張銳，高金峰，陶瑞，吳曉迪，劉青

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

一種光伏電池最大功率跟蹤算法

張銳，高金峰，陶瑞，吳曉迪，劉青

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

光伏電池的輸出特性呈現(xiàn)非線性，為了確保光伏陣列的輸出功率始終在最大功率點(diǎn)上，需要采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴▉?lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。采用固定電壓法與變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。該方法解決了固定電壓法在外界環(huán)境劇烈變化時(shí)不能工作在最大功率點(diǎn)上，以及電導(dǎo)增量法的動(dòng)態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)定性不能協(xié)調(diào)的問(wèn)題。理論分析證明了該算法的有效性及實(shí)用性。

光伏陣列；非線性；固定電壓法；電導(dǎo)增量法；極值點(diǎn)；最大功率跟蹤

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型的能源系統(tǒng)，已經(jīng)引起許多國(guó)家的關(guān)注和研究。利用太陽(yáng)能的主要挑戰(zhàn)是應(yīng)對(duì)它隨溫度和光照變化時(shí)的非線性輸出，太陽(yáng)能輻射的波動(dòng)性和隨機(jī)性以及溫度的變化會(huì)使系統(tǒng)的工作點(diǎn)變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏陣列不能持續(xù)工作在最大功率輸出點(diǎn)，進(jìn)而降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，減少了光伏陣列向電網(wǎng)或負(fù)荷注入的電能。因此，應(yīng)當(dāng)采取措施來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)就是使光伏陣列工作點(diǎn)能夠隨外界環(huán)境，如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外界條件的變化做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而達(dá)到任何時(shí)刻都能輸出最大功率的目的。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)電力電子和控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率跟蹤是提高光伏發(fā)電效率的有效途徑之一。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了各種各樣的最大功率跟蹤算法，如固定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等[1]。固定電壓法能夠快速鎖定跟蹤點(diǎn)，系統(tǒng)工作相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，最大功率跟蹤誤差較大，有較大的功率損失[2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)固定電壓法做了改進(jìn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)查表法能夠提高M(jìn)PPT的控制效果。擾動(dòng)觀察法跟蹤算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但跟蹤精度和響應(yīng)速度無(wú)法兼顧，在特定情況下可能會(huì)出現(xiàn)判斷失誤的現(xiàn)象[4]。電導(dǎo)增量法實(shí)質(zhì)上是對(duì)擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)，且步長(zhǎng)的大小決定跟蹤精度，若步長(zhǎng)過(guò)小，跟蹤精度高，但跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)；若步長(zhǎng)較大，系統(tǒng)反應(yīng)很快，但光伏系統(tǒng)有可能不是工作在最大功率點(diǎn)上，并且會(huì)在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)，加大了功率損耗[5-6]。模糊控制法在外部環(huán)境變化時(shí)能快速響應(yīng)，但模糊控制是有差控制，在最大功率點(diǎn)附近仍有振蕩，出現(xiàn)功率損失[7-8]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法有良好的魯棒性和較快的響應(yīng)速度，但其算法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜[9]。

為了解決跟蹤精度和跟蹤速度之間的矛盾，本文給出了一種算法，在變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，給出了一種通過(guò)極值點(diǎn)和固定電壓控制范圍的比較來(lái)判斷跟蹤狀態(tài)的控制算法，仿真和分析結(jié)果表明該算法在外界環(huán)境變化時(shí)，能夠快速搜索到最大功率點(diǎn)，且較好地抑制了系統(tǒng)最大功率點(diǎn)附近的振蕩，有效提高了系統(tǒng)跟蹤速度和精度。

1 光伏陣列輸出特性

考慮到光伏電池的非線性，根據(jù)圖1知光伏電池的伏安特性為：

在實(shí)際工程中，單個(gè)光伏電池的電壓很小，常采用串聯(lián)增加電壓、并聯(lián)增加電流的方式組合成光伏陣列來(lái)獲取大功率輸出。根據(jù)公式(1)，在Matlab中搭建光伏陣列模型，通過(guò)仿真其輸出特性如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5仿真分析得到的數(shù)據(jù)如表1和表2所示，可知：短路電流主要受光照輻射度變化的影響，但對(duì)開(kāi)路電壓影響較小，則當(dāng)光照輻射度變化不大的情況下，輸出開(kāi)路電壓變化小，光伏電池的輸出功率和光照輻射度成正比；而開(kāi)路電壓主要受到溫度的影響，但是對(duì)短路電流影響不是很大。輸出功率受到光照強(qiáng)度和溫度的影響，如表1所示，光照在1 000和400W/m2時(shí)輸出功率相差值為90.181 4W。但在一定條件下每個(gè)時(shí)刻都有一個(gè)最大功率點(diǎn)，因此需要采用控制算法實(shí)現(xiàn)最大功率搜索，保證光伏陣列能快速有效工作在最大功率點(diǎn)上。

圖1 光伏電池等效電路

2 最大功率跟蹤算法研究

根據(jù)光伏電池陣列的輸出特性可知，其U-I特性曲線為單膝曲線，對(duì)應(yīng)的P-I曲線為單峰曲線，則知在輸出過(guò)程的某個(gè)時(shí)刻必然有最大功率輸出，為了確保輸出功率始終在最大功率點(diǎn)上，必須采用一定的控制算法進(jìn)行控制。

固定電壓法：當(dāng)溫度一定時(shí)，不同光照強(qiáng)度下光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓幾乎相等，因此，固定電壓法的控制思路就是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，使光伏電池近似工作在最大功率處。該算法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，能夠快速鎖定跟蹤點(diǎn)，系統(tǒng)工作相對(duì)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生劇烈改變時(shí)，MPPT誤差較大，有較大的功率損失。

