太陽(yáng)能最大功率跟蹤技術(shù)研究

陳小軍（審協(xié)江蘇中心,江蘇蘇州215000）

太陽(yáng)能最大功率跟蹤技術(shù)研究

陳小軍
（審協(xié)江蘇中心,江蘇蘇州215000）

摘要：第三次工業(yè)革命是以能源結(jié)構(gòu)變革為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)能源的體系建設(shè)，隨著環(huán)境壓力的逐漸加大，以傳統(tǒng)化石燃料為核心的能源利用將會(huì)逐漸被可再生能源取代，19世紀(jì)中期，太陽(yáng)能電池板的誕生，揭開(kāi)了開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能的新時(shí)代。

關(guān)鍵詞：功率;太陽(yáng)能;跟蹤技術(shù)

目前，人類(lèi)對(duì)于太陽(yáng)能利用有4中方式，即光熱利用、太陽(yáng)能發(fā)電、光化利用和光生物利用。光熱利用的基本原理就是利用太陽(yáng)能收集裝置將輻射熱收集起來(lái)轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。

光化利用是利用太陽(yáng)的熱輻射能來(lái)光解水制氫的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換的方式。光生物利用是植物借助太陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)的形式。太陽(yáng)能發(fā)電主要是利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的形式，是最具大規(guī)模利用的方式。然而無(wú)論是多晶硅還是單晶硅太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率較低，成為阻礙太陽(yáng)能電池普及的最主要原因，而最大功率跟蹤技術(shù)是提高電池板發(fā)電效率的基本途徑之一。本文首先淺析了太陽(yáng)能電池模型基礎(chǔ)理論便于讀者了解后續(xù)的最大功率跟蹤技術(shù)，并分析了幾種最大功率跟蹤算法各自的特點(diǎn)，提出了對(duì)于跟蹤技術(shù)算法的改進(jìn)措施。

1太陽(yáng)能電池模型理論

許多專(zhuān)家將太陽(yáng)電池看作是一個(gè)大型的平面二極管，在陽(yáng)光下產(chǎn)生伏特效應(yīng)，出現(xiàn)直流電，借助逆變器并網(wǎng)成為我們經(jīng)常使用的交流電。本文采用等效電路模型來(lái)具體說(shuō)明太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

圖1太陽(yáng)能電池的理想等效電路

圖1中IL是入射光產(chǎn)生的恒定電流，是由太陽(yáng)輻射所激發(fā)的過(guò)量載流子形成的；ID是二極管的飽和電流，RL是電路負(fù)荷。這種等效電路的I-V特性為：

其中q為電子電荷量，k為波爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)溫度，Is是相對(duì)飽和電流。由此計(jì)算得出：

其中A是p-n結(jié)的面積；Nc、Nv分別是導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)濃度；NA、ND是受主雜質(zhì)和施主雜志的濃度；Dn、Dp分別為電子和陽(yáng)離子空穴的擴(kuò)散系數(shù)；τn、τp分別是電子和陽(yáng)離子空穴的活化因子壽命；Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。有以上兩個(gè)推導(dǎo)公式可以畫(huà)出太陽(yáng)能電池的明段I-V特性曲線(xiàn)，具體見(jiàn)圖2。

圖2太陽(yáng)能電池伏特-安培曲線(xiàn)

由此導(dǎo)出了太陽(yáng)能等效二極管電路的功率公式，找到了影響太陽(yáng)能電池功率輸出的關(guān)鍵性因素，進(jìn)而為采取最大功率跟蹤技術(shù)奠定了基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)。

2最大功率跟蹤算法的特點(diǎn)

通過(guò)一定的技術(shù)手段使得太陽(yáng)能電池的輸出功率可以滿(mǎn)足負(fù)載的變化，進(jìn)而保障了太陽(yáng)輻射能的最大化利用，形成了最大功率點(diǎn)技術(shù)。目前最大功率跟蹤算法主要有，固定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)察法、增量電導(dǎo)法和智能跟蹤法。

