基于增量電導法的光伏最大功率點跟蹤研究

日照職業技術學院 金昌龍 賈祥云

0 引言

隨著全球工業的迅速發展，能源短缺和化石燃料的大量使用帶來的污染嚴重制約了社會的發展。光伏發電作為近年來新興的能源形式，以其無污染、干凈清潔等優點逐步被社會所重視。但是太陽能電池造價偏高，轉換效率偏低，導致其發電成本居高不下。利用最大功率點跟蹤技術能夠提高對太陽能發電的效率，降低光伏系統的發電成本，推動光伏發電普及及應用。

1 光伏發電的意義

當前煤和石油等不可再生的化石能源是人類社會主要的能量來源形式。隨著社會的發展，人們對能源的需求量越來越大，而煤和石油等不可再生能源的儲量卻越來越少。加快尋找可再生能源的步伐是現在的當務之急。

在當前不同可再生資源中，太陽能具有無污染、儲量大等優點。因此，合理開發利用太陽能對緩解人類當前面臨的能源問題有著極其重要的作用，并且光伏發電技術是當今利用太陽能最有效的一種形式[1]。近年來，世界上很多國家特別是一些發達國家的政府依次頒布各種優惠政策，執行國家項目，擴大光伏發電市場的規模，有力地推動了光伏發電產業的發展[2]。從長遠看，隨著太陽能技術的不斷發展，在不久的將來，太陽能光伏發電會成為可再生能源發展的亮點之一，光輝燦爛的太陽能新時代必將到來[3]。

2 光伏電池的特性

2.1 光伏電池簡介

光伏電池，也就是一般我們說的太陽能電池，可以通過半導體元件的光電效應，將光能直接轉化為電能。光電效應是當光線照射到某些物體表面，其內部的電子會被激發并逃逸，從而形成電流，也就是光電流。光伏電池是光伏發電的核心部分，加工成本和轉換效率對于光伏發電應用和普及的影響巨大[4]。

2.2 光伏電池的特性

下圖示出光伏電池在不同S（日照強度）相同T（環境溫度）和不同T相同S條件下的I-U和P-U特性曲線。

圖2-1是利用MATLAB建立光伏電池的仿真模型后的仿真曲線。

上圖（a）為在相同T不同S條件下光伏電池的I-U特性仿真曲線。

上圖（b）為在相同S不同T條件下光伏電池的I-U特性仿真曲線。

上圖（c）為在相同T不同S條件下光伏電池的P-U特性仿真曲線。

上圖（d）為在相同S不同T條件下光伏電池的P-U特性仿真曲線。

由圖可以看出，仿真曲線與理論曲線一致，說明仿真模型建立正確。

3 最大功率點跟蹤控制算法

周圍環境的溫度以及光照強度都會影響光伏元件的輸出功率。但是在特定的外圍環境中，光伏元件有著唯一的最大功率輸出點。為了能夠跟蹤光伏半導體元件的最大功率輸出點，一般在光伏半導體元件和負載之間串聯一級DC－DC電路，該電路根據光伏元件輸出電壓可選擇升壓或者降壓，保持元件輸出在最大功率點。

在外界光照強度發生變化的時候光伏元件的最大功率點也會發生變化。我們需要使用光伏最大功率跟蹤（MPPT）來使光伏元件工作在最大功率點附近。MPPT是Maximum Power Point Tracking的簡稱，MPPT控制器能夠實時偵測太陽能電池的發電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統以最高的效率對蓄電池充電[5]。光伏元件的最大功率點跟蹤的實現重要的控制算法，在外界環境變化的時候能夠盡快調整到最大功率輸出。本設計就是通過MATLAB仿真來比較當外界光照強度變化的時候系統最大功率點跟蹤的效果。

當前常見的最大功率點跟蹤算法有直線近似法、擾動觀察法、實際測試法、增量電導法、恒定電壓法等，除此之外還有模糊控制法、基于預測數據的最大功率跟蹤方法等新的方法。

3.1 MPPT控制基本工作原理

當外界環境發生變化的時候，光伏半導體器件的輸出特性也會隨之發生變化[6]。因此，為了使光伏系統達到最大功率的輸出，需要增加輸出控制電路以及使用一定的控制算法，提高光伏元件的輸出效率。假定光伏電池的溫度變化不會很大的時候，光伏器件的電壓電流特性曲線如圖3-1所示。

