光伏电池及其最大功率点跟踪

光伏电池和最大功率点跟踪1光电池1.1光电池简介太阳能电池是利用光生螺栓效应将太阳能立即转换为电能的设备。当太阳照射在半导体p-n连接上时，光子的能量被吸收形成e-cavity对，在p-n连接电场的作用下，孔从n区流向p区，电子从p区流向n区。因此，该区域的主载流量浓度在p-n连接附近增加，当这些局部浓度增加时，主载流量必须向外部接触面扩散，从而在外部端子上产生电压，连接电路后形成电流。单体单晶硅光电池的输出电压在标准照度下约为0.5伏，一般单体电池输出功率一般约为1瓦，一般不能直接用作电源。单体电池不仅容量小，机械强度也低。因此，在实际应用中，将多个光电池单体并行排列，包装成具有较大输出功率(从几瓦到数百瓦)的太阳能电池组件。太阳能发电部件再次串行并行处理，形成可用作大型太阳能发电并网逆变器电源输入的光伏阵列。图2.1太阳电池单体、组件、正方形图1.2光伏数学模型光电池的数学模型12可以描述为图2.2所示的单个二极管等效电路13。图为光电池的外部负荷，负荷电压为，负荷电流为。和光电池内部电阻。对于串联电阻，电阻通常较小，具体取决于电阻、接触电阻、扩散电阻和电极电阻等。对于旁路电阻，通常电阻很大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的角漏电和耗尽层内的复合电流等。通过P-n接头的总扩散电流。光子在光电池中产生的电流，取决于辐射度、电池面积和本体温度。图2.2光电池的单二极管等效电路(2.1)没有照明的太阳电池的饱和电流。旁路电阻双端电压，通过旁路电阻的电流。这种类型的可访问负载电流包括：(2.2)通常小、大，可以忽略。理想的光电功能：(2.3)适用于格式2.3(2.4)光电池中常用的五个参数是开路电压、短路电流、最佳工作电压(最大功率点电压)、最佳工作电流最大功率点电流)和最大输出功率。本设计使用的光电模块的最大输出为265瓦，断路电压为39V，短路电流为8.93A，最佳工作电压为31V，最佳工作电流为8.55A。1.3光电池输出特性图2.3不同照度下光电池的输出特性曲线族图2.4不同照度下光电池的输出特性曲线族光电池的输出特性可以用I-U特性曲线表示，该曲线取决于温度和照度。通过修改两个参数之一(固定温度和照度)的其他参数，可以获得相应的I-U和P-U属性曲线。保持温度不变并改变照度，可以获得如图2.3所示的输出特性曲线族。通过图的曲线族可以看出，断路电压随调查程度的不同而变化不大，短路电流变化很大，最大功率点功率也变化很大。保持照度不变并更改温度，可以获得如图2.4所示的输出特性曲线族。从图中可以看出，随着温度的变化，短路电流的变化很小，开路电压的变化很明显，最大功率点功率的变化也很明显。2追踪最大功率点2.1最大功率点跟踪简介光伏电池取决于外部条件，可以在唯一的最大功率点(MPP)上工作，这是众所周知的光伏电池输出特性。对于太阳能发电系统，我们希望太阳能电池在最大功率点工作，将光最大限度地转换为电能。使用控制方法实现光电池最大功率操作的技术称为最大功率点跟踪14技术。根据判断方法和说明，现有的MPPT方法可以分为开环和闭环MPPT方法。开环MPPT方法基于光伏输出特性曲线的基本规律，通过简单开环控制实现MPPT，主要有固定电压跟踪方法、短路电流比例系数方法和插补方法。以固定电压跟踪方法为例，如图2-4所示，当辐射度大于一定值且温度变化不大时，光电池的P-U输出特性曲线上的最大功率点几乎分布在垂直线两侧。因此，如果能在最大功率点附近的电压下稳定光电池的输出电压，光电池就能获得称为恒电压跟踪方法的近似最大功率输出。研究表明，光电池的最大功率点电压和开路电压之间的近似是线性关系。(2.5)其中的值取决于光电池特性，一般为0.8左右。固定电压跟踪方法即使不能准确跟踪最大功率点，也可以进行快速跟踪。在启动过程中，可以使用此方法快速跟踪最大电源点，然后使用其他更精确的方法进行精确的跟踪。简单地说，开环类方法简单，易于实现，可以快速稳定最大功率点附近的工作点，但为了更精确的跟踪，需要闭环控制。闭环MPPT方法是通过光电输出电压和电流的实时测量和闭环控制实现MPPT的最广泛应用的自优化类算法。典型的自优化类算法有扰动观测法和电导增量法15。如图2.4所示，在正常照明条件下，光电池的P-U输出特性曲线是在最大功率点具有极值的单峰值函数，因此在最大功率点(2.6)因为这些算法是由数字控制实现的，所以实际上经常被条件近似代替。无论是扰动观测法还是电导增量法，通常都使用搜索电压值步进的方法。也就是说，从起点开始，分别进行电压值的有限变化()，计算前后两个功率差异()的值。在相同的搜索过程中，值通常不为零，因此系统始终在功率增加的方向上搜索，以查找满足的工作点，并执行自优化控制，而不管扰动方向如何。2.2扰动观测方法图2.5扰动观测MPPT流程图假定在环境条件(如辐射度和温度)不变的情况下，以前光电池的电压、电流检测值为，相应的输出功率为，当前光电池的电压、电流检测值为，相应的输出功率为，电压调整阶段为，电压调整前后的输出功率为：参考光电池的P-U输出特性曲线，微扰观测方法的具体过程如下：1)参考电压增加()如果最大电源点位于当前工作点的右侧，则必须继续增加参考电压。如图2.5a所示。2)基准电压增加()最大电源点位于当前工作点的左侧时，必须降低基准电压。如图2.5b所示。3)基准电压降低()最大电源点位于当前工作点的左侧时，必须继续降低基准电压。如图2.5c所示。4)基准电压降低()最大电源点位于当前工作点的右侧时，必须增加基准电压。如图2.5d所示。图2.6固定步长扰动观测流程图扰动观测方法是根据上述过程重复输出电压扰动，并通过其电压的变化将光电池的输出功率变更为增加方向，直到工作点接近最大功率点。根据各电压扰动是否固定的扰动观测可以分为固定阶段扰动观测法和可变阶段扰动观测法两类。给定阶段的扰动观测方法的流程图如图2.6所示。2.3电导增量法电导增量法是基于电压变化率和输出功率的对应关系而建立的最大功率点跟踪方法。图2.7光伏P-U特性的dP/dU变化特性图2.7显示了光电池P-U特性曲线及其各点的变化特性。在特定外部条件下，仅存在一个最大功率点，并且最大功率点两侧的编号不同。通过以上分析，可以用作判断最大功率点的标准。光电池的瞬时输出功率(2.7)诱导2.7的各侧对光电池输出电压的(2.8)当时光电池在最大功率点工作。也就是说，工作点位于最大功率点(2.9)实际上，用近似值替换以获得最大功率点跟踪标准1)工作点位于最大功率点的左侧2)工