極板等效電路圖

1.2 太陽能電池的輸出特性

由數(shù)學(xué)模型及等效電路圖可以得到太陽能電池在光照相同溫度不同時(shí)的I－U特性曲線如圖2所示。在溫度相同光照強(qiáng)度不同時(shí)的P－U曲線如圖3所示。其中S表示太陽輻射強(qiáng)度，T表示太陽能電池的溫度。

圖2 在S相同T不同條件下I－U曲線

圖3 在T相同S不同條件下P－U曲線

圖2 為光照強(qiáng)度S不變，光伏電池溫度T變化情況下的一組I－U曲線。從圖中可以看出，光伏電池的開路電壓Uoc隨電池溫度的上升而下降，且變化范圍較大；而光伏電池的溫度對(duì)短路電流Isc影響不大，隨著溫度的上升短路電流只是略有增加。圖3為溫度T相同的情況下，不同光照強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的不同輸出功率曲線，從圖中可知在同一溫度條件下輸出功率與光照強(qiáng)度成正比。

2 太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤

2.1 原理分析

太陽能電池的電氣特性如圖4所示。

圖4 太陽能電池的電氣特性

由圖4可以看出，太陽能電池的輸出特性，I－U、I－P特性都是典型的非線性曲線，且存在一個(gè)M點(diǎn)使得太陽能的輸出功率最大。而最大功率點(diǎn)跟蹤的目的就是在不同的工作條件中（溫度、光照強(qiáng)度）尋找M點(diǎn)使太陽能電池能時(shí)時(shí)輸出最大的功率。

2.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法的基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓（或電流），然后觀察光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率的變化趨勢(shì)聯(lián)系改變擾動(dòng)電壓（或電流）方向，使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)［3］。由圖3可知太陽能電池的P－U特性曲線是一個(gè)單峰值的曲線，假設(shè)當(dāng)前輸出電壓為U，現(xiàn)增加一個(gè)擾動(dòng)輸出電壓為U＋△U，然后觀察功率的變化，與擾動(dòng)之前比較，如果輸出功率增大，則說明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)以步長(zhǎng)△U向前擾動(dòng)。如果擾動(dòng)之后發(fā)現(xiàn)輸出功率比擾動(dòng)之前減小，則說明擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，應(yīng)以步長(zhǎng)為－△U向后擾動(dòng)。其工作流程圖如圖5所示。

圖5 擾動(dòng)觀察法的流程圖

擾動(dòng)觀察法最大的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中易于實(shí)現(xiàn)。擾動(dòng)觀察法的缺點(diǎn)在于其沒有判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)，即使系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn)，依然還會(huì)以固定步長(zhǎng)在最大功率點(diǎn)附近震蕩，這就造成了一部分功率的損耗。

2.3 導(dǎo)納增量法

由圖3可知，太陽能電池的輸出P－U曲線是一個(gè)單峰值曲線，在最大功率點(diǎn)其斜率為零。而導(dǎo)納增量法就是通過尋找這個(gè)斜率為零的點(diǎn)，來尋找最大功率點(diǎn)。

導(dǎo)納增量法是根據(jù)光伏陣列的P－U曲線在最大功率點(diǎn)處斜率為0而得出的：

式（2）可改寫為，

其具體工作過程如圖6所示。

圖6 導(dǎo)納增量法流程圖

導(dǎo)納增量法控制中，步長(zhǎng)△U決定了最大功率點(diǎn)跟蹤的速度。較大的步長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，但是在最大功率點(diǎn)附近震蕩較大，而較小的步長(zhǎng)跟蹤速度較慢。這就存在一個(gè)不可避免的矛盾。因此，需要對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行折中選取。

2.4 自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法

通過分析擾動(dòng)觀察法和導(dǎo)納增量法會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩種方法都需要一個(gè)固定的步長(zhǎng)。步長(zhǎng)選取較大，系統(tǒng)跟蹤速度快，但在最大功率點(diǎn)附近震蕩劇烈；步長(zhǎng)選取較小則會(huì)造成跟蹤速度較慢。這就要求對(duì)步長(zhǎng)的選取進(jìn)行折中考慮。但是在天氣變化較快的地區(qū)，則不適合使用這種固定步長(zhǎng)的方法。因此針對(duì)上述缺點(diǎn)本文提出了一種基于輸出P－U曲線斜率的自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法。

通過分析光伏電池的P－U曲線可以發(fā)現(xiàn)，在距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，斜率較大；在離最大功率點(diǎn)較近的地方，斜率逐漸減小，最大功率點(diǎn)處為0。圖7所示為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的P－U，d p－U曲線［4］。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的P－U和d p－U曲線

從圖7中可以看出P－U輸出曲線的斜率一直是一個(gè)變量，因此可以根據(jù)其斜率的大小來確定步長(zhǎng)，即步長(zhǎng)根據(jù)斜率變化而變化的，不再是一個(gè)確定的值。令步長(zhǎng)△U等于：

圖8 系統(tǒng)仿真圖

式中，β是一個(gè)比例系數(shù)。

基于改進(jìn)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法，得到Matlab／si mulink控制模塊如圖8所示。

設(shè)定溫度為25℃，光照強(qiáng)度從600 W／m2突變到800 W／m2，3.5 s之后溫度又突變?yōu)? 000 W／m2。其輸出功率如圖9所示。

圖9 輸出功率

仿真結(jié)果表明，這種改進(jìn)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法能夠快速地跟蹤最大功率點(diǎn)，在溫度發(fā)生突變的時(shí)候系統(tǒng)響應(yīng)速度快，基本消除了系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近震蕩的現(xiàn)象，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。且該系統(tǒng)克服了固定步長(zhǎng)造成的跟蹤速度與系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)之間震蕩的矛盾。

3 結(jié)束語

本文研究分析了太陽能電池的輸出特性和最大功率跟蹤的幾種常用的方法，并且提出了一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法。該方法克服了傳統(tǒng)固定步長(zhǎng)的導(dǎo)納增量法的不足。

［1］ 江小濤，吳麟章，周明杰.太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究［J］.通信電源技術(shù)，2005，22（4）：33－35.

［2］ 梁希文，蔡麗娟.逆變器死區(qū)效應(yīng)傅里葉分析與補(bǔ)償方法［J］.電力電子技術(shù)，2006，40（6）：118－120.

［3］ 張 興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.

［4］ 王義飛，吳 偉，張皞?cè)A，徐 悅.改進(jìn)型變步長(zhǎng)光伏最大功率點(diǎn)快速跟蹤［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，17（3）：249－258.