光伏發(fā)電最大功率跟蹤算法的改進(jìn)

尚冬梅 劉黨軍 柴 鈺 白 云 安靜宇 狄常馨

（1.西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安710054；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州730000）

當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，我們開始尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，由于太陽(yáng)能分布廣泛，不受地域限制，可直接開發(fā)和利用，不需要開采和運(yùn)輸。無污染，能源巨大等優(yōu)點(diǎn)無疑成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，而太陽(yáng)能的主要使用方式是光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件，有效吸收太陽(yáng)光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式。

1 光伏電池的原理結(jié)構(gòu)及其輸出特性

1.1 光伏電池的原理結(jié)構(gòu)

光伏電池是能量轉(zhuǎn)換的器件，有光照時(shí)，光伏電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)正負(fù)電荷的累積，即“光生伏特效應(yīng)”，使得光伏電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏電池的基本特性類似于二極管。具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時(shí)，光與半導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電子和空穴，并分別聚集于兩個(gè)電極部分，即負(fù)電荷和正電荷聚集于兩端，有電荷流動(dòng)產(chǎn)生電能。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，沒有噪聲也不排出廢氣，是清潔的發(fā)電方式。

1.2 光伏電池的輸出特性

光伏電池的伏瓦特性曲線受光強(qiáng)和溫度的影響很大，不同溫度和光強(qiáng)下的最大功率點(diǎn)也不相同，光強(qiáng)越強(qiáng)，光伏電池輸出的功率也就越大，溫度則相反，溫度越高，輸出功率反而降低，但是幅度不是很大。由于一天中光強(qiáng)和溫度都在不斷的變化之中，為了使光伏電池在任何溫度和光照下都能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，就需要加入最大功率跟蹤控制器。

2 光伏陣列MPPT控制方法

光伏陣列對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)起著很重要的作用，是電能的來源。光伏陣列的輸出功率受光照強(qiáng)度和溫度等因素的影響，是非線性的。而且，輸出功率也會(huì)隨著負(fù)載變化，只有當(dāng)兩者實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時(shí)，光伏陣列才能輸出最大功率，這時(shí)的工作點(diǎn)稱為光伏陣列的最大功率點(diǎn) (Max Power Point，MPP)。根據(jù)外部環(huán)境參數(shù)和負(fù)載的不同來調(diào)節(jié)光伏陣列，使其輸出最大功率，這個(gè)調(diào)節(jié)過程叫做最大功率點(diǎn)跟蹤 (Max Power Point Tracking，MPPT)。本文分析了恒定電壓法，擾動(dòng)觀察法存在的缺點(diǎn)，提出了恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法，并進(jìn)行了仿真研究。

2.1 恒定電壓法

恒定電壓 (Constant Volitage)法，光伏陣列在最大功率輸出點(diǎn)時(shí)的工作電壓，與開路電壓存在近似的比例關(guān)系。利用這個(gè)特性進(jìn)行控制的最大功率跟蹤控制法，即恒定電壓法。

當(dāng)忽略溫度影響時(shí)，針對(duì)光照強(qiáng)度這一因素的影響，其輸出特性曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線L的兩側(cè)，這說明太陽(yáng)能電池輸出的最大功率點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某個(gè)恒定電壓，這就大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)MPPT的控制設(shè)計(jì)，即人們僅需從生產(chǎn)廠商處獲得Um數(shù)據(jù)并使太陽(yáng)能電池的輸出電壓鉗位于Um值即可，實(shí)際上是把MPPT控制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT控制。

2.2 擾動(dòng)觀察法

不斷給光伏電池的輸出電壓或輸出電流施加微小的擾動(dòng)，并判斷每施加一次擾動(dòng)后功率的變化方向，從而確定下一時(shí)刻電壓擾動(dòng)量的大小（步長(zhǎng)）和方向。在進(jìn)行尋優(yōu)搜索的程序流程中引入了一個(gè)參考電壓Uref，為了讓U不斷地跟蹤Uref，在尋優(yōu)過程中不斷地更新，使Uref逐漸逼近相應(yīng)于陣列最大功率點(diǎn)的電壓。

擾動(dòng)觀察法不能迅速跟蹤最大功率點(diǎn)，輸出功率在最大功率點(diǎn)附近發(fā)生振蕩，還會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，且不能迅速跟蹤最大功率點(diǎn)。

2.3 恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法

恒壓法只能保證光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近有振蕩現(xiàn)象，所以當(dāng)外界環(huán)境或負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，由恒壓法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓法控制的目標(biāo)后，在最大功率點(diǎn)附近采用擾動(dòng)觀察法。步長(zhǎng)可遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法中的擾動(dòng)步長(zhǎng)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)可有效減小系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。流程圖如圖1。

系統(tǒng)在k時(shí)刻光伏陣列的輸出電壓及輸出電流分別為K和I，根據(jù)光伏陣裂的輸出電壓判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)：①如果光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設(shè)定的電壓士△V之外，執(zhí)行恒壓控制算法;②光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設(shè)定的電壓士△v之內(nèi)，進(jìn)行小步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法;③修改恒壓控制算法設(shè)定的電壓為K。該過程不斷重復(fù)直到△p近似等于零，此時(shí)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。

圖1 恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法流程圖

圖2 擾動(dòng)觀察法仿真波形

圖3 二者結(jié)合仿真波形

3 基于MATLAB/SIMULINK的MPPT算法的仿真分析

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，分別對(duì)擾動(dòng)觀察法與恒壓法和擾動(dòng)觀察法相結(jié)合法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真對(duì)象為上面提到的太陽(yáng)能電池板，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)下的檢測(cè)值分別為Isc=1.02A，Voc=23.77V，Im=0.83A，Vm=16.89V。使用擾動(dòng)觀察法，恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率跟蹤。由光伏電池的輸出電壓、實(shí)時(shí)溫度值、光照強(qiáng)度、短路電流等參數(shù)計(jì)算出光伏電池的輸出電流，并假定負(fù)載為恒壓源負(fù)載，光伏電池和負(fù)載都用Boost電路進(jìn)行最大功率跟蹤。下圖為光強(qiáng)度恒定為1000W/S2同時(shí)溫度為25℃時(shí)的輸出波形。

可見雖然兩種方法都能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的追蹤，擾動(dòng)觀察法輸出功率雖然穩(wěn)定一個(gè)小范圍之內(nèi)，但是振蕩嚴(yán)重，能量損失較大，且出現(xiàn)了誤判現(xiàn)象。而恒壓法結(jié)合擾動(dòng)觀察法有效地減少了最大功率附近的振蕩，并能迅速實(shí)現(xiàn)最大功率的追蹤。

4 結(jié)論

本文使用MATLAB/SIMULIK對(duì)光伏電池建模仿真，得到其輸出特性，證明光伏電池的存在最大功率點(diǎn)。在深入了解各種最大功率算法的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)方案，即將恒壓法和擾動(dòng)觀察法相結(jié)合，并通過MATLAB仿真，驗(yàn)證了所提方案有效的提高了光伏電池的效率。

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