太陽能發(fā)電的最大功率跟蹤方法研究

石征錦　郭瑞曦　皇甫尚偉　富斯盟

摘 要：以太陽能發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，由于傳統(tǒng)方法在太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)中只能在較大的范圍內(nèi)避免波動(dòng)和誤判問題，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，針對(duì)其在最大功率點(diǎn)處存在的較大的波動(dòng)問題進(jìn)行改進(jìn)。將恒壓法與變步長滯環(huán)比較法相結(jié)合，形成的新方法，在此基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)方法相比，并在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，用Matlab/ Simulink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表示該方法提高了最大功率跟蹤速度與精度，驗(yàn)證了所提出方法的正確性。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電 最大功率跟蹤 恒壓法 滯環(huán)比較法

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（b）-0015-05

Abstract： Taking the solar power generation system as the research object， because of the traditional method in the solar maximum power point tracking system， it can only avoid the problem of fluctuation and misjudgement in a large range. Based on the maximum power point tracking algorithm， this paper improves the oscillation and misjudgement of the maximum power point existing in the traditional method.Putting forward the constant pressure method and the variable step lag hysteresis combination method and carrying out the simulation in the Matlab/Simulink environment. The simulation results show that this method improves the speed and accuracy of maximum power point tracking， and verifies the correctness of the proposed method.

Key Words： Solar electrical energy generation； Maximum power tracking； Constant voltage method； Hysteresis comparison method

太陽能發(fā)電由于它的綠色、環(huán)保以及可再生能源的優(yōu)勢受到人們的歡迎。因?yàn)榉植际焦夥l(fā)電具有成本低、安裝方便、功率靈活、體積小、效率高等優(yōu)勢，得到了世界各國的重視[1]。降低成本并提高太陽能的利用率，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化加快節(jié)能減排成為人們的重點(diǎn)研究方向。

最大功率跟蹤算法能將太陽能電池板發(fā)出的直流電以高效、穩(wěn)定的方式儲(chǔ)存在蓄電池中，并且能使系統(tǒng)在任何光強(qiáng)下都工作在最優(yōu)狀態(tài)。這樣可有效解決常規(guī)電網(wǎng)不能覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)的生活工業(yè)用電，并且節(jié)能環(huán)保、能源可再生。

常用的MPPT方法有很多，以擾動(dòng)觀擦法為例，由于擾動(dòng)觀擦法在電壓增量的選取上有難度：外界環(huán)境隨時(shí)影響著系統(tǒng)的工作狀態(tài)，響應(yīng)速度與電壓增量的選擇有關(guān)，電壓增量越小精度越高，但響應(yīng)速度會(huì)隨之變慢；電壓增量選取較大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間雖然加快，但是系統(tǒng)誤差會(huì)變大從而影響整體響應(yīng)；恒壓法是一種粗略的近似算法，系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地追蹤最大功率點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致蓄電池的充電效率低[2]。因此，以上述方法為基礎(chǔ)并改進(jìn)，將恒壓法與變步長滯環(huán)比較法相結(jié)合從而形成的新方法。

1 太陽能電池MPPT（最大功率跟蹤）原理

MPPT方法示意圖如圖1所示，太陽能電池特性曲線如圖2所示，由于電壓與功率是二次函數(shù)的關(guān)系，因此在曲線的拐點(diǎn)處即可使光伏陣列的輸出特性達(dá)到最大功率，有唯一的電壓與電流與最大功率點(diǎn)（MPP）相對(duì)應(yīng)，如曲線1和曲線2不同光照強(qiáng)度下的光伏陣列輸出特性曲線，曲線上的A點(diǎn)為光照強(qiáng)度時(shí)最大功率輸出點(diǎn)，曲線B為光照強(qiáng)度時(shí)的最大功率點(diǎn)。在光照強(qiáng)度為時(shí)，系統(tǒng)工作位置在B點(diǎn)，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度由轉(zhuǎn)換到時(shí)，若保持負(fù)載恒定不變，系統(tǒng)會(huì)偏離曲線2上最大功率點(diǎn)B。調(diào)節(jié)光伏陣列所帶的等效負(fù)載即可確保系統(tǒng)保持工作在最大功率點(diǎn)。同理，當(dāng)光照強(qiáng)度由轉(zhuǎn)換到時(shí)，可通過調(diào)整負(fù)載，可使系統(tǒng)在光照強(qiáng)度降低時(shí)依然使光伏陣列的輸出特性達(dá)到最大功率， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在外界環(huán)境變化時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行、高效率的充電目的[3]。

