一種新光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)

唐志濤， 劉希峰， 黃冬梅， 楊秀菊

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.國網(wǎng)聊城供電公司，山東聊城252000)

一種新光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)

唐志濤1， 劉希峰2， 黃冬梅1， 楊秀菊2

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.國網(wǎng)聊城供電公司，山東聊城252000)

針對當(dāng)前光伏雙軸跟蹤發(fā)電系統(tǒng)對太陽能利用效率低的不足，在該系統(tǒng)中引進(jìn)了一種改進(jìn)的MPPT算法，將光照、溫度、濕度等參數(shù)作為此系統(tǒng)的狀態(tài)量，使系統(tǒng)的響應(yīng)更符合實(shí)際環(huán)境變化的需求。利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統(tǒng)，通過波形和數(shù)據(jù)分析比較，結(jié)果表明，引入MPPT算法的雙軸跟蹤系統(tǒng)能時刻保證光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，該算法具有可行性和高效性。

雙軸跟蹤系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；MATLAB/Simulink

隨著傳統(tǒng)石化能源緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們迫切需要尋找一種無污染，大規(guī)模，可再生的新能源，所以太陽能發(fā)電成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。為充分利用太陽能，從最初的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，到如今的雙軸跟蹤系統(tǒng)都表明人們對能源利用的智慧。單軸跟蹤系統(tǒng)只是在方位角上跟蹤太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)則是從方位角和高度角兩個自由度來追蹤太陽，實(shí)現(xiàn)全方位的追蹤，從而保證電池板始終以最大面積接受光照，光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)雖保證了電池板始終以最大面積接受光照，提高了光照利用率，但不能保證電池始終工作在最大功率處，目前市場上的雙軸跟蹤系統(tǒng)還沒有引入高效的MPPT算法，只是單純地跟蹤，造成大量的光能損耗。為改善此不足，本文在光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)中引入了一種改進(jìn)型的MPPT算法，使太陽電池板不僅僅從物理上最大地接收光能，也能從算法上跟蹤最大功率點(diǎn)。

1 光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)

光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)能時刻跟蹤太陽光照，保證電池板始終以最大面積接受光照，所以其應(yīng)用也越來越廣泛，其跟蹤機(jī)制是由兩個旋轉(zhuǎn)自由度組成，一是水平方向上旋轉(zhuǎn)的方位角跟蹤，另一是高度上旋轉(zhuǎn)的俯仰角跟蹤。

從圖1可見，當(dāng)電池板左右兩側(cè)光照強(qiáng)度不一樣時，光電接收器會產(chǎn)生一個電壓誤差信號，經(jīng)控制器的計(jì)算得到控制驅(qū)動信號，驅(qū)動方位角步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使電壓偏差信號歸零。俯仰角也是類似原理，從而保證光伏陣列時刻跟蹤光照，使陽光始終垂直射在光伏陣列上，提高光能的利用率。

圖1 雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)

2 改進(jìn)型的MPPT算法

2.1 常規(guī)的擾動觀察法

擾動觀察法是目前實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的常用方法之一，設(shè)某時刻光伏電池輸出的電壓為-1，給其加上一個擾動值±Δ。

上述算例中MPPT算法都是假設(shè)某時刻光照、溫度不變，在此條件下，計(jì)算最大功率點(diǎn)，但當(dāng)溫度、光照時刻變化時，算例中的算法往往會失效，造成系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)不能工作在最大功率點(diǎn)處。本文就是基于實(shí)際環(huán)境下，即光照、溫度時刻變化情況下提出了一種改進(jìn)的MPPT算法。

2.2 改進(jìn)MPPT算法

光照、溫度變化嚴(yán)重影響光伏陣列參數(shù)，從而制約其發(fā)電效率。在標(biāo)準(zhǔn)的輻射照度=1 000 W/m2和標(biāo)準(zhǔn)溫度ref=25℃下，OCref、MPPref是已知給定的。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-3]，當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度變化時，提出下面一種改進(jìn)的的計(jì)算公式，根據(jù)此公式算出與光照、溫度的關(guān)系，然后再算出溫度、光照變化時最大功率點(diǎn)電壓、電流等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)占空比α，跟蹤最大功率點(diǎn)。

圖2 算法流程圖

3 仿真

為驗(yàn)證所提出算法的有效性，利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統(tǒng)。仿真模型圖3，仿真對象為光伏陣列，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，溫度為光照強(qiáng)度為800 W/m2和1 000 W/m2時波形及光照強(qiáng)度從變化時，光伏電池輸出的響應(yīng)波形[4-7]。

光伏陣列利用Boost電路進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。圖3仿真模型中的Subsystem系統(tǒng)計(jì)算出光伏陣列輸出電壓，然后與給定的三角波比較，根據(jù)誤差值計(jì)算輸出控制量與三角波比較后得到驅(qū)動開關(guān)管MOSFET波形，設(shè)最初波形占空比為0.5。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)是仿真波形。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

圖4 仿真波形

從圖4(a)、圖4(b)仿真波形可知不同光照時最大功率點(diǎn)的位置以及大小不一樣。當(dāng)溫度不變時，光照強(qiáng)度不會改變最大功率點(diǎn)的位置。從圖4(c)可知，當(dāng)光照從=800 W/m2到=1 000 W/m2變化時，該算法能快速地跟蹤最大功率點(diǎn)并且穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，從圖4(c)中也可見此動態(tài)過程非常短暫，動態(tài)響應(yīng)速度快，滿足該系統(tǒng)的要求，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該算法效率非常高，功率增加近30%,這對于提高雙軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率至關(guān)重要。

4 結(jié)論

在雙軸跟蹤系統(tǒng)的研究中提出了一種改進(jìn)的MPPT算法，并將該算法應(yīng)用到此系統(tǒng)中，該算法最大優(yōu)點(diǎn)就是能跟隨著外界環(huán)境變化而快速地跟蹤最大功率點(diǎn)，尤其是對外界環(huán)境劇烈變化時，克服以往固定電壓法不能適應(yīng)外界環(huán)境迅速變化的弊端，同時也消除了擾動觀察法的穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)定性與動態(tài)跟蹤速度之間的矛盾，從而提高了光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率，具有很大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

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Improvement of a novel photovoltaic double axes tracking system

TANG Zhi-tao1,LIU Xi-feng2,HUANG Dong-mei1,YANG Xiu-ju2

For the low solar utilization of photovoltaic double axes tracking system,a kind of improved MPPT algorithm was put forward.Irradiation,temperature and humidity were used as state parameters,leading the system response meet the demand for actual environment changes.The simulation system was built through MATLAB/Simulink.The results show that photovoltaic double axes tracking system based on improve MPPT algorithm can ensure that photovoltaic cells always works in the maximum power points,demonstrating the effectiveness and efficiency.

double axes tracking system;MPPT;MATLAB/Simulink

TM 646

A

1002-087 X(2015)04-0825-03

2014-09-12

唐志濤（1987—），男，山東省人，碩士，主要研究新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及開關(guān)變換器。