光伏电池最大功率点跟踪.doc

本文由沈博謇贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 37 卷第 6 期 2010 年 6 月 doi： 10. 3969 / j. issn. 1009 671X. 2010. 06. 010 应 Applied 用 Science 科 and 技 Technology Vol. 37， 6 . Jun. 2010 光伏电池最大功率点跟踪 李文兴， 李 摘 亭， 冯志伟 （ 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001） 要： 为了快速稳定地跟踪到光伏电池最大功率点， 提出基于固定电压法和导纳增量法相结合的光伏电池最 大功率点跟踪（ MPPT） 方案. 固定电压法用来迅速跟踪近似最大功率点， 导纳增量法则用来进行精确跟踪， 仿真 提高了光伏电池在多 结果表明此方案能快速地跟踪到光伏电池的最大功率点. 在此基础上加入环境判断因子， 云天气情况下最大功率点跟踪的稳定性. 关键词： 光伏电池； 发电； 最大功率点跟踪； 环境判断 中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 1009 671X （ 2010） 06 0035 05 Research of maximum power point tracking method for photovoltaic systems LI Wenxing，LI Ting，FENG Zhiwei （ College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001， China ） Abstract： For rapidly and stably capturing the maximum power point of photovoltaic cells，a method was proposed based on the Combination of fixedvoltage method and the admittance increment method to achieve maximum power point tracking （ MPPT） for photovoltaic cell. The fixedvoltage method was used to fast track the approximate maximum power point，while the admittance increment rules were used for accurate tracking. The system stability of MPPT in the case of cloudy weather is improved by proposing the environment determining factors. In the changing enviroment，by simulating the maximum power point tracking for photovoltaic cells，it is verified that this program can quickly and stably arrive at the maximum power point. Keywords： photovoltaic cell； electricity generation； maximum power point tracking； sensing the environment 随着石化资源的日益枯竭， 太阳能成为国家大 力推广的新能源， 因此光伏应用研究的实用价值显 得日益显著. 在所有的光伏系统中都希望太阳能光 伏电池（ 阵） 在同样日照、 温度的条件下输出尽可能 这也就在理论上和实践上提出太阳能光 多的电能， 伏电池 （ 阵 ） 的最大功率点跟踪 （ MPPT，maximum power point tracking） 问题1. 现阶段常用最大功率 功率反馈法、 扰动观测 追踪算法有： 定电压跟踪法、 导纳增量法以及三点重心法等， 而采用单一方法 法、 跟踪的系统， 通常会出现在最大功率点振荡或者跟 踪耗时很大的问题 7 2 率点， 通过加入环境变化判断因子来进行选择性跟 踪， 从而阻止电压崩溃现象的发生. 仿真显示此系统 同时系 在降低振荡损耗的基础上减少了跟踪时间 ， 统具有一定的稳定性. 1 光伏电池的模型和特性 . 定电压法与扰动观测法相 图1 光伏电池等效模型 8 结合能够解决上述问题， 但是在环境连续变化的情 况下跟踪会出现电压崩溃的现象 . 采用改进的固 1. 