光伏系統發電效率提升方法研究

張光龍

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

大范圍的使用化石能源，給全球帶來了能源危機，也造成了難以逆轉的環境污染，而太陽能是一種綠色無污染的可再生資源，因為太陽能有著化石能源和其他可再生資源無法比擬的優勢，經過多年的發展和研究，轉換太陽能的光伏發電技術已經得到廣泛的關注和應用[1]。

但是目前的光伏發電系統，能源轉換效率非常低，受環境和天氣的影響大，很大程度阻礙了光伏產業的發展和普及。基于以上情況，為了提高光伏發電系統中太陽能的轉化率，本文深入研究了太陽跟蹤技術，從策略上優化了太陽的追光方法，并對最大功率跟蹤算法進行優化，提出了基于功率預測的恒壓啟動變步長擾動觀測法，通過仿真實驗及測試，驗證了改進方法對提升光伏系統發電效率的有效性。

1 太陽跟蹤及控制方法

太能板是光伏發電系統的核心部件，太陽板與太陽光的角度影響了太陽的輻射度，增加輻射度是提高太陽能的轉換效率的有效手段，而采用太陽跟蹤技術可以保持垂直照射，增加輻射度，有效提升能效轉換率，解決利用率低的問題。下面將對太陽跟蹤及控制的方法進行研究。

1.1 太陽高度角和方位角的計算

地平坐標系是天文觀測中比較直觀的天球坐標系，能夠通過地平方位角和地平高度角快速記錄行星位置，常用于天文測量、航海和航空定位觀測[2]。

在地平坐標系中，要確定地球上某個位置太陽的精確坐標，需要通過兩個維度來確定，一個是高度角，一個方位角。對應到光伏陣列的示例圖如下：

圖1 光伏電池的高度角和方位角

高度角α，是太陽光線與其在地平面投影的夾角，表示太陽高出地平面的高度。方位角用γ 表示，起點為正南方向，順時針向西為正，逆時針向東為負。太陽高度角α的計算公式如下：

其中，φ 是指當地的緯度，δ 是赤緯角，ω 是時角。真太陽時正午得時角ω=0，上式可簡化為：

由三角函數公式：

得 α=90°±（φ-δ），在北半球時 φ>δ 取正號。

太陽方位角的計算公式為：

根據以上公式，根據緯度、赤緯角和時角數據，可以實時的計算太陽高度角和方位角數據，為太陽跟蹤提供了可靠地數學依據。

1.2 太陽跟蹤方法

（1）視日跟蹤技術

參考太陽的運動規律，對太陽進行跟蹤的方法叫做視日跟蹤，與之相關的技術叫做視日跟蹤技術。確定太陽的位置是視日跟蹤的最關鍵的步驟，通過上文中提到的地平參考坐標系，以及太陽高度角和方位角的計算方法，可以快速根據太陽的具體位置進行跟蹤，使太陽能電池垂直太陽光，提高單位面積的輻射量，從而提高太陽能電池的能量轉換效率。

（2）光電跟蹤

光電跟蹤的原理是在太陽能跟蹤裝置上安裝光電傳感器，光敏傳感器根據太陽光照角度的變化，測量光強度的變化，經過A/D 轉換，輸出電信號，并傳給控制器。光電傳感器檢測太陽光方向是否偏離軸線，當太陽光發生偏離時，通過控制器分析和作差比較，發出偏差信號，輸出信號給驅動器，通過驅動器來控制電機轉向和轉動，使太陽能電池板重新對準太陽光線方向，達到系統的自動跟蹤效果。

1.3 太陽跟蹤控制改進設計

針對光電跟蹤和視日跟蹤兩種模式各自存在的問題，嘗試將兩種跟蹤方式相結合，取長補短，通過改進跟蹤策略的方式進行優化。改進后的復合跟蹤以光電跟蹤做為主要的跟蹤方式，視日跟蹤作為輔助的跟蹤方式，參考地理位置設定跟蹤時間，跟蹤模式根據天氣狀況通過中斷的方式自行切換。

夜晚光照強度降低到臨界值時，回到初始位置，停止光線追蹤，光照強度高于臨界值再重新啟動跟蹤。在多云或者陰晴不定的天氣時，光線忽明忽暗，使光電傳感器產生的電信號差值變小，如果低于預設最低差值，系統自動切換跟蹤模式，改為使用視日跟蹤的控制方式執行太陽跟蹤，同時改變跟蹤的頻率，不需要實時變化，采用定時跟蹤的策略，每隔一定的時間向控制器發出一次脈沖信號即可，盡可能的減少步進電機消耗的能量，當光線強度恢復到預設值以上（錯開數值防抖）繼續進行光電追蹤。

復合控制模式，能夠適應更大范圍的氣候條件，積累誤差少，跟蹤準確度高，工作過程穩定，可以全天候的進行太陽跟蹤，避免在陰晴不定的天氣狀況給系統帶來的損耗，使系統更加穩定。

2 最大功率點跟蹤方法研究

2.1 最大功率跟蹤基本原理

最大功率點跟蹤控制是通過實時檢測太陽能板的輸出電壓或電流，得到當前的實時功率，與上一次計算獲得的功率進行比較，參考當前的光照和溫度條件，采用合適的算法，根據前后兩次功率的比較結果，對太陽能電池可能的最大功率輸出位置進行預測[3]。然后根據預測的最大功率，改變電路中阻抗的大小，從而調整太陽能電池的工作點，使之保持最大功率點輸出，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tacking-MPPT），相應的技術稱之為最大功率點跟蹤技術[4]。最大功率點技術可以更加充分地利用太陽能板轉換的電能，提高光伏電池的轉換效率，降低發電成本。

