光伏電池工作特性仿真研究及最大功率跟蹤方法比較

袁 韜，易 斌，毛龍波，米紅菊（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401131）

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光伏電池工作特性仿真研究及最大功率跟蹤方法比較

袁 韜，易 斌，毛龍波，米紅菊
（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401131）

摘 要：用MATLAB軟件對光伏電池進(jìn)行仿真建模，得到輸出電壓與輸出功率的仿真曲線。比較了幾種常用的最大功率跟蹤算法，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：太陽能；最大功率跟蹤；算法；光伏電池

1 光伏電池的工作特性［1］

太陽能電池的輸出特性是光伏電池性能評價(jià)的一個重要指標(biāo)。確定其數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)Σ煌瑴囟取⒐庹盏惹闆r下的輸出特性進(jìn)行模擬，確定合理的參數(shù)，對于光伏電池最大功率跟蹤器的研究具有相當(dāng)重要的意義。

1.1發(fā)電原理——光伏效應(yīng)［2］

光伏電池的本質(zhì)就是一塊大面積的半導(dǎo)體二極管。如圖1所示，當(dāng)光伏電池中的半導(dǎo)體上沒有光線照射時，其電氣特性表現(xiàn)為二極管特性。一旦受到光線照射，光電流將使光伏電池特性曲線向逆電流方向平移（光傳輸特性）。光伏電池的實(shí)際輸出電壓－電流曲線可以通過在電池兩端連接一變阻器，改變電阻得到電壓－電流曲線。

圖1　摻雜質(zhì)的半導(dǎo)體光伏發(fā)電原理

1.2發(fā)電仿真［3］

根據(jù)圖1所示的硅型光伏電池的簡化模型，利用MATLAB的SIMULINK工具建立光伏電池發(fā)電仿真模型。不同單個光伏電池等效電路參數(shù)值如表1所示。把其中的參數(shù)——光照強(qiáng)度S、電池板表面的絕對溫度T等作為已知常量，得到輸出電流I與輸出電壓U的函數(shù)圖形，以及輸出功率P與輸出電壓U的函數(shù)圖形，并對這些圖形做定性分析。

表1　不同單個光伏電池等效電路參數(shù)值

已知太陽光照強(qiáng)度S為100～900 W·m－2，光伏電池的絕對溫度為T＝48.3＋273＝321.3℃，開路電壓UOC＝18.8 V，短路電流ISC＝3.60 A。從而求得反向飽和電流I0＝1.526×10－7A。得到的仿真圖形如圖2所示。

圖2　P－U曲線

從仿真曲線可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度一定時，輸出功率隨著輸出電壓的變化而變化；當(dāng)光照強(qiáng)度增大時，相同電壓下的輸出功率也會隨之增大。由此可見，如果能及時對光伏電池的輸出電壓進(jìn)行控制，使系統(tǒng)在任何外界條件下都能夠跟蹤到最大功率，就會避免能量的損失和浪費(fèi)［4］。

2 最大功率跟蹤方法比較［5］

光照強(qiáng)度和工作溫度是影響太陽能電池輸出功率的關(guān)鍵因素。二者對光伏陣列的短路電流和開路電壓有很大的影響，這就使得太陽能的功率輸出變得不確定。由此，系統(tǒng)的工作點(diǎn)也不確定。為了提高系統(tǒng)的工作效率，光伏電池在最大功率跟蹤點(diǎn)工作是必需的。

由光伏電池的P－U曲線（見圖2）可以看出，當(dāng)光伏序列的工作電壓小于最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓時，其功率隨著電壓的增大而增大；當(dāng)光伏序列的工作電壓大于最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓時，其功率隨著電壓的增大而減小。因此，對光伏序列最大功率的控制實(shí)際上就是一個自尋優(yōu)的過程，即通過尋求最合適的工作電壓，來實(shí)現(xiàn)在不同的工作環(huán)境下始終保持功率的最大輸出。

