基于增量電導(dǎo)法的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤研究

日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 金昌龍 賈祥云

0 引言

隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展，能源短缺和化石燃料的大量使用帶來的污染嚴(yán)重制約了社會的發(fā)展。光伏發(fā)電作為近年來新興的能源形式，以其無污染、干凈清潔等優(yōu)點(diǎn)逐步被社會所重視。但是太陽能電池造價偏高，轉(zhuǎn)換效率偏低，導(dǎo)致其發(fā)電成本居高不下。利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)能夠提高對太陽能發(fā)電的效率，降低光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本，推動光伏發(fā)電普及及應(yīng)用。

1 光伏發(fā)電的意義

當(dāng)前煤和石油等不可再生的化石能源是人類社會主要的能量來源形式。隨著社會的發(fā)展，人們對能源的需求量越來越大，而煤和石油等不可再生能源的儲量卻越來越少。加快尋找可再生能源的步伐是現(xiàn)在的當(dāng)務(wù)之急。

在當(dāng)前不同可再生資源中，太陽能具有無污染、儲量大等優(yōu)點(diǎn)。因此，合理開發(fā)利用太陽能對緩解人類當(dāng)前面臨的能源問題有著極其重要的作用，并且光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今利用太陽能最有效的一種形式[1]。近年來，世界上很多國家特別是一些發(fā)達(dá)國家的政府依次頒布各種優(yōu)惠政策，執(zhí)行國家項(xiàng)目，擴(kuò)大光伏發(fā)電市場的規(guī)模，有力地推動了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。從長遠(yuǎn)看，隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來，太陽能光伏發(fā)電會成為可再生能源發(fā)展的亮點(diǎn)之一，光輝燦爛的太陽能新時代必將到來[3]。

2 光伏電池的特性

2.1 光伏電池簡介

光伏電池，也就是一般我們說的太陽能電池，可以通過半導(dǎo)體元件的光電效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光電效應(yīng)是當(dāng)光線照射到某些物體表面，其內(nèi)部的電子會被激發(fā)并逃逸，從而形成電流，也就是光電流。光伏電池是光伏發(fā)電的核心部分，加工成本和轉(zhuǎn)換效率對于光伏發(fā)電應(yīng)用和普及的影響巨大[4]。

2.2 光伏電池的特性

下圖示出光伏電池在不同S（日照強(qiáng)度）相同T（環(huán)境溫度）和不同T相同S條件下的I-U和P-U特性曲線。

圖2-1是利用MATLAB建立光伏電池的仿真模型后的仿真曲線。

上圖（a）為在相同T不同S條件下光伏電池的I-U特性仿真曲線。

上圖（b）為在相同S不同T條件下光伏電池的I-U特性仿真曲線。

上圖（c）為在相同T不同S條件下光伏電池的P-U特性仿真曲線。

上圖（d）為在相同S不同T條件下光伏電池的P-U特性仿真曲線。

由圖可以看出，仿真曲線與理論曲線一致，說明仿真模型建立正確。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法

周圍環(huán)境的溫度以及光照強(qiáng)度都會影響光伏元件的輸出功率。但是在特定的外圍環(huán)境中，光伏元件有著唯一的最大功率輸出點(diǎn)。為了能夠跟蹤光伏半導(dǎo)體元件的最大功率輸出點(diǎn)，一般在光伏半導(dǎo)體元件和負(fù)載之間串聯(lián)一級DC－DC電路，該電路根據(jù)光伏元件輸出電壓可選擇升壓或者降壓，保持元件輸出在最大功率點(diǎn)。

在外界光照強(qiáng)度發(fā)生變化的時候光伏元件的最大功率點(diǎn)也會發(fā)生變化。我們需要使用光伏最大功率跟蹤（MPPT）來使光伏元件工作在最大功率點(diǎn)附近。MPPT是Maximum Power Point Tracking的簡稱，MPPT控制器能夠?qū)崟r偵測太陽能電池的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電[5]。光伏元件的最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)重要的控制算法，在外界環(huán)境變化的時候能夠盡快調(diào)整到最大功率輸出。本設(shè)計(jì)就是通過MATLAB仿真來比較當(dāng)外界光照強(qiáng)度變化的時候系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的效果。

當(dāng)前常見的最大功率點(diǎn)跟蹤算法有直線近似法、擾動觀察法、實(shí)際測試法、增量電導(dǎo)法、恒定電壓法等，除此之外還有模糊控制法、基于預(yù)測數(shù)據(jù)的最大功率跟蹤方法等新的方法。

3.1 MPPT控制基本工作原理

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化的時候，光伏半導(dǎo)體器件的輸出特性也會隨之發(fā)生變化[6]。因此，為了使光伏系統(tǒng)達(dá)到最大功率的輸出，需要增加輸出控制電路以及使用一定的控制算法，提高光伏元件的輸出效率。假定光伏電池的溫度變化不會很大的時候，光伏器件的電壓電流特性曲線如圖3-1所示。

