光伏電池最大功率跟蹤算法的研究

當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類似為一個(gè)恒流源；當(dāng)電壓超過一定的臨界值繼續(xù)上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類似為一個(gè)恒壓源[2]。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里，通過改變光伏陣列所帶的等效負(fù)載，調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。

3 最大功率跟蹤控制算法

目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法和電導(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)增量法是通過比較光伏電池陣列的瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量的方法來完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。

達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。在輻射強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩(wěn)追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動小[3]。

電導(dǎo)增量法通過設(shè)定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的鄰域內(nèi)，而不是圍繞著最大功率點(diǎn)前后波動。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到另外一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電導(dǎo)增量法根據(jù)電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會像擾動觀察那樣出現(xiàn)誤判斷。

圖3 電導(dǎo)增量法的控制流程圖

圖3中的U（k）、I（k）是檢測到的光伏電池陣列當(dāng)前電壓、電流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的電壓、電流采樣值。

光伏電池陣列與Boost電路相接時(shí)，假設(shè)外部負(fù)載仍為純電阻負(fù)載，并忽略Boost電路本身阻抗的情況下，根據(jù)Boost電路的阻抗變換關(guān)系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。 D為Boost電路的開關(guān)占空比，R為電阻性負(fù)載的阻抗。

圖4 Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對光伏電池陣列進(jìn)行最大功率跟蹤過程中，工作電壓的控制是通過Boost升壓電路完成的。當(dāng)占空比D越大時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過改變Boost電路的占空比D，使其等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤的理論依據(jù)。對于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。

4 最大功率跟蹤時(shí)的問題

采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率跟蹤過程中，通過調(diào)節(jié)Boost電路的占空比來實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列的工作點(diǎn)電壓的控制，從而達(dá)到最大功率的跟蹤。然而通過光伏電池的電壓/電流曲線和電壓/功率曲線可以看出，工作在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)是改變相同步長的工作電壓對光伏電池的輸出功率改變是不同的。在恒流源區(qū)內(nèi)，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區(qū)對電流的影響卻是非常明顯。為了能夠更快、更精確的追蹤到光伏電池的最大功率輸出的工作電壓電流，需要對跟蹤的方法進(jìn)行改進(jìn)。

5 改進(jìn)方法

根據(jù)相同工作電壓變化量在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)的不同影響效果，對兩個(gè)區(qū)內(nèi)電壓變化的步長作適當(dāng)調(diào)整，提高最大功率跟蹤的效率。經(jīng)過測試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區(qū)與恒壓源區(qū)電壓范圍的比例關(guān)系大概是4:1。如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒壓源區(qū)時(shí)，其工作電壓肯定大于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長為△V；反之，如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒流源區(qū)時(shí)，其工作電壓肯定小于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著增大工作電壓的方向變化。為了提高跟蹤速度，取它的電壓變化步長為4△V。