楊星宇

摘 要：為了解決化石能源造成的環(huán)境污染和氣候變暖問題，光伏等可再生能源成了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。為了充分利用光伏電池的輸出電能，根據(jù)光伏電池特性需要對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。本文分析了傳統(tǒng)定步長(zhǎng)擾動(dòng)跟蹤及一次變步長(zhǎng)擾動(dòng)法的缺點(diǎn)，提出一種根據(jù)下一時(shí)刻擾動(dòng)結(jié)果判斷狀態(tài)并自動(dòng)調(diào)節(jié)擾動(dòng)步長(zhǎng)的自適應(yīng)方法。仿真結(jié)果表明所提出的自適應(yīng)擾動(dòng)方法可以可以有效提高動(dòng)態(tài)速度和穩(wěn)態(tài)精度。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；自適應(yīng)擾動(dòng)；最大功率點(diǎn)跟蹤

化石能源的利用確實(shí)對(duì)日常生活產(chǎn)生了更多的便利影響，但是同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并明顯降低了人類的生活環(huán)境和質(zhì)量。對(duì)可持續(xù)能源的合理利用是未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的必然，比如當(dāng)前研究熱門的太陽(yáng)能、風(fēng)能以及潮汐能等。然而這些能源都是間歇性波動(dòng)能源，研究如何提升能源的利用率是對(duì)這些能源開發(fā)利用的關(guān)鍵。鑒于此，本文研究了光伏發(fā)電陣列的最大功率跟蹤方法。

1 光伏陣列的基本模型

太陽(yáng)能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)的，將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。光電效應(yīng)就是物體在吸收光能后，其內(nèi)部能傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏電池等效電路中對(duì)外輸出的各變量的關(guān)系為：

式中，Uoc為等效二極管的端電壓；q為單位電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為光伏電池的表面溫度；A為P-N結(jié)的曲線常數(shù)。根據(jù)光伏電池的特性關(guān)系，可以繪制出不同光照強(qiáng)度下光伏電池的電壓功率關(guān)系如圖1所示。

可見最大功率點(diǎn)受到光照強(qiáng)度的影響，此外還受到環(huán)境溫度的影響。

2 自適應(yīng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)MPPT機(jī)理

根據(jù)以上分析可知，在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。利用控制方法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tacking，MPPT）。

如圖1所示，光伏電池P-U特性曲線是一個(gè)以最大功率點(diǎn)為極值的單峰值函數(shù)，MPPT控制會(huì)根據(jù)負(fù)載點(diǎn)的位置選擇移動(dòng)方向去趨近最大功率點(diǎn)，即搜索ΔP/ΔU→0實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。以上分析可知，擾動(dòng)觀測(cè)法的擾動(dòng)電壓步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和速度有較大影響。

設(shè)在k時(shí)刻的電壓為Uk（k=0，1，2，3），電壓增量增量為ΔUk。為了同時(shí)保證動(dòng)態(tài)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)的精度。為ΔP和ΔU配置以下關(guān)系：

以上公式所實(shí)現(xiàn)的功能是：如果當(dāng)前擾動(dòng)在最大功率點(diǎn)附近，每當(dāng)擾動(dòng)越過(guò)一次Pmax就縮短一半步長(zhǎng)；若一次擾動(dòng)沒有越過(guò)最大功率點(diǎn)，則步長(zhǎng)擴(kuò)大一倍。這樣的算法設(shè)計(jì)可以有效提高穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)時(shí)的精度，系統(tǒng)會(huì)自適應(yīng)的改變步長(zhǎng)以應(yīng)對(duì)當(dāng)前的工作狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，在Matlab建立了光伏電池的MPPT仿真模型，同時(shí)為了防止系統(tǒng)失穩(wěn)，對(duì)最大擾動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行了限制。光強(qiáng)變化時(shí)的功率波形如圖2所示。

由圖可知，在光強(qiáng)變化時(shí)，功率迅速擾動(dòng)并跟蹤到最大功率點(diǎn)，在初次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)了較小的波動(dòng)，但后續(xù)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)平穩(wěn)，幾乎沒有脈動(dòng)存在。

4 結(jié)論

本文所提出的光伏陣列自適應(yīng)擾動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法能夠根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)，在動(dòng)態(tài)時(shí)增大擾動(dòng)步長(zhǎng)提高搜索速度，穩(wěn)態(tài)時(shí)縮小擾動(dòng)步長(zhǎng)以提高穩(wěn)態(tài)精度。仿真結(jié)果表明所提的方法快速有效。

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