電導(dǎo)增量法：其工作原理是通過(guò)光伏電池中P-U曲線可知最大功率點(diǎn)的斜率為0，即d/d=0，由=通過(guò)求導(dǎo)得d/d=－/。此算法就是通過(guò)比較d/d與－/的關(guān)系來(lái)判斷調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的一種MPPT算法。其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，光伏電池的輸出電壓能以平穩(wěn)的方式變化；缺點(diǎn)是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精度要求較高，對(duì)控制系統(tǒng)要求高，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)高一些。

針對(duì)上述情況本文提出了用固定電壓和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法相結(jié)合求極值的方法。該算法利用固定電壓法能快速鎖定跟蹤區(qū)域，變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的快速響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤。為了能精確判斷跟蹤區(qū)域，用極值點(diǎn)的分布情況來(lái)判斷步長(zhǎng)的工作模式，如圖6所示。

光伏陣列的輸出功率可以表示為：

圖2 溫度相同光照不同時(shí)光伏電池U-I曲線

圖3 溫度相同光照不同時(shí)光伏電池P-U曲線

圖4 光照相同溫度不同時(shí)光伏電池U-I曲線

圖5 光照相同溫度不同時(shí)光伏電池P-U曲線

表1 溫度(25 °C)不變時(shí)不同光照條件下的光伏陣列輸出參數(shù)

表2 光照(1 000 W/m2)不變時(shí)不同溫度下的光伏陣列輸出參數(shù)

圖6 光伏陣列功率求極值曲線示意圖

根據(jù)固定電壓的鎖定區(qū)域跟蹤范圍可知，在變步長(zhǎng)工作模式中，通過(guò)比較1和1oc及2和2oc的大小來(lái)快速跟蹤，當(dāng)1oc＞1時(shí)，需以1oc為參考值進(jìn)行跟蹤，當(dāng)1oc＜1時(shí)，仍以1為參考值進(jìn)行跟蹤；2oc和2的比較依次類推，故可得如下判據(jù)：

該新型算法仍然是基于光伏陣列P-U曲線單峰值曲線，在最大功率點(diǎn)處有d/d=0，則知：

3 仿真結(jié)果與分析

為了仿真分析方便，設(shè)置光伏電池的仿真時(shí)間為2 s，離散時(shí)間為0.000 1 s，采樣間隔為0.2 s，結(jié)合函數(shù)得出仿真圖形如圖7～圖9所示。圖7是溫度為25℃，光照輻射度在1.2 s時(shí)刻由1 000W/m2下降到800W/m2，在1.6 s時(shí)刻光照輻射度由800W/m2下降到600W/m2的功率跟蹤圖；圖8是光照為1 000W/m2時(shí)，在1 s時(shí)刻溫度由0℃上升到25℃，在1.6 s時(shí)刻由25℃上升到50℃的功率跟蹤圖；圖9是光照為1 000 W/m2時(shí)溫度由25℃上升到50℃時(shí)的功率放大跟蹤圖。

由圖7所示的數(shù)據(jù)知在1.2 s時(shí)刻發(fā)生光照突變時(shí)，其輸出功率為81.02W，在1.8 s時(shí)刻由600W/m2上升到800W/m2時(shí)其輸出功率為111.2W，與表1中的輸出功率相差只有0.6 W左右；圖8所示的數(shù)據(jù)可知在1.2 s時(shí)刻溫度發(fā)生改變，由0℃上升到25℃時(shí)其輸出功率為141.09W，在1.8 s時(shí)刻由25℃上升到50℃時(shí)其輸出功率為127.84W，這和表2中的功率數(shù)據(jù)十分接近；綜合圖7、圖8及表1和表2可知該算法實(shí)現(xiàn)跟蹤最大功率點(diǎn)的精度在99.58%左右。圖9顯示了跟蹤時(shí)間僅需0.02 s，而文獻(xiàn)[10]所需的時(shí)間為1.2 s，因此，圖9表明了該算法在外界環(huán)境變化時(shí)能快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)跟蹤。

圖7 25℃時(shí)不同光照跟蹤波形圖

圖8 1 000W/m2時(shí)不同溫度下功率跟蹤圖

圖9 光照不變溫度變化時(shí)功率跟蹤部分放大圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)光伏陣列的輸出特性，提出了將固定電壓法和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法相結(jié)合求極值的方法，解決了固定電壓法在外界環(huán)境劇烈變化時(shí)不能工作在最大功率點(diǎn)上，以及電導(dǎo)增量法的動(dòng)態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)定性之間的不協(xié)調(diào)問(wèn)題。仿真和分析結(jié)果表明該算法在外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤，并且較好地抑制了最大功率點(diǎn)附近的振蕩，有效地提高了系統(tǒng)的跟蹤精度和速度。

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AMPPT algorithm for PV cell

ZHANG Rui,GAO Jin-feng,TAO Rui,WU Xiao-di,LIUQing

The output characteristics of the photovoltaic cellappear nonlinear,and for ensuring the output power of PV array always on the maximum power point,it requires appropriate control algorithm s to achieve maximum power point tracking.Constant voltage algorithm was combined w ith variable step incremental conductance algorithm to achieve maximum power tracking.Thismethod solved the problem that constant voltage method could notwork at the maximum power pointwhen externalenvironment dramatically changed,and that dynam ic tracking speed and steady outputstability of incremental conductance algorithm could notbe reconciled.Theoreticalanalysis proves the effectiveness and practicality of the algorithm.

PV array;nonlinear;constantvoltage algorithm;incrementalconductance algorithm;extreme point;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0858-03

2013-11-20

張銳(1986—)，男，河南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。