2 基于太陽能發(fā)電的恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法

2.1 擾動(dòng)觀察法原理及仿真

擾動(dòng)觀察法的基本原理是通過對(duì)電路施加擾動(dòng)改變光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)，改變電壓的大小，并檢測電壓改變后的功率變化情況：若改變電壓后，功率增大，則證明該點(diǎn)的變化是沿著正確的方向，因此在下一周期可以采用同樣的方法改變電壓大?。蝗绻敵鲭妷涸龃髸r(shí)，檢測到功率減小，此時(shí)系統(tǒng)判斷出參考電壓調(diào)整方向錯(cuò)誤，因此系統(tǒng)在下一周期可減少輸出電壓的大小。循環(huán)此過程，直到系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)附近。

系統(tǒng)設(shè)定初始擾動(dòng)電壓Un、擾動(dòng)步長△U由公式（1）通過采集當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓電流Un+1、In+1并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由公式（2）可知當(dāng)前太陽能輸出功率，并與前一時(shí)刻的輸出功率Pn公式（3）做差，由公式（4）計(jì)算△P若△P>0則繼續(xù)重復(fù)上訴過程，△P<0若，則按照公式，則按照公式（5）進(jìn)行調(diào)整，以這樣的方式，使輸出功率按照逐漸變大的趨勢，循環(huán)此操作，直至△P=0，從而實(shí)現(xiàn)MPPT（最大功率跟蹤）。

擾動(dòng)觀察法測量參數(shù)少，其過程易于實(shí)現(xiàn)，但難以確定電壓增量。為達(dá)到MPP（最大功率），在確定步長時(shí)需要花費(fèi)較長的時(shí)間，并且存在偏離最大工作點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[4]。圖4為擾動(dòng)觀察法在擾動(dòng)觀測法的仿真模型，其輸入量為光伏陣列的輸出電壓和電流，步長設(shè)為0.001s。

2.2 滯環(huán)比較結(jié)合法

擾動(dòng)觀察法不適于惡劣的環(huán)境，且在MPP處始終波動(dòng)，因此對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，從而形成滯環(huán)比較法。滯環(huán)比較法原理是系統(tǒng)以擾動(dòng)的方式追蹤到最大功率點(diǎn)[5]，在外界環(huán)境變化時(shí)，工作點(diǎn)能夠在一定范圍內(nèi)保持不變。

滯環(huán)比較法能夠使系統(tǒng)工作位置距離最大功率點(diǎn)非常近，而且當(dāng)日照強(qiáng)度穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，可以解決擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)存在的振蕩和誤判問題。滯環(huán)比較法缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)存在的采樣誤差會(huì)影響啟動(dòng)，造成擾動(dòng)損失并產(chǎn)生誤判。

2.3 恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法

恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法特點(diǎn)：該方法在外部條件發(fā)生變化時(shí)，工作點(diǎn)不會(huì)立即跟隨環(huán)境的變化而移動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)回歸于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行最大功率跟蹤，從而可以避免在波動(dòng)過程中產(chǎn)生的誤判問題。恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法控制流程圖如圖5所示，其仿真模型圖如圖6所示。

分別檢測k時(shí)刻與k-1時(shí)刻的輸出電壓和電流，由此確定出功率的變化方向，在MPP附近采用變步長方法，步長為△U，步長公式為公式（6）所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)光照與溫度恒定時(shí)的仿真對(duì)比

對(duì)恒壓與變步長滯環(huán)比較法在外界環(huán)境溫度25℃，光照1000W/m2條件下，由Matlab/Simulink軟件仿真，并且與在該外部環(huán)境條件下的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真對(duì)比。在同等穩(wěn)定條件下恒壓變步長滯環(huán)比較的電流、電壓及功率輸出如圖7所示。在同等穩(wěn)定條件下采用擾動(dòng)觀察法仿真結(jié)果如圖8所示。發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)觀察法有明顯滯后現(xiàn)象，而恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法能更快地達(dá)到最大功率點(diǎn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)光照恒定，溫度突變時(shí)的仿真對(duì)比

圖9為光照強(qiáng)度穩(wěn)定為800W/m2時(shí)擾動(dòng)觀察法溫度由25℃突變?yōu)?0℃仿真結(jié)果，圖10為恒壓變步長滯環(huán)比較法相結(jié)合法在同等條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對(duì)比圖9與圖10，在光照強(qiáng)度穩(wěn)定為800W/m2，在0.25s時(shí)溫度由25℃突變到50℃時(shí)，恒壓與變步長滯環(huán)比較法結(jié)合的算法使系統(tǒng)在精度追蹤上有明顯提升，較快的適應(yīng)光強(qiáng)突變情況，使誤判問題得以避免，在最大功率點(diǎn)附近存在的波動(dòng)問題得到抑制。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)運(yùn)用恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法相結(jié)合的MPPT算法并在Matlab/Simulink的環(huán)境下建模仿真，并在相同的外界環(huán)境下與擾動(dòng)觀察法的仿真結(jié)果對(duì)比。發(fā)現(xiàn)恒壓與變步長滯環(huán)比較結(jié)合法提高了光強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率，能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤最大功率，避免了小范圍內(nèi)的誤判問題，并抑制了震蕩現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了太陽能高效充電。

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