一種新光伏雙軸跟蹤系統的改進

唐志濤， 劉希峰， 黃冬梅， 楊秀菊

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.國網聊城供電公司，山東聊城252000)

一種新光伏雙軸跟蹤系統的改進

唐志濤1， 劉希峰2， 黃冬梅1， 楊秀菊2

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004；2.國網聊城供電公司，山東聊城252000)

針對當前光伏雙軸跟蹤發電系統對太陽能利用效率低的不足，在該系統中引進了一種改進的MPPT算法，將光照、溫度、濕度等參數作為此系統的狀態量，使系統的響應更符合實際環境變化的需求。利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統，通過波形和數據分析比較，結果表明，引入MPPT算法的雙軸跟蹤系統能時刻保證光伏電池工作在最大功率點，該算法具有可行性和高效性。

雙軸跟蹤系統；最大功率點跟蹤；MATLAB/Simulink

隨著傳統石化能源緊缺和環境污染日益嚴重，人們迫切需要尋找一種無污染，大規模，可再生的新能源，所以太陽能發電成為當前關注的熱點。為充分利用太陽能，從最初的光伏單軸跟蹤系統，到如今的雙軸跟蹤系統都表明人們對能源利用的智慧。單軸跟蹤系統只是在方位角上跟蹤太陽，雙軸跟蹤系統則是從方位角和高度角兩個自由度來追蹤太陽，實現全方位的追蹤，從而保證電池板始終以最大面積接受光照，光伏雙軸跟蹤系統雖保證了電池板始終以最大面積接受光照，提高了光照利用率，但不能保證電池始終工作在最大功率處，目前市場上的雙軸跟蹤系統還沒有引入高效的MPPT算法，只是單純地跟蹤，造成大量的光能損耗。為改善此不足，本文在光伏雙軸跟蹤系統中引入了一種改進型的MPPT算法，使太陽電池板不僅僅從物理上最大地接收光能，也能從算法上跟蹤最大功率點。

1 光伏雙軸跟蹤系統

光伏雙軸跟蹤系統能時刻跟蹤太陽光照，保證電池板始終以最大面積接受光照，所以其應用也越來越廣泛，其跟蹤機制是由兩個旋轉自由度組成，一是水平方向上旋轉的方位角跟蹤，另一是高度上旋轉的俯仰角跟蹤。

從圖1可見，當電池板左右兩側光照強度不一樣時，光電接收器會產生一個電壓誤差信號，經控制器的計算得到控制驅動信號，驅動方位角步進電機轉動，使電壓偏差信號歸零。俯仰角也是類似原理，從而保證光伏陣列時刻跟蹤光照，使陽光始終垂直射在光伏陣列上，提高光能的利用率。

圖1 雙軸跟蹤結構

2 改進型的MPPT算法

2.1 常規的擾動觀察法

擾動觀察法是目前實現最大功率跟蹤的常用方法之一，設某時刻光伏電池輸出的電壓為-1，給其加上一個擾動值±Δ。

上述算例中MPPT算法都是假設某時刻光照、溫度不變，在此條件下，計算最大功率點，但當溫度、光照時刻變化時，算例中的算法往往會失效，造成系統震蕩，使系統不能工作在最大功率點處。本文就是基于實際環境下，即光照、溫度時刻變化情況下提出了一種改進的MPPT算法。

2.2 改進MPPT算法

光照、溫度變化嚴重影響光伏陣列參數，從而制約其發電效率。在標準的輻射照度=1 000 W/m2和標準溫度ref=25℃下，OCref、MPPref是已知給定的。根據參考文獻[1-3]，當光照強度和溫度變化時，提出下面一種改進的的計算公式，根據此公式算出與光照、溫度的關系，然后再算出溫度、光照變化時最大功率點電壓、電流等參數，通過調節占空比α，跟蹤最大功率點。

圖2 算法流程圖

3 仿真

為驗證所提出算法的有效性，利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統。仿真模型圖3，仿真對象為光伏陣列，在標準測試條件下，溫度為光照強度為800 W/m2和1 000 W/m2時波形及光照強度從變化時，光伏電池輸出的響應波形[4-7]。

光伏陣列利用Boost電路進行最大功率點跟蹤。圖3仿真模型中的Subsystem系統計算出光伏陣列輸出電壓，然后與給定的三角波比較，根據誤差值計算輸出控制量與三角波比較后得到驅動開關管MOSFET波形，設最初波形占空比為0.5。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)是仿真波形。

圖3 系統仿真圖

圖4 仿真波形

從圖4(a)、圖4(b)仿真波形可知不同光照時最大功率點的位置以及大小不一樣。當溫度不變時，光照強度不會改變最大功率點的位置。從圖4(c)可知，當光照從=800 W/m2到=1 000 W/m2變化時，該算法能快速地跟蹤最大功率點并且穩定在最大功率點處，從圖4(c)中也可見此動態過程非常短暫，動態響應速度快，滿足該系統的要求，仿真結果也驗證了該算法效率非常高，功率增加近30%,這對于提高雙軸跟蹤系統的發電效率至關重要。

4 結論

在雙軸跟蹤系統的研究中提出了一種改進的MPPT算法，并將該算法應用到此系統中，該算法最大優點就是能跟隨著外界環境變化而快速地跟蹤最大功率點，尤其是對外界環境劇烈變化時，克服以往固定電壓法不能適應外界環境迅速變化的弊端，同時也消除了擾動觀察法的穩態輸出穩定性與動態跟蹤速度之間的矛盾，從而提高了光伏雙軸跟蹤系統的發電效率，具有很大的社會經濟效益。

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Improvement of a novel photovoltaic double axes tracking system

TANG Zhi-tao1,LIU Xi-feng2,HUANG Dong-mei1,YANG Xiu-ju2

For the low solar utilization of photovoltaic double axes tracking system,a kind of improved MPPT algorithm was put forward.Irradiation,temperature and humidity were used as state parameters,leading the system response meet the demand for actual environment changes.The simulation system was built through MATLAB/Simulink.The results show that photovoltaic double axes tracking system based on improve MPPT algorithm can ensure that photovoltaic cells always works in the maximum power points,demonstrating the effectiveness and efficiency.

double axes tracking system;MPPT;MATLAB/Simulink

TM 646

A

1002-087 X(2015)04-0825-03

2014-09-12

唐志濤（1987—），男，山東省人，碩士，主要研究新能源發電并網技術及開關變換器。