新型光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方案

　　太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)，用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前地面光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低，但價(jià)格更便宜。

　　按照應(yīng)用需求，太陽能電池經(jīng)過一定的組合，達(dá)到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池，叫光伏組件。根據(jù)光伏電站大小和規(guī)模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。光伏組件，采用高效率單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進(jìn)的真空層壓工藝及脈沖焊接工藝制造。即使在最嚴(yán)酷的環(huán)境中也能保證長的使用壽命。組件的安裝架設(shè)十分方便。組件的背面安裝有一個(gè)防水接線盒，通過它可以十分方便地與外電路連接。對每一塊太陽電池組件，都保證20年以上的使用壽命。

　　太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)原理工作的太陽能電池則還處于萌芽階段。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴--電子對。在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。

　　1 光伏電池模型及輸出特性

　　1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

　　在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中，UJ為PN結(jié)電壓，Id為光伏電池在無光照時(shí)的飽和電流，Id=Io{EU+IRS) nKT-1}。一個(gè)理想的太陽能電池，由于串聯(lián)電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進(jìn)行理想電路的計(jì)算時(shí)，它們均可忽略不計(jì)。由圖1的太陽能光伏電池等效電路得出：I=Iph-I0[eq(U+IRS) nKT -1]- U+IR R s sh(1)式中，I為光伏電池輸出電流;I0為PN結(jié)的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷，q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學(xué)溫度;n為N結(jié)的曲線常數(shù);Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

　　圖1 光伏電池等效電路

　　1.2 光伏電池電氣特性

　　光伏電池的輸出特性主要通過I-U和P-U特性曲線來加以體現(xiàn)，如圖2所示。

　　圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

　　從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線與工作環(huán)境的光照、溫度等因素有著密切的關(guān)系，且具有明顯的非線性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，所以為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　2 MPPT控制方法的對比分析

　　MPPT控制器的全稱“最大功率點(diǎn)跟蹤”(Maximum Power Point Tracking)太陽能控制器，是傳統(tǒng)太陽能充放電控制器的升級換代產(chǎn)品。所謂最大功率點(diǎn)跟蹤，即是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電。下面我們用一種機(jī)械模擬對比的方式來向大家解釋MPPT太陽能控制器的基本原理。要想給蓄電池充電，太陽板的輸出電壓必須高于電池的當(dāng)前電壓，如果太陽能板的電壓低于電池的電壓，那么輸出電流就會(huì)接近0.所以，為了安全起見，太陽能板在制造出廠時(shí)，太陽能板的峰值電壓(Vpp)大約在17V左右，這是以環(huán)境溫度為25°C時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的。這樣設(shè)定的原因，(有意思的是，不同于我們普通人的主觀想象，下面的結(jié)論可能會(huì)讓我們吃驚)在于當(dāng)天氣非常熱的時(shí)候，太陽能板的峰值電壓Vpp會(huì)降到15V左右，但是在寒冷的天氣里，太陽能的峰值電壓Vpp可以達(dá)到18V!

　　國內(nèi)外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動(dòng)觀測法/爬山法、電導(dǎo)增量法等。恒定電壓法(CVT)就是將光伏電壓固定在最大功率點(diǎn)附近，該控制方法簡單容易實(shí)現(xiàn)，初期投入少，系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，測量開路電壓要求光伏陣列斷開負(fù)載后再測量，對外界條件的適應(yīng)性差，環(huán)境變化時(shí)不能自動(dòng)跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動(dòng)觀測法(P&O)和爬山法(Hill Climbing)都是通過不斷擾動(dòng)光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來尋找最大功率點(diǎn)的方向，該控制方法控制思路簡單，實(shí)現(xiàn)較為方便，跟蹤效率高，提高太陽能的利用效率，但是擾動(dòng)觀測法或爬山法的步長是固定的，如果步長過小，就會(huì)導(dǎo)致光伏陣列長時(shí)間地停滯在低功率輸出區(qū)，如果步長過大，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，并且在日照強(qiáng)度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤判現(xiàn)象。電導(dǎo)增量法是通過調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐步接近最大功率點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點(diǎn)電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強(qiáng)迅速變化引起的最大功率點(diǎn)變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，但是該控制算法較復(fù)雜，對控制系統(tǒng)性能和傳感器精度要求較高，硬件實(shí)現(xiàn)難。除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現(xiàn)一些較新、較實(shí)用的MPPT算法，如直線近似法、三點(diǎn)重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，跟蹤精度有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)，以模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等為代表的新算法的出現(xiàn)，也為最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)的快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。對于各種MPPT算法優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析如表1所示。由以上研究分析發(fā)現(xiàn)，每種MPPT控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中需要綜合考慮，根據(jù)不同的環(huán)境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