2.1固定電壓跟蹤法

圖3不同日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的變化情況

I-V曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，不同I-V曲線(xiàn)的最大功率點(diǎn)Pm幾乎可以用一條直線(xiàn)來(lái)連接，并分布在垂直線(xiàn)的兩側(cè)，這就在一定程度上反應(yīng)了電池功率計(jì)算列陣大致對(duì)應(yīng)于某個(gè)固定的電壓值，利用這個(gè)特性，大大優(yōu)化了系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制設(shè)計(jì)。采用固定電壓跟蹤法與不帶有固定電壓跟蹤法的直接耦合的工作運(yùn)營(yíng)效率要高一些，對(duì)于一般光伏系統(tǒng)有可能增加20%的電能輸出。但是這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)矩陣開(kāi)路電壓的影響，以單晶硅太陽(yáng)能電池為例，假如外部環(huán)境升高1℃，那么開(kāi)路電壓就會(huì)相應(yīng)減少0.6%。這樣就大大限制了使用時(shí)間。目前對(duì)于這一問(wèn)題，可以采用手工調(diào)節(jié)的方式，即通過(guò)電位器手動(dòng)依照不同季節(jié)校正的系數(shù)因子，計(jì)算得出不同的Vm，雖然這種方式比較麻煩。固定電壓跟蹤法的優(yōu)點(diǎn)包括：整個(gè)電路控制簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)，可靠性比較高；排除了系統(tǒng)震蕩的干擾，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可重復(fù)性好；有利于借助各種硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。然而也表現(xiàn)出一定的不足，具體分為兩方面：一方面是控制精度較差，特別是對(duì)于溫度變化時(shí)，控制波動(dòng)會(huì)很大；另一方面，難與應(yīng)對(duì)自然惡劣條件的影響。

2.2擾動(dòng)觀(guān)察法

圖4擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現(xiàn)MPPT的過(guò)程

借助導(dǎo)數(shù)為0時(shí)出現(xiàn)函數(shù)極值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，由于其是直接的采取控制，就現(xiàn)階段而言，在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)施過(guò)程中依據(jù)圖4所顯示的規(guī)律不斷的給矩陣輸出電壓的脈寬以增加（±ΔU）。設(shè)測(cè)得矩陣當(dāng)前輸出功率為Pd，被存貯的前一時(shí)刻的記憶功率為Pi，如果想通過(guò)乘法器測(cè)有：Pd＞Pi，則取U=U+ΔU后重新測(cè)定，再比、繼續(xù)修改脈寬；乘法器測(cè)有：Pd＜Pi，則取U=U﹣ΔU后重新測(cè)定，再比、繼續(xù)修改脈寬。如此循環(huán)下去可以時(shí)時(shí)搜索到矩陣的最大輸出功率點(diǎn)并動(dòng)態(tài)的保持它。在進(jìn)行尋優(yōu)搜索的程序過(guò)程中引入一個(gè)參考電壓Uref，是為了讓Ud不斷的跟蹤它，通過(guò)對(duì)尋優(yōu)結(jié)果不斷更新Uref，使得它越來(lái)越接近矩陣最大功率點(diǎn)的電壓Um，Ujj為前兩次矩陣電壓的采樣結(jié)果。由于矩陣特性的I=f（U）關(guān)系是一個(gè)單值函數(shù)，因此只要保持矩陣的輸出電壓在任何太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下及不同溫度下，都能夠?qū)崟r(shí)的維持與此環(huán)境下對(duì)應(yīng)的Um值，就一定可以保證矩陣在任何瞬間都輸出其最大功率。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易操縱，跟蹤較準(zhǔn)確；不足之處，只能限定在Um附近震蕩運(yùn)行，造成跟蹤步長(zhǎng)，容易導(dǎo)致部分功率損失。從小步長(zhǎng)來(lái)對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)檢測(cè)輸出功率的變化來(lái)確定下一步的控制方向是擾動(dòng)觀(guān)察法的精髓所在。

