太陽能光伏最大功率跟蹤新算法

關旭++賈文超

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導法無震蕩的缺點。

關鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關注的焦點。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復雜的特性導致轉換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會隨著環(huán)境溫度、光照強度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術手段。現(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術有固定電壓法，增量電導法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會在最大功率點處發(fā)生震蕩。本方案針對以上幾點，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對精確的優(yōu)點。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產廠家會標出每一個太陽能極板標條件況下的最大功率點電流和電壓，從而在標準測試條件下時可求。由（11）可知，的取值與和有關，而最大功率點隨溫度和光照強度的變化而變化，所以不是定值。在實際應用中，的值非常小，其變化隨著光照強度和溫度的變化也小，可以近似認為不變。

通過采樣可測得光伏陣列工任意工作點作時的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個只含有一個未知數(shù)的非線性方程，經證明此方程在最大功率點附近具有嚴格的單調性，所以可用迭代法在最大功率點附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠遠小于等效二極管正向導通電阻，故可認為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點附近具有單調性，采取先用固定電壓法，通過檢測開路電壓Uoc，再檢測工作時刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠，則將輸出電壓調整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學模型，應用計算機仿真，分別在不同光照強度和不同溫度情況下，對此最大功率跟蹤算法進行算法驗證。不同光照強度（此時溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結語

經驗證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當于直接將最大功率點電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導法這樣需要移動步長，一點點調節(jié)輸出電壓的過程，所以不會出現(xiàn)在最大功率點前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學報，2005.17（5）.endprint

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導法無震蕩的缺點。

關鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關注的焦點。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復雜的特性導致轉換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會隨著環(huán)境溫度、光照強度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術手段。現(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術有固定電壓法，增量電導法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會在最大功率點處發(fā)生震蕩。本方案針對以上幾點，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對精確的優(yōu)點。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產廠家會標出每一個太陽能極板標條件況下的最大功率點電流和電壓，從而在標準測試條件下時可求。由（11）可知，的取值與和有關，而最大功率點隨溫度和光照強度的變化而變化，所以不是定值。在實際應用中，的值非常小，其變化隨著光照強度和溫度的變化也小，可以近似認為不變。

通過采樣可測得光伏陣列工任意工作點作時的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個只含有一個未知數(shù)的非線性方程，經證明此方程在最大功率點附近具有嚴格的單調性，所以可用迭代法在最大功率點附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠遠小于等效二極管正向導通電阻，故可認為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點附近具有單調性，采取先用固定電壓法，通過檢測開路電壓Uoc，再檢測工作時刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠，則將輸出電壓調整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學模型，應用計算機仿真，分別在不同光照強度和不同溫度情況下，對此最大功率跟蹤算法進行算法驗證。不同光照強度（此時溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結語

經驗證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當于直接將最大功率點電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導法這樣需要移動步長，一點點調節(jié)輸出電壓的過程，所以不會出現(xiàn)在最大功率點前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學報，2005.17（5）.endprint

摘要：本研究通過采樣開路電壓，短路電流，工作時刻的電壓以及電流，建立P-V方程，從而求出最大功率電壓，實現(xiàn)最大功率電壓跟蹤。通過算例分析驗證，此算法可行，而且相比固定電壓法跟蹤更精確，相比增量電導法無震蕩的缺點。

關鍵詞：太陽能 光伏 新算法 最大功率跟蹤（MPPT）

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0125-02

隨著社會的不斷發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題越來越受到人們的廣泛關注。尋找并開發(fā)清潔、無污染的可再生新能源以代替一次能源成為人們廣泛關注的焦點。太陽能是一種綠色能源，它取之不盡用之不竭，而且無污染，具有十分廣闊的應用前景。太陽能發(fā)電的主要部分是光伏電池，它能將光能直接轉換成電能，但是由于其材料以及制作工藝等復雜的特性導致轉換效率很低。而且光伏電池的輸出功率會隨著環(huán)境溫度、光照強度的變化而變化，呈現(xiàn)出非線性的特點。因此除了提高材料工藝從根本上提高轉換效率以外，提高光伏電池的輸出功率也是光伏發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。