圖3-1中的上下兩條曲線I和II為不同光照強度下的光伏元件電壓電流特性曲線，負載1和負載2是兩條不同狀況下的特性曲線，A、B兩點分別是光伏元件在不同的光照強度下的最大功率輸出點。我們假設光伏元件工作在圖中A點的時候，外界光照條件有所增強。在一般的情況下，設備負載不會突變，這個時候光伏元件工作點會轉移到圖中的A'點。從圖中的特性曲線I中可以分析出，光伏元件的最大功率輸出點是在圖中的B點，因此我們需要通過最大功率點控制電路根據一定算法對輸出進行調整，使外電路的工作特性變為圖中的負載2曲線，使光伏元件能夠保持最大功率的輸出。

3.2 增量電導法控制工作原理

增量電導法是常用的一種MPPT控制方法。其控制算法原理是利用斜率來判斷是否工作在最大功率點。由光伏元件在最大功率點處的特性公式，可推導出公式3-1：

圖3-1 MPPT工作原理示意圖

當我們對光伏發電設備使用增量電導法進行控制的時候，如果能夠滿足上述公式，那么設備當前工作在最大功率點處。這個時候控制電路將保持參數穩定，從而維持輸出電壓恒定。本方法算法較為復雜，同時對光伏元件的輸出電壓、輸出電流等數據要求精度高，因此傳感器成本較高。

實際使用的時候，增量電導法控制效果最好，可減少在Pmax點附近的震蕩，使其更能適應光照變化較為劇烈和頻繁的自然條件。對傳感器精度要求非常高，否則會出現誤判斷的情況。因此使用傳統的增量電導法進行控制的系統成本相對較高，模型計算過程也相對復雜，控制效率不高[7]。

4 基于增量電導法的MPPT控制MATLAB仿真

本文采用增量電導法對各種情況下的最大功率點跟蹤進行仿真，仿真所用的光伏陣列的具體技術參數如下：

最大功率點輸出電流Ipm=3.16A

光伏元件開路電壓Voc=21.7V

短路電流Isc=3.4A

最大功率點輸出電壓Vpm=17.4V

對電壓、電流的采樣周期0.1ms。

圖4-1 25℃光照強度增大時仿真波形

圖4-1是溫度在25℃的時候，當光照強度s由500勒克斯增加到1 000勒克斯時，根據增量電導法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-2 25℃時光照強度減小時仿真波形

圖4-2是溫度在25℃的時候，當光照強度s由1 000勒克斯減小到500勒克斯時，根據增量電導法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-3 溫度由47℃降低為27℃時的仿真波形

圖4-3是在光照強度為1 000勒克斯的時候，當溫度T由47℃降低到27℃時，根據增量電導法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-4 溫度由27℃升高為47℃時的仿真波形

圖4-4是在光照強度為1000勒克斯的時候，當溫度T由27℃升高到47℃時，根據增量電導法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

[1]王斯成．國內外光伏發電現狀及趨勢[J]．中國電力發展與改革研究，2009，12：22-25．

[2]（美）J.A.達菲，W.A.貝克曼．太陽能－熱能轉換過程[M]．北京：科學出版社，1980．

[3]楊婷婷.獨立光伏發電系統控制研究[D].2013．

[4]崔巖.太陽能光伏系統MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學報.哈爾濱工業大學出版社，2006．

[5]余發平.基于自適應PI控制的太陽能LED照明系統PWM恒流控制器[J].太陽能學報，2006，27（2）：132-135.

[6]張超.光伏并網發電系統MPPT及孤島檢測新技術的研究[D].2006．

[7]G.J.Yu，Y.S.Jung，J.Y.Choi and G.S.Kim．A novel two-mode MPPT cont rolalgorithm based on comparative study of existing algorithms[J]，Solar Energy，2004，76(4)：455-463．