金 薇

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信工程系，江蘇蘇州 215104)

近年來，能源短缺問題日益突出，人們迫切希望應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)。太陽能作為一種新型綠色能源越來越受到人們的重視。太陽能路燈以太陽光為能源，利用太陽能電池的光伏效應(yīng)原理，在光照達(dá)到一定強(qiáng)度時，太陽能光伏板將太陽光轉(zhuǎn)換的電能通過控制器對蓄電池進(jìn)行充電;當(dāng)光照度較低時，由控制器控制蓄電池對LED路燈供電。在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，太陽能電池屬于造價較高的部件，應(yīng)盡可能提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和充分利用太陽能電池產(chǎn)生的電能。

1 最大功率點(diǎn)跟蹤原理

太陽能電池的電氣特性主要與日照強(qiáng)度和溫度相關(guān)，圖1和圖2分別是太陽能電池在相同光強(qiáng)不同溫度情況下的功率/電壓和相同溫度不同光強(qiáng)情況下的功率/電壓特性。

圖1 相同光強(qiáng)不同溫度情況下的功率/電壓特性

圖2 相同溫度不同光強(qiáng)情況下的功率/電壓特性

如圖1和圖2所示，太陽能電池輸出特性具有非線性特征，會受到日照強(qiáng)度、溫度等因素的影響而使輸出產(chǎn)生變化，只有在某一輸出電壓值時，太陽能電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，稱之為最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)。在實(shí)際工作環(huán)境中，由于太陽能電池所處的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化是隨機(jī)的，所以其功率/電壓特性是多條不確定的曲線，不能采用一個固定的函數(shù)通過數(shù)學(xué)方法來求出其確定的最大功率點(diǎn)。

因此，在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的整體效率，應(yīng)實(shí)時檢測太陽能電池的輸出功率，根據(jù)在不同光照條件下太陽能電池內(nèi)阻不同的特點(diǎn)，控制改變與之配接負(fù)載的阻抗，達(dá)到與太陽能電池內(nèi)阻相匹配，獲得最大功率輸出，保證太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)上，這就是最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術(shù)［1］。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤算法

目前使用的太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤有固定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等。

2.1 固定電壓法

在一定的溫度下，不同的光照強(qiáng)度下太陽能電池輸出的最大功率點(diǎn)幾乎在一條垂直線上，如圖3所示，這表示太陽能電池的最大功率點(diǎn)對應(yīng)于某一固定電壓［3］?？梢韵惹蟮锰柲茈姵卦谀橙照諒?qiáng)度及溫度下的最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓大小Umax，再通過調(diào)整太陽電池的輸出電壓使其鉗制在Umax，就可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

圖3 不同日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的變化情況

這種方法操作簡單、穩(wěn)定性好、且易于實(shí)現(xiàn)。但這并非真正的最大功率跟蹤，其忽略了太陽能電池溫度對自身最大功率點(diǎn)的影響，在日照及四季溫差較大的地區(qū)不適用本方法。

2.2 擾動觀察法

擾動觀察法是每隔一定的時間，用較小的步長增加或者減少太陽能電池的輸出電壓，通過觀測功率變化的方向，來決定下一步的控制信號，這個過程稱之為“擾動”［4］。算法流程圖如圖4所示。根據(jù)上一次的檢測值U、I計算對應(yīng)的輸出功率P;再進(jìn)行當(dāng)前檢測U1、I1計算P1;比較P和P1，會出現(xiàn)兩種情況:(1)P1＞P，說明擾動方向正確，應(yīng)繼續(xù)保持原方向。(2)P1＜P，說明擾動方向錯誤，需調(diào)整擾動方向;如此循環(huán)，最終使工作點(diǎn)接近Pmax。

圖4 擾動觀察法算法流程圖

擾動觀察法跟蹤方法簡單，是一個自尋優(yōu)的過程，但太陽能電池會在最大功率點(diǎn)左右振蕩，造成能量損失，降低太陽能電池的效率。

2.3 電導(dǎo)增量法

通過圖1和圖2太陽能電池P－U曲線可知，最大功率點(diǎn)Pmax處的斜率為0。因為P=U×I，所以有，這是太陽能電池達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)太陽能電池輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時，太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)。

