太陽能光伏最大功率跟蹤新算法

關(guān)旭++賈文超

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時(shí)刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗(yàn)證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導(dǎo)法無震蕩的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復(fù)雜的特性導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會(huì)隨著環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉(zhuǎn)換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術(shù)手段。現(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術(shù)有固定電壓法，增量電導(dǎo)法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導(dǎo)法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會(huì)在最大功率點(diǎn)處發(fā)生震蕩。本方案針對(duì)以上幾點(diǎn)，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對(duì)精確的優(yōu)點(diǎn)。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強(qiáng)度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產(chǎn)廠家會(huì)標(biāo)出每一個(gè)太陽能極板標(biāo)條件況下的最大功率點(diǎn)電流和電壓，從而在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下時(shí)可求。由（11）可知，的取值與和有關(guān)，而最大功率點(diǎn)隨溫度和光照強(qiáng)度的變化而變化，所以不是定值。在實(shí)際應(yīng)用中，的值非常小，其變化隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化也小，可以近似認(rèn)為不變。

通過采樣可測(cè)得光伏陣列工任意工作點(diǎn)作時(shí)的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個(gè)只含有一個(gè)未知數(shù)的非線性方程，經(jīng)證明此方程在最大功率點(diǎn)附近具有嚴(yán)格的單調(diào)性，所以可用迭代法在最大功率點(diǎn)附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效二極管正向?qū)娮瑁士烧J(rèn)為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導(dǎo)出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點(diǎn)電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點(diǎn)附近具有單調(diào)性，采取先用固定電壓法，通過檢測(cè)開路電壓Uoc，再檢測(cè)工作時(shí)刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠(yuǎn)，則將輸出電壓調(diào)整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點(diǎn)附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，分別在不同光照強(qiáng)度和不同溫度情況下，對(duì)此最大功率跟蹤算法進(jìn)行算法驗(yàn)證。不同光照強(qiáng)度（此時(shí)溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強(qiáng)度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號(hào)為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結(jié)語

經(jīng)驗(yàn)證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當(dāng)于直接將最大功率點(diǎn)電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導(dǎo)法這樣需要移動(dòng)步長(zhǎng)，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)節(jié)輸出電壓的過程，所以不會(huì)出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術(shù)，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué)（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005.17（5）.endprint

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時(shí)刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗(yàn)證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導(dǎo)法無震蕩的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復(fù)雜的特性導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會(huì)隨著環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉(zhuǎn)換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術(shù)手段。現(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術(shù)有固定電壓法，增量電導(dǎo)法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導(dǎo)法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會(huì)在最大功率點(diǎn)處發(fā)生震蕩。本方案針對(duì)以上幾點(diǎn)，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對(duì)精確的優(yōu)點(diǎn)。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強(qiáng)度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產(chǎn)廠家會(huì)標(biāo)出每一個(gè)太陽能極板標(biāo)條件況下的最大功率點(diǎn)電流和電壓，從而在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下時(shí)可求。由（11）可知，的取值與和有關(guān)，而最大功率點(diǎn)隨溫度和光照強(qiáng)度的變化而變化，所以不是定值。在實(shí)際應(yīng)用中，的值非常小，其變化隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化也小，可以近似認(rèn)為不變。

通過采樣可測(cè)得光伏陣列工任意工作點(diǎn)作時(shí)的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個(gè)只含有一個(gè)未知數(shù)的非線性方程，經(jīng)證明此方程在最大功率點(diǎn)附近具有嚴(yán)格的單調(diào)性，所以可用迭代法在最大功率點(diǎn)附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效二極管正向?qū)娮瑁士烧J(rèn)為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導(dǎo)出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點(diǎn)電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點(diǎn)附近具有單調(diào)性，采取先用固定電壓法，通過檢測(cè)開路電壓Uoc，再檢測(cè)工作時(shí)刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠(yuǎn)，則將輸出電壓調(diào)整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點(diǎn)附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，分別在不同光照強(qiáng)度和不同溫度情況下，對(duì)此最大功率跟蹤算法進(jìn)行算法驗(yàn)證。不同光照強(qiáng)度（此時(shí)溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強(qiáng)度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號(hào)為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結(jié)語

經(jīng)驗(yàn)證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當(dāng)于直接將最大功率點(diǎn)電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導(dǎo)法這樣需要移動(dòng)步長(zhǎng)，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)節(jié)輸出電壓的過程，所以不會(huì)出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術(shù)，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué)（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005.17（5）.endprint

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時(shí)刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗(yàn)證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導(dǎo)法無震蕩的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復(fù)雜的特性導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會(huì)隨著環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉(zhuǎn)換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術(shù)手段。現(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術(shù)有固定電壓法，增量電導(dǎo)法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導(dǎo)法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會(huì)在最大功率點(diǎn)處發(fā)生震蕩。本方案針對(duì)以上幾點(diǎn)，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對(duì)精確的優(yōu)點(diǎn)。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強(qiáng)度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產(chǎn)廠家會(huì)標(biāo)出每一個(gè)太陽能極板標(biāo)條件況下的最大功率點(diǎn)電流和電壓，從而在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下時(shí)可求。由（11）可知，的取值與和有關(guān)，而最大功率點(diǎn)隨溫度和光照強(qiáng)度的變化而變化，所以不是定值。在實(shí)際應(yīng)用中，的值非常小，其變化隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化也小，可以近似認(rèn)為不變。

通過采樣可測(cè)得光伏陣列工任意工作點(diǎn)作時(shí)的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個(gè)只含有一個(gè)未知數(shù)的非線性方程，經(jīng)證明此方程在最大功率點(diǎn)附近具有嚴(yán)格的單調(diào)性，所以可用迭代法在最大功率點(diǎn)附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效二極管正向?qū)娮瑁士烧J(rèn)為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導(dǎo)出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點(diǎn)電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點(diǎn)附近具有單調(diào)性，采取先用固定電壓法，通過檢測(cè)開路電壓Uoc，再檢測(cè)工作時(shí)刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠(yuǎn)，則將輸出電壓調(diào)整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點(diǎn)附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，分別在不同光照強(qiáng)度和不同溫度情況下，對(duì)此最大功率跟蹤算法進(jìn)行算法驗(yàn)證。不同光照強(qiáng)度（此時(shí)溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強(qiáng)度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號(hào)為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結(jié)語

經(jīng)驗(yàn)證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當(dāng)于直接將最大功率點(diǎn)電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導(dǎo)法這樣需要移動(dòng)步長(zhǎng)，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)節(jié)輸出電壓的過程，所以不會(huì)出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術(shù)，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué)（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005.17（5）.endprint