2.2 最大功率跟蹤經典方法

（1）恒定電壓跟蹤法

當溫度保持在一個特定的值時，在不同的光照強度下，太陽能電池的P-V 特性曲線上的最大功率基本保持在電壓值Vm，Vm 為光伏電池的最大工作電壓，當光伏電池的輸出電壓鉗制在Vm 附近時，就可以保持穩定的最大功率輸出，這就是恒壓跟蹤法的工作原理。

（2）擾動觀察法

擾動觀察法的原理是：在光伏系統工作過程中，定時給當前的光伏陣列輸出電壓一個小范圍的波動，記錄擾動后輸出功率的變化，根據輸出功率的反饋來決定下一步電壓的擾動。

2.3 改進MPPT 控制方法

上文中對兩種經典的MPPT 控制方法的原理進行了分析，這些算法都有各自的優缺點。結合在實際工程中的應用，從策略上對變步長的擾動觀測法進行改進，提出一種復合的MPPT 控制算法——基于功率預測的恒壓啟動變步長擾動觀測法。其工作流程如下圖2 所示：

圖2 改進MPPT 控制算法的工作流程

基于功率預測的恒壓啟動變步長擾動觀測法對最大功率的跟蹤，采用了如下的優化策略：

（1）光照強度變化劇烈時采用恒定電壓法

當太陽能電池剛剛啟動時，或者在光照強度有大范圍的變動（如太陽偶爾被云層遮擋）時，使用擾動觀察或者電導增量法，會經歷一個較長周期的波動，才能趨于穩定，而恒定電壓法能夠根據電池自身的伏安特性，有一個最佳的電壓值來趨向于輸出最大功率，能夠有效避開啟動時大范圍的波動期，相比其他控制方法，能夠在最短的時間內到達最大功率點附近。經過多次試驗測試，選取100W/m2切換控制算法的閾值效果最佳，所以當光照強度的變化大于100W/m2，被認定為光強強度發生突變，采用恒定電壓法進行跟蹤。

（2）采用變步長的擾動觀察法

傳統的擾動觀察法擾動步長為一個固定值，設置較大的步長能夠快速響應環境的變化，但會使工作點在最大功率點附近反復波動，影響穩定性；設置較小的步長會使到達最大功率點的周期變長，使系統響應速度變慢，因此為了平衡速度和精度，選取合適的擾動步長十分關鍵。

所以根據上面的問題，對擾動步長進行調整，經過對比分析，本方案將影響擾動步長的光照強度分為三個區間。試驗表明，光照強度變化在50W/m2以上，基本不會出現跟蹤丟失的現象，因此將50W/m2作為擾動步長的一個切換閾值，而20W/m2以下的擾動變化反而更容易引起最大功率振蕩，所以將20W/m2作為停止擾動的另一個閾值。綜上所述，當光照強度的變化在50-100W/m2的范圍內采用一個較大的擾動步長，光照強度的變化在20-50W/m2的范圍內采用一個較小的擾動步長，光照強度的變化在0-20W/m2的范圍內，認為是一個極其微小的變化范圍，為了避免系統在最大功率點處來回震蕩，減少系統功率損耗，在這個范圍內不進行電壓擾動，當檢測外界環境變化超過22W/m2（錯值防抖）時，系統繼續進行擾動觀察算法最大功率跟蹤。

（3）使用功率預測法避免錯誤擾動

功率預測法是采用足夠高的采樣頻率，假定一個采樣周期內光照變化率恒定，則可得到一個采樣周期的預測頻率為理論上為某個時刻相同曲線上擾動前后的輸出功率，以此為依據為擾動提供正確的方向。本文中擾動觀察的流程如圖3。

圖3 基于功率預測的變步長擾動子程序流程

首先由U、I 的采樣值，計算kT 時刻和半個采樣周期（k+0.5）T 的功率值。根據上述功率預測法計算最后根據進行變步長擾動觀測，這樣可有效避免擾動方向的誤操作。

在以基于功率預測的變步長擾動時，可以再次進行步長的細分，將ΔP 分為三個區間段，采用兩級變步長進行電壓擾動觀測，a、b 分別為 ΔP 的區間閾值，ΔP 較大時選擇較大的擾動步長，ΔP 較小時選擇較小的擾動步長，小于b 時停止擾動。該方法不僅提高了光伏系統最大功率點跟蹤的快速性，同時有效避免了跟蹤過程中存在的振蕩和誤判。

2.4 仿真實驗

在Matlab/Simulink 環境下對改進算法的模型進行搭建，仿真控制圖如圖4 所示。

圖4 改進算法的仿真控制圖

對自適應步長增量電導法和改進的算法進行一下各自的仿真，選取50 組測試數據，仿真結果如下圖5、圖6所示：

圖5 變步長擾動觀察法法的仿真示意圖

從仿真數據的結果不難看出，當外界條件不變，與變步長擾動觀察法相比，改進算法能夠更快的找到最大功率點，而且震動幅度比較小，也驗證了改進方法的有效性。該控制算法充分綜合了功率預測法和變步長擾動觀測法各自的優點，提高了跟蹤的速度，克服了跟蹤過程中可能出現的誤判問題，降低了功率損耗。

3 結束語

本文從提高太陽能的發電效率出發，深入研究了太陽跟蹤技術，對最大功率跟蹤技術進行了優化，并設計了基于光伏發電的太陽自動跟蹤器，通過軟硬件仿真實驗及測試及，驗證了方法的有效性，對光伏產業發展的推廣和應用具有積極意義。

圖6 改進算法的仿真示意圖