以上方法是根據(jù)太陽電池的P－U曲線特點(diǎn)來搜索最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓，從理論上講，電導(dǎo)增量法較為理想，但受測量設(shè)備的限制。擾動觀察法實(shí)現(xiàn)起來較為容易，其缺點(diǎn)可通過軟件加以改進(jìn)。這些方法各有利弊，可根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選用不同的控制方法。

圖5 電導(dǎo)增量法算法流程圖

3 最大功率點(diǎn)跟蹤算法改進(jìn)

通過上述分析可知，固定電壓法忽略了太陽能電池溫度對自身最大功率點(diǎn)的影響，只能使太陽能電池工作于最大功率點(diǎn)附近。而采用擾動觀察法太陽能電池會在最大功率點(diǎn)左右振蕩，造成能量損失。為充分利用太陽能電池的輸出功率，可將固定電壓法和擾動觀察法結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)［6］。

算法流程圖如圖6所示，實(shí)現(xiàn)過程中，先使用固定電壓法控制使輸出電壓穩(wěn)定到最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓大小Um，Δu指固定電壓法使用PI控制使輸出電壓穩(wěn)定到Um上計算出的電壓偏移量。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固定電壓法的控制目標(biāo)后，即滿足Um－ΔU＜Uk＜Um+ΔU時，進(jìn)行小步長的擾動觀察法，其中ΔU是設(shè)定電壓閥值。

與傳統(tǒng)擾動觀察法不同，這種算法首先直接將工作點(diǎn)調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，然后利用擾動觀察法對最大功率點(diǎn)附近的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，這樣保證了跟蹤的快速性。另外在最大功率點(diǎn)附近，采用擾動觀察法時設(shè)定的步長可遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)擾動觀察法中的擾動步長，從而可有效減小系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。

圖6 固定電壓法擾動觀察法相結(jié)合法算法流程圖

4 仿真分析

為驗證提出的改進(jìn)算法的優(yōu)越性，在 Matlab/Simulink中進(jìn)行了仿真。已知在溫度T=50℃時，某太陽能電池在S=1 200 W/m2時最大功率點(diǎn)約為30 W，在S=600 W/m2時的最大功率點(diǎn)功率約為13 W。在0.5 s時光強(qiáng)從S=1 200 W/m2變化到S=600 W/m2，在0.6 s時光強(qiáng)從S=600 W/m2變化到S=1 200 W/m2。采用固定電壓法、擾動觀察法、固定電壓法擾動觀察法相結(jié)合法分別進(jìn)行MPPT仿真，仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 固定電壓法仿真結(jié)果

圖8 擾動觀察法仿真結(jié)果

圖9 固定電壓法擾動觀察法相結(jié)合法仿真結(jié)果

對比圖7～圖9波形，可發(fā)現(xiàn):(1)在t=0.5 s時光強(qiáng)由1 200 W/m2降至600 W/m2，此時輸出電壓減小，固定電壓法的輸出功率擾動很大，造成功率損失;擾動觀察法在最大功率點(diǎn)附近有輕微擾動;固定電壓法擾動觀察法相結(jié)合法在短時間擾動后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。(2)在t=0.6 s時光強(qiáng)從600 W/m2升至1 200 W/m2，固定電壓法跟蹤失敗;擾動觀察法到t=0.9 s時穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，在t=0.6～0.9 s間擾動較大;固定電壓與擾動觀察相結(jié)合法到t=0.7 s時穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，功率損失較小。

通過仿真證明，在光強(qiáng)突變時，固定電壓法擾動觀察法相結(jié)合法比擾動觀察法有更快的跟蹤速度，且穩(wěn)態(tài)輸出功率波動更小。

5 結(jié)束語

在分析MPPT常見的技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新算法，將固定電壓法和擾動觀察法相結(jié)合，仿真驗證了這種新算法可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，進(jìn)一步提高了太陽能電池的利用效率。

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