張光龍

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

大范圍的使用化石能源，給全球帶來了能源危機，也造成了難以逆轉(zhuǎn)的環(huán)境污染，而太陽能是一種綠色無污染的可再生資源，因為太陽能有著化石能源和其他可再生資源無法比擬的優(yōu)勢，經(jīng)過多年的發(fā)展和研究，轉(zhuǎn)換太陽能的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1]。

但是目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)，能源轉(zhuǎn)換效率非常低，受環(huán)境和天氣的影響大，很大程度阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及?；谝陨锨闆r，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能的轉(zhuǎn)化率，本文深入研究了太陽跟蹤技術(shù)，從策略上優(yōu)化了太陽的追光方法，并對最大功率跟蹤算法進行優(yōu)化，提出了基于功率預(yù)測的恒壓啟動變步長擾動觀測法，通過仿真實驗及測試，驗證了改進方法對提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的有效性。

1 太陽跟蹤及控制方法

太能板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，太陽板與太陽光的角度影響了太陽的輻射度，增加輻射度是提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率的有效手段，而采用太陽跟蹤技術(shù)可以保持垂直照射，增加輻射度，有效提升能效轉(zhuǎn)換率，解決利用率低的問題。下面將對太陽跟蹤及控制的方法進行研究。

1.1 太陽高度角和方位角的計算

地平坐標(biāo)系是天文觀測中比較直觀的天球坐標(biāo)系，能夠通過地平方位角和地平高度角快速記錄行星位置，常用于天文測量、航海和航空定位觀測[2]。

在地平坐標(biāo)系中，要確定地球上某個位置太陽的精確坐標(biāo)，需要通過兩個維度來確定，一個是高度角，一個方位角。對應(yīng)到光伏陣列的示例圖如下：

圖1 光伏電池的高度角和方位角

高度角α，是太陽光線與其在地平面投影的夾角，表示太陽高出地平面的高度。方位角用γ 表示，起點為正南方向，順時針向西為正，逆時針向東為負。太陽高度角α的計算公式如下：

其中，φ 是指當(dāng)?shù)氐木暥?，?是赤緯角，ω 是時角。真太陽時正午得時角ω=0，上式可簡化為：

由三角函數(shù)公式：

得 α=90°±（φ-δ），在北半球時 φ>δ 取正號。

太陽方位角的計算公式為：

根據(jù)以上公式，根據(jù)緯度、赤緯角和時角數(shù)據(jù)，可以實時的計算太陽高度角和方位角數(shù)據(jù)，為太陽跟蹤提供了可靠地數(shù)學(xué)依據(jù)。

1.2 太陽跟蹤方法

（1）視日跟蹤技術(shù)

參考太陽的運動規(guī)律，對太陽進行跟蹤的方法叫做視日跟蹤，與之相關(guān)的技術(shù)叫做視日跟蹤技術(shù)。確定太陽的位置是視日跟蹤的最關(guān)鍵的步驟，通過上文中提到的地平參考坐標(biāo)系，以及太陽高度角和方位角的計算方法，可以快速根據(jù)太陽的具體位置進行跟蹤，使太陽能電池垂直太陽光，提高單位面積的輻射量，從而提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

（2）光電跟蹤

光電跟蹤的原理是在太陽能跟蹤裝置上安裝光電傳感器，光敏傳感器根據(jù)太陽光照角度的變化，測量光強度的變化，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，輸出電信號，并傳給控制器。光電傳感器檢測太陽光方向是否偏離軸線，當(dāng)太陽光發(fā)生偏離時，通過控制器分析和作差比較，發(fā)出偏差信號，輸出信號給驅(qū)動器，通過驅(qū)動器來控制電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板重新對準(zhǔn)太陽光線方向，達到系統(tǒng)的自動跟蹤效果。

1.3 太陽跟蹤控制改進設(shè)計

針對光電跟蹤和視日跟蹤兩種模式各自存在的問題，嘗試將兩種跟蹤方式相結(jié)合，取長補短，通過改進跟蹤策略的方式進行優(yōu)化。改進后的復(fù)合跟蹤以光電跟蹤做為主要的跟蹤方式，視日跟蹤作為輔助的跟蹤方式，參考地理位置設(shè)定跟蹤時間，跟蹤模式根據(jù)天氣狀況通過中斷的方式自行切換。