對于最大功率跟蹤控制，國內(nèi)外已有很多專家進(jìn)行了探討和研究，常用的最大功率跟蹤控制算法可以分為直線近似法、功率回授法、實(shí)際測量法、擾動觀察法等幾類。以下分別介紹這幾種控制算法，并且比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)。最大功率跟蹤控制系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3　最大功率跟蹤控制系統(tǒng)示意圖

2.1直線近似法

在眾多的控制算法中，直線近似法控制算法是目前比較新的一種控制算法。其控制原理是根據(jù)太陽能電池的輸出功率特性表達(dá)式，利用數(shù)學(xué)邏輯表達(dá)式，求解得到如下表達(dá)式

則式中：V為輸出電壓；ISC為短路電流；I0為反向飽和電流；Iph為光生電流；IL為流過負(fù)載的電流；RS為串聯(lián)電阻；q為電荷。

對式（2）中的IL進(jìn)行微分，在其等于0時，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，此時輸出功率Pmax和輸出電流的關(guān)系是：

用一條直線表示近似在確定溫度下和不同的光照強(qiáng)度下的最大功率使工作點(diǎn)始終保持在這條直線上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)功率的最優(yōu)化。

直線近似法是運(yùn)用光伏電池精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型來推導(dǎo)最大功率跟蹤點(diǎn)的工作直線。由此可見，這種控制方法對光伏電池的數(shù)學(xué)模型以及光伏電池的一些工作參數(shù)有很強(qiáng)的依賴性。

2.2恒定電壓法［6］

恒定電壓的跟蹤方式，嚴(yán)格來說不是真正意義上的最大功率跟蹤控制方法，而是一種曲線擬合?？梢詮墓夥姵氐墓ぷ髑€看出，電池的最大功率一般出現(xiàn)在VOC為0.75～0.9 V或者ISC為0.85～0.95 A時。這與光伏電池的制造工藝以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有相當(dāng)大的關(guān)系。也就是說，當(dāng)一個光伏電池的結(jié)構(gòu)等確定后，其開路電壓就確定了，電池的最大功率工作點(diǎn)也隨之確定。只要將電池的輸出電壓控制在這個工作點(diǎn)上，就大致可以保證電池的輸出功率為最大輸出功率，這就是恒定電壓法的理論依據(jù)。但是，這種控制方式?jīng)]有考慮溫度對太陽能序列的開路電壓造成的影響。拿單晶硅太陽能電池來說，當(dāng)工作溫度升高1℃時，電池的開路電壓就下降0.35%～0.45%。這就表明隨著工作溫度的變化，太陽能序列的最大功率對應(yīng)的電壓也會變化。因此，對于四季溫差較大或者日溫差大的地區(qū)，不適合使用恒定電壓控制法來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

由于恒定電壓控制方法具有控制簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢，而且比不加控制的光伏系統(tǒng)可以多獲得20%的電能，比不帶這種控制的直接耦合方式要有利得多。因此，這種方法目前在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用比較普遍。但是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，這種電壓控制方式將逐漸被其他方式取代。

2.3增量電導(dǎo)法［7］

增量電導(dǎo)法是根據(jù)太陽能電池陣列P－U曲線為一階連續(xù)的可導(dǎo)單峰的曲線特點(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值方法，即對P＝UI求導(dǎo)數(shù)，就可以得到

左右兩邊同時除以dU，得到

令dP／dU＝0，得到

式（6）即為達(dá)到太陽能序列的最大功率點(diǎn)需要滿足的條件。此方法就是通過分析比較輸出的電導(dǎo)變化量以及瞬時電導(dǎo)值的大小，來決定參考電壓的變化方向。以下對幾種情況進(jìn)行分析。

1）假設(shè)目前太陽能序列的工作點(diǎn)處于最大功率左側(cè)，此時就有dI／dU＞－I／U。說明功率會隨著電壓的增大而增大，此時參考電壓應(yīng)該向著電壓增大的方向變化。

2）假設(shè)當(dāng)前太陽能序列的工作點(diǎn)處于最大功率右側(cè)，此時就有dI／dU＜－I／U。說明功率會隨著電壓的增大而減小，此時參考電壓應(yīng)該向著電壓減小的方向變化。