1 定电压法和增量导纳法相结合的方法来跟踪最大功 光伏电池的等效模型 由图 1 可以得出负载端的电压电流关系式， 也 09收稿日期： 2009- 22. ） E作者简介： 李文兴（ 1960- ，男， 教授， 主要研究方向： 天线、 电磁兼容， mail： liwenxing hrbeu. edu. cn. 36 应 2 用 科 技 第 37 卷 就是光伏电池的输出特性方程 ： q（ V + Rs I） V + Rs I I = Iph Io exp 1 . （ 1） Rsh nkT V 式中： I 表示光伏电池输出电流 （ 工作电流 ） ， 为光 I I 伏电池输出电压 （ 工作电压 ） ，ph 为光生电流，o 为 q（ V + R s I） I 1 二极管反向饱和电流，d = I o exp nkT q R 为二极管结电流， 为电子的电荷量， s 为光伏电池 R n 的等效串联电阻， sh 为光伏电池的等效并联电阻， k T 为二极管特向因子， 为波尔兹曼常数， 为光伏电 池温度. 通常， 理想的光伏电池其等效的串联电阻 R s 很 小， 而并联电阻 R sh 很大， 对于单晶硅或者多晶硅光 在一般的工程应用中， 为了计算方便， 伏电池来说， 可以将它们忽略不计. 1. 2 光伏电池的电气特性 在日照强度和温度一定时， 光伏电池的输出特 性曲线可以描绘成如图 2 所示 3 图3 光伏电池输出特性曲线（ 不同光照） ， 即光伏电池在某 图4 光伏电池输出特性曲线（ 不同温度） 个特定的环境中， 光伏电池输出电流、 输出电压和输 出功率之间的关系. 可以看出光伏电池的输出功率 取决于日照强度、 太阳能光谱分布和光伏电池的温 度. 光 伏 电 池 在 标 准 条 件 下，即： 日 照 强 度 S = 1 000 W / m ， 光谱 AM1. 5， 电池温度 298 K， 光伏 其单位为峰 电池所输出的最大功率称为峰值功率， 3 瓦（ W P ） . 在常温下 （ T = 25 ） ， 不同光照条件下 2 2 光伏电池最大功率点跟踪方法 由图 2 可知， 光伏电池显然存在最大功率点. 在 最大功率点左边， 功率随着电压的增加而增加； 在最 大功率点右边， 功率随着电压的增加而减小. 故光伏 电池的 MPPT 可以利用 DC 电路的软负载特性， 通 过控制光伏电池的端电压， 从而改变光伏电池的输 出负载以修正光伏电池的输出功率， 最终使系统运 行于输出功率的最大值点. 现阶段的每一种跟踪方法都有各自的优缺点 ， 其终极目标都是希望能最快的找到最大功率点 ， 同 时尽量少的消耗硬件资源. 2. 1 固定电压法 由图 3 分析可以得到， 在一定的温度下， 不同光 照条件下的最大功率点几乎在一条垂直线上 . 这表 示光伏电池的最大功率点对应于某一固定电压 ， 这 就是固定电压法的理论基础. 可以从光伏电池厂商 得出最大功率点电压 V max ， 只要将光伏电池 （ 阵 ） 的 3 输出电压钳制在 V max 即可完成跟踪 . 这种方法将 光 伏 电 池 输 出 特 性 曲 线 如 图 3 所 示. 在 S = 1 000 W / m2 的光照条件下， 不同温度下光伏电 池特性曲线如图 4 所示 4 ， 从图中可以近似看出光 照强度只影响光伏电池的短路电流 I SC ， 而光伏电池 温度只影响光伏电池的开路电压 V OC . 图2 光伏电池输出特性曲线 最大功率点跟踪转化为稳压控制 ， 简单易实现. 从图 4 中可以看出这种方案忽略了温度对最大功率点的 影响， 属于近似跟踪. 第6 期 李文兴， 光伏电池最大功率点跟踪研究 等： 37 2. 2 导纳增量法 导纳增量法 6 5 减少了采样点的同时也降低了振荡损耗 . 根据以上 是光伏电池 MPPT 常用的方法 将初始电压设定为光伏电池厂商给定的 V max ， 理论， 然后经行小步长跟踪， 其效果仿真如图 6 所示. 此时 则会带来越低的振荡损耗， 带来更 选择越小的步长， （ 2） 高的精度， 但同时也带来相对大的时间开销 （ 采样 选取步长为 0. 1 V， 只需 点数） . 从图 6 中可以看出， 要差不多 10 次采样就能追踪到最大功率点附近 ， 同 dI I = . dV V （ 3） 大约是 0. 01 W 的误差， 相对 时产生的振荡也很小， 基本满足要求. 虽然对于要求精度 误差是 0. 016 % ， 的应用这是无法忍受的， 但通过调整步长， 误差因子 （ 4） E 可以满足高精度的要求. 在最大功率点处其斜率为 之一. 由图 2 可以看出， 零， P = V* I， 而 因此在最大功率点处有 dI dP = I + V* = 0， dV dV 即 式（ 3） 就是达到最大功率点所需要的条件 . 如果 I dI ， dV V （ 5） 则光伏电池的工作点在最大功率点的右边 ， 此时应 则光伏电池的工作点在最大功率点的左边 ， 此时应 该增加输出电压. 算法流程如图 5 所示. 参照图 5， 开始处的采样电压、 电流在实际中是与负载值有关 仿真时为了方便， 采用 0. 2 倍的 V OC 作 为 初 始 的， 方程 （ 3） 很难满足， 工程应用中 值. 