圖3-1中的上下兩條曲線I和II為不同光照強(qiáng)度下的光伏元件電壓電流特性曲線，負(fù)載1和負(fù)載2是兩條不同狀況下的特性曲線，A、B兩點(diǎn)分別是光伏元件在不同的光照強(qiáng)度下的最大功率輸出點(diǎn)。我們假設(shè)光伏元件工作在圖中A點(diǎn)的時候，外界光照條件有所增強(qiáng)。在一般的情況下，設(shè)備負(fù)載不會突變，這個時候光伏元件工作點(diǎn)會轉(zhuǎn)移到圖中的A'點(diǎn)。從圖中的特性曲線I中可以分析出，光伏元件的最大功率輸出點(diǎn)是在圖中的B點(diǎn)，因此我們需要通過最大功率點(diǎn)控制電路根據(jù)一定算法對輸出進(jìn)行調(diào)整，使外電路的工作特性變?yōu)閳D中的負(fù)載2曲線，使光伏元件能夠保持最大功率的輸出。

3.2 增量電導(dǎo)法控制工作原理

增量電導(dǎo)法是常用的一種MPPT控制方法。其控制算法原理是利用斜率來判斷是否工作在最大功率點(diǎn)。由光伏元件在最大功率點(diǎn)處的特性公式，可推導(dǎo)出公式3-1：

圖3-1 MPPT工作原理示意圖

當(dāng)我們對光伏發(fā)電設(shè)備使用增量電導(dǎo)法進(jìn)行控制的時候，如果能夠滿足上述公式，那么設(shè)備當(dāng)前工作在最大功率點(diǎn)處。這個時候控制電路將保持參數(shù)穩(wěn)定，從而維持輸出電壓恒定。本方法算法較為復(fù)雜，同時對光伏元件的輸出電壓、輸出電流等數(shù)據(jù)要求精度高，因此傳感器成本較高。

實(shí)際使用的時候，增量電導(dǎo)法控制效果最好，可減少在Pmax點(diǎn)附近的震蕩，使其更能適應(yīng)光照變化較為劇烈和頻繁的自然條件。對傳感器精度要求非常高，否則會出現(xiàn)誤判斷的情況。因此使用傳統(tǒng)的增量電導(dǎo)法進(jìn)行控制的系統(tǒng)成本相對較高，模型計(jì)算過程也相對復(fù)雜，控制效率不高[7]。

4 基于增量電導(dǎo)法的MPPT控制MATLAB仿真

本文采用增量電導(dǎo)法對各種情況下的最大功率點(diǎn)跟蹤進(jìn)行仿真，仿真所用的光伏陣列的具體技術(shù)參數(shù)如下：

最大功率點(diǎn)輸出電流Ipm=3.16A

光伏元件開路電壓Voc=21.7V

短路電流Isc=3.4A

最大功率點(diǎn)輸出電壓Vpm=17.4V

對電壓、電流的采樣周期0.1ms。

圖4-1 25℃光照強(qiáng)度增大時仿真波形

圖4-1是溫度在25℃的時候，當(dāng)光照強(qiáng)度s由500勒克斯增加到1 000勒克斯時，根據(jù)增量電導(dǎo)法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-2 25℃時光照強(qiáng)度減小時仿真波形

圖4-2是溫度在25℃的時候，當(dāng)光照強(qiáng)度s由1 000勒克斯減小到500勒克斯時，根據(jù)增量電導(dǎo)法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-3 溫度由47℃降低為27℃時的仿真波形

圖4-3是在光照強(qiáng)度為1 000勒克斯的時候，當(dāng)溫度T由47℃降低到27℃時，根據(jù)增量電導(dǎo)法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

圖4-4 溫度由27℃升高為47℃時的仿真波形

圖4-4是在光照強(qiáng)度為1000勒克斯的時候，當(dāng)溫度T由27℃升高到47℃時，根據(jù)增量電導(dǎo)法電壓、電流及功率變化的仿真波形。

[1]王斯成．國內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀及趨勢[J]．中國電力發(fā)展與改革研究，2009，12：22-25．

[2]（美）J.A.達(dá)菲，W.A.貝克曼．太陽能－熱能轉(zhuǎn)換過程[M]．北京：科學(xué)出版社，1980．

[3]楊婷婷.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制研究[D].2013．

[4]崔巖.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學(xué)報.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

[5]余發(fā)平.基于自適應(yīng)PI控制的太陽能LED照明系統(tǒng)PWM恒流控制器[J].太陽能學(xué)報，2006，27（2）：132-135.

[6]張超.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及孤島檢測新技術(shù)的研究[D].2006．

[7]G.J.Yu，Y.S.Jung，J.Y.Choi and G.S.Kim．A novel two-mode MPPT cont rolalgorithm based on comparative study of existing algorithms[J]，Solar Energy，2004，76(4)：455-463．