基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法研究

李 昱，黃漢生，巫 卿，王 瑾，楊 陽，俞 雷，胡 琴

（1．中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽550000；2．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局，廣東 肇慶526040）

0 引 言

太陽能是一種極為豐富的可再生能源，光伏發(fā)電則是收集太陽能的主要方式。而光伏發(fā)電輸出功率受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和輸出電壓共同影響，某一時(shí)刻只存在一個(gè)最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP），因此如何快速和準(zhǔn)確地找到該功率最大點(diǎn)對(duì)提升光伏發(fā)電輸出效率至關(guān)重要［1］。

當(dāng)前，定時(shí)（電壓或電流）掃描法雖能準(zhǔn)確定位功率最大點(diǎn)，但計(jì)算時(shí)間長；定（電壓或電流）填充系數(shù)法較為簡單，但輸出功率不連續(xù)，只能得到MPP的近似值；擾動(dòng)觀察法的計(jì)算精度和速度取決于初始值和跟蹤步長的大??；電導(dǎo)增量法，該法中｜dP／dU｜＝ε的閥值過大時(shí)會(huì)造成精度不足，過小時(shí)將產(chǎn)生振蕩的問題［3］。

本文在傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法基礎(chǔ)上，提出一種基于功率增量變化百分比為控制因素的變步長功率追蹤方法。

1 光伏電池模型及主要輸出特性

光伏電池模型如圖1所示。其中Iph為光伏電池生成電流；Rj為PN結(jié)阻抗（非線性），Dj為PN結(jié)二極管，Rsh和Rs可忽略不計(jì)，Ro是負(fù)荷電阻，I為光伏電池的輸出電流，U為光伏電池的輸出電壓。

針對(duì)圖1所示的光伏電池模型，其輸出特性為：和電流，表達(dá)式為：

式中，np為光伏電池模塊的并聯(lián)數(shù)量；ns為光伏電池模塊的串聯(lián)數(shù)量；q為電荷量（×10－19C）；k是波爾茲曼常數(shù)（1．38×10－23J／K）；T 為溫度（光伏電池絕對(duì)溫度）；A是光伏電池理想因數(shù)（A＝1～5）；Isat為反向飽

式中，Tr為光伏電池參考溫度；Irr為光伏電池溫度為Tr時(shí)所產(chǎn)生的反向飽和電流；而EGap為半導(dǎo)體材料在跨越能帶間隙時(shí)所需要吸收的能量（硅的EGap≈1．1 eV）。光伏電池所產(chǎn)生電流Iph的大小，由太陽照度和大氣溫度兩個(gè)因素決定：

式中，Isso為光伏電池在參考溫度和日照條件（100 MW／cm2）下所測(cè)得的短路電流值，Ki表示短路電流溫度系數(shù)，Si為日照強(qiáng)度（MW／cm2）。則其輸出功率P：

由以上式子可得到光伏發(fā)電P－U、U－I特性曲線，進(jìn)而獲得MPP。

圖1 光伏電池模型

2 基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法

在傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法中，反復(fù)擾動(dòng)和判斷就有可能導(dǎo)致在最大功率左右不停的振蕩，而運(yùn)用電導(dǎo)增量法又存在閾值過小，在一定范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生振蕩［4］。因此可綜合以上兩方面影響，將功率增量變化百分比｜Pk－Pk－1｜÷（｜Pk－Pk－1｜＋λ）作為控制變量，其中λ為控制最大功率追蹤速度因子（λ＞0）。可以看出，變步長功率追蹤法隨著與最大功率點(diǎn)的距離越近，所取步長越小；反之，與最大功率點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，所取步長越大。當(dāng)｜dp／dU｜＜ε（ε為功率追蹤要求的精度）時(shí)，功率追蹤結(jié)束。由于存在步長隨著功率增量變化這一機(jī)制，因此可以保證功率追蹤一直向MPP點(diǎn)快速而又穩(wěn)定的靠近，在滿足精度要求下，功率追蹤即可結(jié)束。

取功率追蹤始發(fā)點(diǎn)為U0＝Uoc×0．8，初始步長為5%Uoc，｜dp／dU｜→0時(shí)追蹤結(jié)束，改進(jìn)步長流程圖如圖2表示。

圖2 變步長功率追蹤流程圖

3 基于STP180s－24／Ac型太陽能組件的算例分析

為驗(yàn)證基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法的準(zhǔn)確性，以無錫尚德公司生產(chǎn)的STP180s－24／Ac型太陽能組件作為研究對(duì)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 STP180s－24／Ac型太陽能電池板技術(shù)參數(shù)

基于式（1）～式（4），采用 Matlab／Simulink仿真軟件建立了該電池的數(shù)學(xué)模型，其光伏陣列特性曲線如圖3所示。

圖3 電池特性曲線

在仿真中設(shè)置環(huán)境溫度為25℃。采用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，設(shè)置固定仿真步長為0．01 s和0．5 s，運(yùn)行時(shí)間為6 s。光照強(qiáng)度由600 W／m2上升到1 000 W／m2，仿真結(jié)果分別如圖4所示。運(yùn)用基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法，控制速度因子λ＝2，控制精度為ε＝0．001，得到的仿真波形如圖5所示。

圖4 固定步長仿真波形

圖5 變步長仿真波形

由以上兩圖可以看出：固定步長時(shí)，若步長較大，則追蹤速度比步長小時(shí)快0．3 s，追蹤過程中穩(wěn)定性較好，但在最大點(diǎn)出現(xiàn)±1 W的振蕩；若步長較小，則追蹤速度較慢，追蹤過程中穩(wěn)定性較差，但達(dá)到穩(wěn)定后只出現(xiàn)±0．5 W的振蕩。而變步長時(shí)，不僅追蹤速度快（幾乎為0s），追蹤過程中穩(wěn)定性較好，而且達(dá)到穩(wěn)定后振蕩的幅度只有±0．3 W。

4 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上，提出了以功率增量變化百分比為控制變量的功率追蹤方法。該方法速度快，幾乎為0s就可以響應(yīng)，而且震蕩幅值低，只有±0．3 W。