在实际应用中， 当 引入一个误差因子 E， dI I （ ） 0、 1 0 或者 dV1 0、 2 0 则表明 此时不进行最大功率跟踪， 待环境稳 环境发生变化， 定后再进行最大功率跟踪. 算法流程如图 7 所示. 这 种算法提高了系统的稳定度， 但同时也增加了系统 但为了系统的稳定性， 这是值得的. 的复杂度， 图8 环境变化的最大功率跟踪 4 图7 改进后的算法流程 仿真结果 假设在 100 采样周期处光照条件发生变化， 在 对于多云天气情况， 这种方案可以很方便地解 决跟踪紊乱的问题. 根据以上思路将开路电压增量 导纳法进行适当的修改， 采取同时采样 3 个点的电 再进行比较. 方法如下： 流值， V i = 初值； V i +1 = V i + DV， i 1 = V DV； V dI1 = I i +1 I i ， 1 = V i +1 V i ； dV 200 采样周期处温度发生变化. 利用 MATLAB 仿真 上述环境变化时的最大功率点跟踪曲线如图 8 （ a） 所示. 从图中可以看出利用固定电压法和导纳增量 结合起来的方案跟踪可以很快地跟踪到最大功率 点. 从图 8（ a） 中第 2 段曲线可以看出， 当只有光照 强度变化时， 最大功率点电压基本不变， 3 段曲线 第 则表明当温度发生变化时， 最大功率点电压发生变 第6 期 李文兴， 光伏电池最大功率点跟踪研究 等： M 2005. 应用 . 北京： 科学出版社， 39 4 化， 需要重新跟踪. 以上 2 点可以从图 3、 中分析得 （ 在第 1 段与第 2 段， 到. 由图 8（ b） 、 c） 中可以看出， 第 2 与第 3 段的交界处， 也即环境发生变化的瞬间， 都可以发现系统功率保持一个采样周期不变 ， 这与 改进后的算法吻合. 综上所述， 本方案可以实现快 稳定的跟踪. 速、 2雷元超， 陈春根， 沈俊， 光伏电源最大功率点跟踪控 等. J 2004， 23） ： 763（ 80. 制方法研究 . 电工电能新技术， 3闽江威. 光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究 . 武汉： 华中科技大学， D 2006. 4孔娟. 太阳能光伏发电系统的研究 . 青岛： 青岛大 D 2006. 学， 5陈桂兰， 孙晓， 李然. 光伏发电系统最大功率点跟踪控制 . 电子技术应用， J 2001， 338： 35. 6TAFTICHT T，AGBOSSOU K，DOUMBIA M L，et al. An improved maximum power point tracking method for photoJ voltaic systems . Renewable Energy，2008，33： 15081516. 7AHMED N A，MIYATAKE M. A novel maximum power point tracking for photovoltaic applications under partially . shaded insolation conditionsJ Electric Power Systems 2008， 78： 777784. Research， 8龚菲. 太阳能光伏路灯系统中 MPPT 控制器的研究与设 D 2007. 计 . 杭州： 浙江大学， 5 结束语 提出固定电压法和导纳增量法相结合的思路来 并在此基础上进行适应环境 进行最大功率点跟踪， 性的改进. 方案利用固定电压法迅速跟踪到近似最 大功率点， 再利用导纳增量法进行精确跟踪 . 此方案 又降低了跟踪的振荡损 既减少了跟踪的时间损耗， 耗. 同时， 引入的环境变化判断因子避免了电压崩溃 提高了跟踪的稳定度. 现象， 参考文献： 1赵争鸣， 刘建政， 孙晓瑛， 袁立， 太阳能光伏发电及其 等. （ 上接第 34 页） 参考文献： 1WANG Z，GIANNAKIS G B. Wireless multicarrier communications： Where Fourier meets Shannon . IEEE Signal J 2000（ 5） ： 2948. Processing Mag， 2彭木根， M 王文博. 协同无线通信原理与应用 . 北京： 2008. 机械工业出版， 3殷勤 业， 张 莹. 协 作 分 集： 一 种 新 的 空 域 分 集 技 术 . 西安交通大学学报， J 2005（ 6） ： 552. 4HUNTER T E， Code Cooperation： a new frame for user cooperation in wireless networks D. Dallas ： University of Texas， 2004. 5LANEMAN J N， WORNELL G W， D N C. An efficient TSE protoc