太陽(yáng)能最大功率跟蹤技術(shù)研究

摘 要：針對(duì)太陽(yáng)能的功率特性，提出了最大功率跟蹤的方法，同時(shí)分析了幾種方法的特點(diǎn)，證明了最大功率跟蹤技術(shù)的可行性。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；最大功率跟蹤；微擾觀察法；增量電導(dǎo)法

中圖分類號(hào)：TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）03-0285-02

1 引言

節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。人們的注意力正轉(zhuǎn)向再生能源的利用和開(kāi)發(fā)。其中，太陽(yáng)能發(fā)電已成為近些年研究的熱點(diǎn)。但其發(fā)電效率較低成為制約發(fā)展的重要因素。目前，最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)是提高發(fā)電效率的有效途徑之一。

2 太陽(yáng)能電池特點(diǎn)

太陽(yáng)能電池發(fā)電受氣候條件影響，輸出功率隨電池溫度，太陽(yáng)光強(qiáng)變化而變化，具有非線性特點(diǎn)（圖1和圖2）。

圖1中，曲線1的溫度最低，曲線3的溫度最高。圖2中，曲線1的光強(qiáng)最弱，曲線3的光強(qiáng)最強(qiáng)。可以看到，由于外界環(huán)境的變化是隨機(jī)的，P-V曲線是多條漂移未知的曲線，不能通過(guò)一個(gè)固定的傳遞函數(shù)確定最大功率點(diǎn)，為了保證在一定的氣候條件下，電池運(yùn)行在極值功率點(diǎn)附近，最大功率跟蹤技術(shù)必不可少。

3 最大功率跟蹤的理論基礎(chǔ)

分析圖3所示的線性電路：

由此，可以看出，對(duì)于一個(gè)線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻相等時(shí)，電源輸出功率最大。雖然太陽(yáng)能電池和DC-DC轉(zhuǎn)換電路都是非線性的，但是在其工作點(diǎn)附近很小的范圍內(nèi)，可以將它們看作是線性電路。但實(shí)際中，測(cè)量電阻比較復(fù)雜?？紤]到電阻和電壓存在一定的關(guān)系，可以把（2）式轉(zhuǎn)換成dPR0dV=0，找到太陽(yáng)能電池的最大功率。

4 最大功率跟蹤算法的研究

近些年來(lái)，多種最大功率跟蹤技術(shù)得到了深入研究。微擾觀察法（簡(jiǎn)稱PO）和增量電導(dǎo)法(簡(jiǎn)稱IncCond法)是目前比較流行的方法。

4.1 微擾觀察法（PO法）

微擾觀察法實(shí)質(zhì)是引入一個(gè)小的變化，然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)。

具體方法是：先測(cè)量太陽(yáng)能電池第i時(shí)刻的電壓Vi和電流Ii，由Pi=Vi×Ii計(jì)算出功率Pi。然后與第i-1時(shí)刻功率比較。根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)。這里引入一個(gè)參考電壓VREF，當(dāng)進(jìn)行比較后，調(diào)解參考電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)的電壓。在調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池工作點(diǎn)時(shí)，依據(jù)這個(gè)參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖中，Vi，Ii，Pi為第i時(shí)刻的電壓，電流和功率。Vi-1，Pi-1為第i-1時(shí)刻的電壓和功率。

從流程圖中可以看出，采樣第i時(shí)刻的電壓Vi和電流Ii，計(jì)算出功率Pi，與第i-1時(shí)刻的功率Pi-1比較后。判斷電壓的變化，在參考電壓VREF加（減）一個(gè)調(diào)整因子ΔV，然后進(jìn)入下一次測(cè)量，比較。這種方法簡(jiǎn)單易懂，容易實(shí)現(xiàn)，是目前比較常用的方法。但是這種方法依賴于VREF初始值的設(shè)定，不適于氣候快速變化的情況。當(dāng)VREF初始值與最大功率點(diǎn)的電壓相差較大，且調(diào)整因子ΔV設(shè)置不是很合理時(shí)，將會(huì)花較大的時(shí)間才能使工作點(diǎn)到達(dá)最大功率點(diǎn)，而且有可能會(huì)導(dǎo)致工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。

4.2 增量電導(dǎo)法（IncCond法）

微擾觀察法通過(guò)調(diào)整工作點(diǎn)電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤，避免了微擾觀察法的盲目性。