最大功率點跟蹤（MPPT）就是一種令光伏電池輸出功率始終保持在最大功率狀態(tài)的一種技術手段?，F(xiàn)有比較成熟的跟蹤技術有固定電壓法，增量電導法等。固定電壓法雖然穩(wěn)定但是不夠精確，增量電導法雖然精確但是跟蹤速度較慢，而且會在最大功率點處發(fā)生震蕩。本方案針對以上幾點，提出一種新型的最大功率跟蹤算法，通過仿真得出該算法具有跟蹤跟蹤速度較快，相對精確的優(yōu)點。

1 光伏電池特性

光伏電池的輸出特性如圖1、圖2、圖3所示。

由圖1、2、3可知，光伏電池輸出電壓隨光照強度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的增加而降低；輸出功率隨到光照強度和溫度的變化而變化，呈非線性。

2 光伏列陣最大功率跟蹤算法建立

光伏電池可等效成下圖的電路，如圖4所示。

太陽能極板生產廠家會標出每一個太陽能極板標條件況下的最大功率點電流和電壓，從而在標準測試條件下時可求。由（11）可知，的取值與和有關，而最大功率點隨溫度和光照強度的變化而變化，所以不是定值。在實際應用中，的值非常小，其變化隨著光照強度和溫度的變化也小，可以近似認為不變。

通過采樣可測得光伏陣列工任意工作點作時的電壓和電流，代入（8）得：

此方程是一個只含有一個未知數(shù)的非線性方程，經證明此方程在最大功率點附近具有嚴格的單調性，所以可用迭代法在最大功率點附近求出唯一的數(shù)值解。則可求。（以下的皆作為已知量）

考慮到串聯(lián)電阻遠遠小于等效二極管正向導通電阻，故可認為npIph=Isc，忽略Rs。由此可推導出P-V光伏特性曲線方程：

令，則可通過迭代法求出U的數(shù)值解，此解就是最大功率點電壓。

考慮到方程（13）在最大功率點附近具有單調性，采取先用固定電壓法，通過檢測開路電壓Uoc，再檢測工作時刻的輸出電壓U0，如果U0偏離0.8Uoc很遠，則將輸出電壓調整為0.8Uoc，從而使輸出電壓工作在最大功率點附近。具體過程如圖5所示。

3 算例分析

基于上述數(shù)學模型，應用計算機仿真，分別在不同光照強度和不同溫度情況下，對此最大功率跟蹤算法進行算法驗證。不同光照強度（此時溫度為25℃）分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，具體數(shù)值如表1所示。不同溫度（光照強度為1000W/m2）分別為40℃、30℃、25℃、20℃，具體參數(shù)如表2所示。選擇的太陽能極板為晶科能源公司的組件型號為JKM250P-60，最大功率為250W。

4 結語

經驗證，通過以上數(shù)值可看出此最大功率跟蹤算法可行，而且跟蹤精確。此算法的過程相當于直接將最大功率點電壓求出，然后通過DC-DC變換器，將電壓控制在所求得電壓值上，沒有像增量電導法這樣需要移動步長，一點點調節(jié)輸出電壓的過程，所以不會出現(xiàn)在最大功率點前后震蕩的情況。在解非線性方程處采取弦截法或牛頓下山法等優(yōu)秀的迭代法可以使迭代次數(shù)減小，提高收斂速度，從而提高跟蹤速度。

參考文獻

[1]徐曉冰，王建平，張崇巍.硅太陽電池模型參數(shù)的一種解析方法[J].電源技術，2009，33（6）.

[2]VIOREL B.Dynamic model of a complex system including PV cells，electric baRery，electrical motor and water pump[J].Energy，2003，28（12）：1165-1181.

[3]邵衛(wèi)超.基于DC/DC變換器的分布式MPPT光伏系統(tǒng)研究[D].華北電力大學（保定），2012.03.

[4]杜慧，林永君，張少偉.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009.03.

[5]帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型.系統(tǒng)仿真學報，2005.17（5）.endprint