夜晚光照強度降低到臨界值時，回到初始位置，停止光線追蹤，光照強度高于臨界值再重新啟動跟蹤。在多云或者陰晴不定的天氣時，光線忽明忽暗，使光電傳感器產(chǎn)生的電信號差值變小，如果低于預(yù)設(shè)最低差值，系統(tǒng)自動切換跟蹤模式，改為使用視日跟蹤的控制方式執(zhí)行太陽跟蹤，同時改變跟蹤的頻率，不需要實時變化，采用定時跟蹤的策略，每隔一定的時間向控制器發(fā)出一次脈沖信號即可，盡可能的減少步進電機消耗的能量，當(dāng)光線強度恢復(fù)到預(yù)設(shè)值以上（錯開數(shù)值防抖）繼續(xù)進行光電追蹤。

復(fù)合控制模式，能夠適應(yīng)更大范圍的氣候條件，積累誤差少，跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過程穩(wěn)定，可以全天候的進行太陽跟蹤，避免在陰晴不定的天氣狀況給系統(tǒng)帶來的損耗，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2 最大功率點跟蹤方法研究

2.1 最大功率跟蹤基本原理

最大功率點跟蹤控制是通過實時檢測太陽能板的輸出電壓或電流，得到當(dāng)前的實時功率，與上一次計算獲得的功率進行比較，參考當(dāng)前的光照和溫度條件，采用合適的算法，根據(jù)前后兩次功率的比較結(jié)果，對太陽能電池可能的最大功率輸出位置進行預(yù)測[3]。然后根據(jù)預(yù)測的最大功率，改變電路中阻抗的大小，從而調(diào)整太陽能電池的工作點，使之保持最大功率點輸出，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tacking-MPPT），相應(yīng)的技術(shù)稱之為最大功率點跟蹤技術(shù)[4]。最大功率點技術(shù)可以更加充分地利用太陽能板轉(zhuǎn)換的電能，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本。

2.2 最大功率跟蹤經(jīng)典方法

（1）恒定電壓跟蹤法

當(dāng)溫度保持在一個特定的值時，在不同的光照強度下，太陽能電池的P-V 特性曲線上的最大功率基本保持在電壓值Vm，Vm 為光伏電池的最大工作電壓，當(dāng)光伏電池的輸出電壓鉗制在Vm 附近時，就可以保持穩(wěn)定的最大功率輸出，這就是恒壓跟蹤法的工作原理。

（2）擾動觀察法

擾動觀察法的原理是：在光伏系統(tǒng)工作過程中，定時給當(dāng)前的光伏陣列輸出電壓一個小范圍的波動，記錄擾動后輸出功率的變化，根據(jù)輸出功率的反饋來決定下一步電壓的擾動。

2.3 改進MPPT 控制方法

上文中對兩種經(jīng)典的MPPT 控制方法的原理進行了分析，這些算法都有各自的優(yōu)缺點。結(jié)合在實際工程中的應(yīng)用，從策略上對變步長的擾動觀測法進行改進，提出一種復(fù)合的MPPT 控制算法——基于功率預(yù)測的恒壓啟動變步長擾動觀測法。其工作流程如下圖2 所示：

圖2 改進MPPT 控制算法的工作流程

基于功率預(yù)測的恒壓啟動變步長擾動觀測法對最大功率的跟蹤，采用了如下的優(yōu)化策略：

（1）光照強度變化劇烈時采用恒定電壓法

當(dāng)太陽能電池剛剛啟動時，或者在光照強度有大范圍的變動（如太陽偶爾被云層遮擋）時，使用擾動觀察或者電導(dǎo)增量法，會經(jīng)歷一個較長周期的波動，才能趨于穩(wěn)定，而恒定電壓法能夠根據(jù)電池自身的伏安特性，有一個最佳的電壓值來趨向于輸出最大功率，能夠有效避開啟動時大范圍的波動期，相比其他控制方法，能夠在最短的時間內(nèi)到達最大功率點附近。經(jīng)過多次試驗測試，選取100W/m2切換控制算法的閾值效果最佳，所以當(dāng)光照強度的變化大于100W/m2，被認定為光強強度發(fā)生突變，采用恒定電壓法進行跟蹤。

