MPPT中一種新型變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的算法研究

摘要：世界能源的短缺以及環(huán)境污染已成為當(dāng)今日益嚴(yán)重的問(wèn)題，改變能源結(jié)構(gòu)，尋找可再生綠色能源愈來(lái)愈受到重視。太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全等特點(diǎn)，并且太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對(duì)于緩解能源危機(jī)，減少環(huán)境污染，減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。在傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上提出了一種光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量算法。
關(guān)鍵詞：光伏電池陣列；電導(dǎo)增量法；變步長(zhǎng)；最大功率點(diǎn)跟蹤

0 引言
目前，資源的短缺以及生態(tài)環(huán)境的破壞已經(jīng)成為日趨嚴(yán)重的全球性問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)和利用能夠支撐人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類(lèi)急切需要解決的問(wèn)題。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有安全可靠無(wú)污染，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注，具有廣闊的發(fā)展前景。但是，當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展受到兩方面的制約：首先其初期的投資成本較高，其次太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。因此光伏電池發(fā)電的最大功率點(diǎn)的跟蹤顯得尤為重要，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1 太陽(yáng)能電池陣列的發(fā)電原理及特性分析
1．1 光伏電池發(fā)電原理
太陽(yáng)能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。半導(dǎo)體在光照條件下吸收光能，激發(fā)出電子和空穴(正電荷)，從而半導(dǎo)體中有電流流過(guò)，即“光生伏特效應(yīng)”。光伏電池的等效電路如圖1所示。其中，Ig表示太陽(yáng)能光伏電池所產(chǎn)生的電流；D表示PN結(jié)二極管；Rsh及Rs分別表示材料內(nèi)部的等效并聯(lián)及串聯(lián)電阻；Ro為外接負(fù)載。

1．2 輸出特性曲線
光伏電池的I-U特性或P-U特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系及輸出功率和輸出電壓之間的關(guān)系。如圖2所示。

從上圖可以看出，太陽(yáng)能電池是一個(gè)既非電壓源也非電流源的非線性直流電源，特性具有強(qiáng)烈的非線性。光伏電池在低壓段近似為恒流源，在接近開(kāi)路電壓時(shí)近似為恒壓源，輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為光伏電池的最大功率點(diǎn)(MPP)。

2 傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法
目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)確性最高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏電池陣列中瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量來(lái)完成最大功率點(diǎn)的跟蹤，如圖3所示。

由P-U特性曲線可知，在最大功率點(diǎn)處斜率為0，即：

由式(3)可知：當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。

3 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法
在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法中，假設(shè)補(bǔ)償因子為△u，則△u的取值與能否很好實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤關(guān)系緊密。若△u設(shè)置太大，導(dǎo)致跟蹤精度不夠，太陽(yáng)能電池工作點(diǎn)雖然能夠在最大功率點(diǎn)附近，卻無(wú)法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確鎖定；反之若△u取值太小，雖然提高了跟蹤精度，但是跟蹤速度卻很慢，系統(tǒng)將損失較多能量。因此本文在此基礎(chǔ)上提出電導(dǎo)增量法的改進(jìn)算法。
3．1 步長(zhǎng)因子△u的選取
由光伏電池陣列的輸出特性曲線可知，在MPP處：
dP／dU=I+UdI／dU=0
dI／dU=-I／U即dU／dI=-U／I
令：
dU／dI=rs且U／I=r
則：
r／rs=-1即1+r／rs=0
這里設(shè)M=1十r／rs
因此可以直接把M作為步長(zhǎng)因子，那么該算法可以直接表示為：
rref(k+1)=rref(k)+M
3．2 算法的具體實(shí)現(xiàn)
經(jīng)過(guò)測(cè)試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開(kāi)路電壓的0．75～0．85倍，所以最小步長(zhǎng)值取±0．5，最大步長(zhǎng)值取±3，如圖4所示。

該算法的具體流程圖如圖5所示。

4 仿真與分析
為了驗(yàn)證該算法，在Matlab／Simulink中建立基于Boost升壓電路的控制器，對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，如圖6所示。

利用光伏電池陣列的通用仿真模型，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(S=1 000 W／m2，T=25℃)下，最大功率點(diǎn)的電壓及功率跟蹤如圖7所示。

在突然增大光強(qiáng)的條件下，光伏電池陣列的輸出功率變化如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)
這里在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出變步長(zhǎng)的改進(jìn)型電導(dǎo)增量法，提出了步長(zhǎng)因子△u的具體設(shè)置方案，對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤。利用Matlab／Simulink仿真工具中SimPowerSystems功能模塊，對(duì)太陽(yáng)能電池及其最大功率點(diǎn)的跟蹤進(jìn)行了有效仿真。