其原理如下：

假設(shè)太陽(yáng)能電池輸出功率為P

P=V×I(3)

方程（3）中，對(duì)V求導(dǎo)：

dPdV=d(IV)dV=I+VdIdV

(4)

假設(shè)最大功率點(diǎn)電壓為Vmax

由圖（1）和圖（2）可知，當(dāng)dPdV＞0時(shí)，V＜Vmax；當(dāng)dPdV＜0時(shí)，V＞Vmax；當(dāng)dPdV=0時(shí)，V=Vmax。

將上述三種情況帶入方程（4），可得：

當(dāng)V＜Vmax時(shí)，dIdV＞-IV(5)

當(dāng)V＞Vmax時(shí)，dIdV＜-IV(6)

當(dāng)V=Vmax時(shí)，dIdV=-IV(7)

可以根據(jù)dIdV與-IV之間的關(guān)系來(lái)調(diào)整工作點(diǎn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖5為增量電導(dǎo)法流程圖。圖中，Vi，Ii為第i時(shí)刻的電壓、電流。由于dV是分母，首先判斷dV是否為0。如果dV=0，dI=0，則認(rèn)為找到最大功率點(diǎn)，不需要調(diào)整。如果dV=0，電流變化量不為0，依據(jù)dI的正負(fù)調(diào)整參考電壓。若dV不為0，則根據(jù)方程（5）、（6）、（7）對(duì)參考電壓進(jìn)行調(diào)整。

從以上分析看出：采用增量電導(dǎo)法，對(duì)工作點(diǎn)電壓的調(diào)整不再是盲目的，即通過(guò)每次測(cè)量和比較，預(yù)測(cè)出最大功率點(diǎn)的大致位置，再根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。這樣，即使在氣候變化較快的時(shí)候，也不會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的情況。通過(guò)對(duì)比可知：在對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)，增量電導(dǎo)法效果較好。但是由于其計(jì)算量比較大，需要記錄的數(shù)據(jù)較多，必須采用高速處理器。

圖5 增量電導(dǎo)法流程圖

4.3 這兩種方法中調(diào)整因子ΔV的確定

在微擾觀察法和增量電導(dǎo)法中，均涉及調(diào)整因子ΔV的問(wèn)題。ΔV的取值與能否很好的實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤關(guān)系緊密。ΔV設(shè)置太大，導(dǎo)致跟蹤精度不夠，太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)將始終在最大功率點(diǎn)附近；ΔV設(shè)置太小，雖然提高了跟蹤精度，但是跟蹤速度很慢，系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)很多能量。

目前，ΔV的確定有很多方法，概括起來(lái)主要分為兩類：（1）固定ΔV，(2)變化的ΔV。

比較簡(jiǎn)單的方法是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用固定ΔV。采用此法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算容易，但由于太陽(yáng)能電池的輸出功率存在非線性，跟蹤精度和跟蹤速度之間的矛盾很難較好的解決。

變化的ΔV則依據(jù)每次測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果不斷調(diào)整ΔV。當(dāng)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，增大ΔV，加快跟蹤速度；當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，減小ΔV，提高跟蹤精度。

調(diào)整ΔV的算法有PID算法，自適應(yīng)搜索算法，模糊算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

參考文獻(xiàn)

［1］凝鐸，高繼春.發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電的意義及前景［J］.西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(20):1-2. 

［2］C.Hua，J.Lin，and C.Shen，“Implementationof a microprocessor-controlledpeak-power-tra-cking system，”IEEETrans.Aerosp.Electron.Syst.，vol.32，pp.182-189.Jan.1996.

［3］Eftichios Koutroulis， Kostas Kalaitzakis， Member， IEEE， and Nicholas C， Voulgaris， “Development of a Microcontroller-Based， Photovotaic Maximum Power Point Tracking Control System.，” IEEE Transactions on Power Electronics， vol.16， No.1， pp.49-50， JAN.2001.

［4］C.R.Sullivan and M.J.Powers，“A high-efficiency maximum power point tracker for photovoltaic arrays in a solar-powered race vehicle，” in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf.，June 1993，pp:574-580.

［5］A.de Medeiros Torres， F.L.M.Antunes， and F.S.dos Reis.“ An artificial neural network-based real time maximum power tracking controller for connecting a PV system to the grid，” Proceeding of IEEE the 24th annual conference on Industrial Electronics Society 1998，vol.1，pp:554-558.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。