（2）采用變步長的擾動觀察法

傳統(tǒng)的擾動觀察法擾動步長為一個固定值，設(shè)置較大的步長能夠快速響應(yīng)環(huán)境的變化，但會使工作點在最大功率點附近反復(fù)波動，影響穩(wěn)定性；設(shè)置較小的步長會使到達最大功率點的周期變長，使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，因此為了平衡速度和精度，選取合適的擾動步長十分關(guān)鍵。

所以根據(jù)上面的問題，對擾動步長進行調(diào)整，經(jīng)過對比分析，本方案將影響擾動步長的光照強度分為三個區(qū)間。試驗表明，光照強度變化在50W/m2以上，基本不會出現(xiàn)跟蹤丟失的現(xiàn)象，因此將50W/m2作為擾動步長的一個切換閾值，而20W/m2以下的擾動變化反而更容易引起最大功率振蕩，所以將20W/m2作為停止擾動的另一個閾值。綜上所述，當(dāng)光照強度的變化在50-100W/m2的范圍內(nèi)采用一個較大的擾動步長，光照強度的變化在20-50W/m2的范圍內(nèi)采用一個較小的擾動步長，光照強度的變化在0-20W/m2的范圍內(nèi)，認為是一個極其微小的變化范圍，為了避免系統(tǒng)在最大功率點處來回震蕩，減少系統(tǒng)功率損耗，在這個范圍內(nèi)不進行電壓擾動，當(dāng)檢測外界環(huán)境變化超過22W/m2（錯值防抖）時，系統(tǒng)繼續(xù)進行擾動觀察算法最大功率跟蹤。

（3）使用功率預(yù)測法避免錯誤擾動

功率預(yù)測法是采用足夠高的采樣頻率，假定一個采樣周期內(nèi)光照變化率恒定，則可得到一個采樣周期的預(yù)測頻率為理論上為某個時刻相同曲線上擾動前后的輸出功率，以此為依據(jù)為擾動提供正確的方向。本文中擾動觀察的流程如圖3。

圖3 基于功率預(yù)測的變步長擾動子程序流程

首先由U、I 的采樣值，計算kT 時刻和半個采樣周期（k+0.5）T 的功率值。根據(jù)上述功率預(yù)測法計算最后根據(jù)進行變步長擾動觀測，這樣可有效避免擾動方向的誤操作。

在以基于功率預(yù)測的變步長擾動時，可以再次進行步長的細分，將ΔP 分為三個區(qū)間段，采用兩級變步長進行電壓擾動觀測，a、b 分別為 ΔP 的區(qū)間閾值，ΔP 較大時選擇較大的擾動步長，ΔP 較小時選擇較小的擾動步長，小于b 時停止擾動。該方法不僅提高了光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤的快速性，同時有效避免了跟蹤過程中存在的振蕩和誤判。

2.4 仿真實驗

在Matlab/Simulink 環(huán)境下對改進算法的模型進行搭建，仿真控制圖如圖4 所示。

圖4 改進算法的仿真控制圖

對自適應(yīng)步長增量電導(dǎo)法和改進的算法進行一下各自的仿真，選取50 組測試數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如下圖5、圖6所示：

圖5 變步長擾動觀察法法的仿真示意圖

從仿真數(shù)據(jù)的結(jié)果不難看出，當(dāng)外界條件不變，與變步長擾動觀察法相比，改進算法能夠更快的找到最大功率點，而且震動幅度比較小，也驗證了改進方法的有效性。該控制算法充分綜合了功率預(yù)測法和變步長擾動觀測法各自的優(yōu)點，提高了跟蹤的速度，克服了跟蹤過程中可能出現(xiàn)的誤判問題，降低了功率損耗。

3 結(jié)束語

本文從提高太陽能的發(fā)電效率出發(fā)，深入研究了太陽跟蹤技術(shù)，對最大功率跟蹤技術(shù)進行了優(yōu)化，并設(shè)計了基于光伏發(fā)電的太陽自動跟蹤器，通過軟硬件仿真實驗及測試及，驗證了方法的有效性，對光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推廣和應(yīng)用具有積極意義。

圖6 改進算法的仿真示意圖