3）假設(shè)當(dāng)前太陽能序列的工作點(diǎn)處于最大功率的附近，此時就有dI／dU＝－I／U。說明功率不會隨著電壓的變化而變化，即此時太陽能序列工作于最大功率點(diǎn)。

電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖4所示。在圖4中，Un及In是檢測到的光伏序列當(dāng)前的電壓和電流值；Ub及Ib是上一個控制周期的采樣值。

圖4　電導(dǎo)增量法的控制流程圖

2.4干擾控制法［8］

干擾控制法是目前比較常用的最大功率跟蹤控制方法之一。其工作原理是在每個相同的時間間隔，增加或者減少輸出電壓，這樣就可以通過觀察輸出功率的變化，確定下一步輸出電壓的變化。這種控制算法應(yīng)用的是功率反饋方法，即用傳感器將太陽能電池的輸出電壓及輸出電流進(jìn)行采樣后，計(jì)算獲得此時的輸出功率。這種控制方法雖然比較簡單，且易于用軟件來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)比較緩慢，因此只適合于環(huán)境溫度以及光照強(qiáng)度變化緩慢的地區(qū)。在穩(wěn)態(tài)情況下，功率會在最大功率周圍出現(xiàn)小幅震蕩，這就會造成能量損失；在環(huán)境變化較快的場合，有可能會出現(xiàn)功率變化方向判斷錯誤，使該控制方法失效。干擾觀察的流程圖見圖5。

2.5基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）［9］

由于日照強(qiáng)度、光伏電池的工作溫度、負(fù)載的情況等因素都是不確定的，以及光伏序列工作的非線性等特性，決定了要實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤需考慮很多因素。針對這樣一個非線性系統(tǒng)，應(yīng)用模糊邏輯進(jìn)行控制，可以達(dá)到比較好的效果。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用模糊邏輯來實(shí)現(xiàn)對最大功率的控制，可以用數(shù)字信號處理（DSP）來執(zhí)行。其控制原理圖如圖6所示。圖中，e（n）表示第n時刻和第n－1時刻輸出功率的差值；E（n－1）是指這個實(shí)際的差值在模糊集中的論域值；a（n－1）表示第n－1時刻步長的實(shí)際值；A（n－1）是指這個步長的實(shí)際值在模糊集中的論域值；a（n）表示第n時刻步長的實(shí)際值；A（n）是指這個步長的實(shí)際值在模糊集中的論域值。

這種控制方法有較好的動態(tài)特性以及魯棒性，能夠達(dá)到比較好的控制精度。但是，其模糊控制的權(quán)值必須在訓(xùn)練前進(jìn)行確定。因此，其只能對特定的光伏系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力不強(qiáng)。

3 小結(jié)

文中首先介紹了太陽能光伏電池的工作原理，確定了精確的數(shù)學(xué)模型，并且在MATLAB工具中進(jìn)行了仿真建模，得出了輸出電壓與輸出功率的仿真曲線。通過仿真曲線，得出該模型能夠?qū)夥姵氐奶匦赃M(jìn)行模擬的結(jié)論。光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的確定，對于光伏并網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)有非常積極的作用。本課題組還分析了最大功率跟蹤器的必要性，同時介紹了幾種常用的最大功率跟蹤算法，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

圖5　干擾觀察法的流程圖

圖6　模糊控制原理框圖

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A Simulation Research on the Working Characteristics of the PV Cell and Comparisons Among the Tracking Algorithms of the Maximum Power

YUAN Tao，YI Bin，MAO Long-bo，MI Hong-ju
（Logistical Engineering Uiversity of PLA，Chongqing 401131，P.R.China）

Abstract：The simulation modeling of the PV cell has been implemented by means of the MATLAB and the simula-tion curves of output voltage and power have been obtained.In addition，this article draws a comparison among sev-eral common tracking algorithms of the maximum power as well as analyzing their advantages and disadvantages.

Key words：solar energy；tracking of the maximum power；algorithms；PV cell

作者簡介：袁 韜（1981－），中級，研究方向?yàn)槲C(jī)保護(hù)。

收稿日期：2015－10－09

中圖分類號：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-8032（2016）01-0039-04