　　表1 MPPT控制方法比較

　　3 改進(jìn)爬山法研究

　　考慮到爬山法有較好的跟蹤效率，且實(shí)現(xiàn)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)，本文采用一種改進(jìn)爬山法，該方法采用CVT啟動(dòng)及變步長的控制策略。CVT啟動(dòng)方法是以0.78倍的開路電壓作為爬山法的運(yùn)行初值，能較好地克服爬山法在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的采樣誤差的缺點(diǎn)，能提高跟蹤速度。變步長控制法的思想是：當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較遠(yuǎn)時(shí)，步長取較大，跟蹤速度加快;當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較近時(shí)，步長取較小，慢慢接近最大功率點(diǎn);當(dāng)非常接近最大功率點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)定在該點(diǎn)工作。該變步長法能克服爬山法在最大功率點(diǎn)附近振蕩的缺點(diǎn)。改進(jìn)爬山法控制流程圖如圖3所示。

　　4 改進(jìn)爬山法仿真分析

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤器采用BooST

　　圖3 改進(jìn)爬山法控制流程圖

　　DC/DC變換電路來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比控制功率的輸出。在Boost變換器的電路中串入MPPT控制系統(tǒng)，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，編寫S函數(shù)作為MPPT的控制模塊，對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，MPPT仿真模型如圖4所示。

　　圖4 MPPT仿真模型

　　對短路電流3.2 A、開路電壓22 V、最大功率點(diǎn)電流2.94 A和最大功率點(diǎn)電壓17 V的光伏電池模塊組成17伊1的光伏電池陣列進(jìn)行仿真，即其短路電流和光伏電池陣列的開路電壓分別為3.2 V和374 V，光伏電池陣列最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓分別為2.94 A和289 V。光伏陣列輸入光強(qiáng)為1 000 W/m2，溫度為25 益。為了形成對比，對不加MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)、加爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)和加改進(jìn)爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 MPPT仿真圖形

　　由圖5可見，未加MPPT控制的光伏電池輸出功率振蕩范圍很大，輸出功率很不穩(wěn)定。爬山法MPPT控制系統(tǒng)能較好地跟蹤到最大功率點(diǎn)，但是在最大功率點(diǎn)處還有一定振蕩。改進(jìn)爬山法的MPPT控制系統(tǒng)有效地改善了爬山法的缺點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近振蕩小，跟蹤速度也比較快，提高最大功率跟蹤的效率。

　　5 結(jié)論

　　綜上所述，通過對幾種常見的MPPT控制方法的比較研究，可以看出，恒定電壓法控制簡單且易實(shí)現(xiàn)，但跟蹤精度差，在外界環(huán)境變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差;爬山法簡單實(shí)用、跟蹤效率高，但在最大功率點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生振蕩，存在誤差;電導(dǎo)增量法雖然跟蹤快速穩(wěn)定，但由于實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓和電流的檢測所依賴的傳感器精度的有限性，采用電導(dǎo)增量法很難達(dá)到預(yù)期的最大功率跟蹤效果。所以本文采用一種改進(jìn)爬山法，并對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)證明基于變步長的改進(jìn)爬山法能夠克服爬山法存在的振蕩現(xiàn)象和能量的損失，并且結(jié)合CVT啟動(dòng)能夠更加快速地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。因此改進(jìn)爬山法克服了常規(guī)跟蹤算法中存在的效率低、能量損失大、不穩(wěn)定等的缺點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)各種場合對光伏系統(tǒng)MPPT控制的要求，是一種較理想的MPPT控制方案。