2.3電導(dǎo)增量法

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的P-V曲線(xiàn)進(jìn)行建模，得出相關(guān)程度較高的函數(shù)關(guān)系，建立函數(shù)方程，有數(shù)學(xué)導(dǎo)數(shù)理論知識(shí)可知，太陽(yáng)能電池最大輸出功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的斜率為0。根據(jù)功率與電壓、電流的公式，在滿(mǎn)足太陽(yáng)能電池達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件必然會(huì)使得，輸出功率特性斜率與太陽(yáng)能輸出的電導(dǎo)互為相反數(shù)的時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)即為該太陽(yáng)能電池最大輸出功率點(diǎn)。根據(jù)P-U曲線(xiàn)又分為單峰值跟蹤和多峰值跟蹤。算法中通過(guò)電流對(duì)電壓求導(dǎo)，并將太陽(yáng)能電池的瞬間電導(dǎo)值與函數(shù)求導(dǎo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而確定下一次的變動(dòng)，一旦滿(mǎn)足輸出功率特性斜率與太陽(yáng)能輸出的電導(dǎo)互為相反數(shù)的時(shí)，立刻需要停止擾動(dòng)。電導(dǎo)增量法雖然借助了數(shù)學(xué)函數(shù)相關(guān)的應(yīng)用和概念，對(duì)于太陽(yáng)能輸出的最大功率點(diǎn)進(jìn)行較為科學(xué)的計(jì)算，然而，此法在對(duì)單峰值跟蹤時(shí)，表現(xiàn)出較高的測(cè)量準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)單易操作，然而對(duì)于建立模型函數(shù)的多峰值跟蹤，只能從一個(gè)大體范圍來(lái)計(jì)算并得出太陽(yáng)能電池的最大輸出功率點(diǎn)值所在的數(shù)據(jù)區(qū)間，而此時(shí)將大大增加控制算法的工作量，計(jì)算體系較為復(fù)雜，跟蹤到最大功率點(diǎn)的周期將要延長(zhǎng)，這樣就大大降低了跟蹤技術(shù)的跟蹤效率。

2.4智能算法

智能算法是基于以模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的高效數(shù)據(jù)分析、計(jì)算方法。模糊計(jì)算是基于模糊邏輯和模糊理論體系的控制算法。所謂模糊控制，實(shí)際上是一種非線(xiàn)性的數(shù)據(jù)控制，它是智能算法的主要組成之一，為此本文重點(diǎn)分析模糊控制對(duì)于太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤技術(shù)特點(diǎn)。首先談?wù)勀：刂频臍v史發(fā)展，便于更好的理解此法控制Um的基本思路和原理。模糊控制最大的特點(diǎn)就是擁有大量的實(shí)際應(yīng)用案例和背景。在近二十年，模糊控制無(wú)論從理論體系的完備還是控制太陽(yáng)能電池技術(shù)上，都取得了巨大的進(jìn)步，成為智能控制領(lǐng)域一個(gè)及其重要的分支。根據(jù)模擬控制的基本原理，對(duì)于變量x（設(shè)為太陽(yáng)能電池的電流值或電壓值均可），將功率轉(zhuǎn)換比設(shè)為D，將變量x定義成模糊控制算法的函數(shù)變量，以功率建立關(guān)于x的函數(shù)，通過(guò)不斷的重復(fù)性運(yùn)算，擴(kuò)大限制條件的搜索范圍，保證結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。如果有，f﹛Xi1﹜＜f﹛Xi2﹜，將計(jì)算搜索范圍右移；如果f﹛Xi1﹜＞f﹛Xi2﹜，將計(jì)算搜索范圍左移，這樣后續(xù)過(guò)程與擾動(dòng)觀(guān)察法的步驟相近，通過(guò)縮小搜索范圍的形式，逐漸將太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤出來(lái)，確定其具體值。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是函數(shù)簡(jiǎn)單，使用范圍廣、搜索范圍寬、處理運(yùn)算效率高，相對(duì)于其他方法是比較好的選擇。

3跟蹤算法的具體該改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)不同最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)使用跟蹤算法均存在各自的缺陷，為了增加搜索、確定最大功率點(diǎn)的高效性和精確性，必須要通過(guò)結(jié)合至少兩種的方法來(lái)復(fù)合成一種“新型的”、全面的MPPT方法，互相彌補(bǔ)各自的不足，這樣就能解決現(xiàn)實(shí)檢測(cè)的問(wèn)題，為提高太陽(yáng)能的最大輸出功率奠定理論基礎(chǔ)。在針對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和矩陣溫度時(shí)，使用電導(dǎo)增加法與模糊控制相結(jié)合；針對(duì)大氣環(huán)境的適度，可將固定電壓法與擾動(dòng)觀(guān)察法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

4結(jié)論

太陽(yáng)能電池是一種典型的非線(xiàn)性半導(dǎo)體有源器件，其最大功率的輸出特性是以太陽(yáng)光下為參數(shù)的具有垂直特性的曲線(xiàn)族。通過(guò)對(duì)跟蹤技術(shù)及其算法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，本文提出了多種算法根據(jù)具體情況相結(jié)合，通過(guò)各個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高最大功率和發(fā)電效率。

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作者簡(jiǎn)介:陳小軍(1985-)，男，江蘇姜堰人，本科，專(zhuān)利審查員，研究實(shí)習(xí)員。