光伏电池及其最大功率点跟踪

光伏电池及其最大功率点跟踪1个光电池1.1光伏电池介绍太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能瞬间转化为电能的装置。当阳光照射在半导体p-n结上时，由于光子能量的吸收，将形成电子-空穴对。在pn结电场的作用下，空穴将从N区流向P区，电子将从P区流向N区。这使得p-n结附近的相应区域中的主载流子浓度增加，并且这种局部浓度的增加将不可避免地导致主载流子向外部接触表面扩散，导致外部端子上的电压和电路接通后的电流形成。在标准照度下，单晶硅光伏电池的输出电压仅为0.5V左右，普通单电池的输出功率一般为1W左右，不能直接用作电源。除了容量小之外，单电池的机械强度也很差。因此，在实际应用中，几个光伏电池被串联和并联封装以形成具有相对大的输出功率(从几瓦到几百瓦)的太阳能电池模块。光伏电池模块串并联组成光伏电池阵列，可作为大型光伏并网逆变器的功率输入。图2.1太阳能电池单元、模块和方阵示意图1.2光伏电池数学模型光伏电池的数学模型12可以用图2.2所示的单二极管等效电路13来描述。该图显示了光伏电池的外部负载，负载电压为，负载电流为。且是光伏电池内阻。对于串联电阻，电阻通常很小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻和电极电阻等。对于旁路电阻，电阻值通常较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘泄漏以及耗尽层中的复合电流。是通过p-n结的总扩散电流。表示光伏电池中光子激发的电流，取决于辐照度、电池面积和整体温度。图2.2光伏电池的单二极管等效电路(2.1)在没有光的情况下，光伏电池的饱和电流是多少？旁路电阻上的电压和流经旁路电阻的电流为。上述类型的负载电流有：(2.2)一般很小，很大，可以忽略。理想的光伏电池特性有：(2.3)可从公式2.3获得(2.4)光伏电池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。本设计中使用的光伏模块的最大输出功率为265瓦，开路电压为39伏，短路电流为8.93安，最佳工作电压为31伏，最佳工作电流为8.55安1.3光伏电池输出特性图2.3不同照度下光伏电池输出特性曲线族图2.4不同照度下光伏电池输出特性曲线族光伏电池的输出特性可以用I-U特性曲线来表示，输出特性取决于温度和照度。通过固定温度和照度这两个参数中的一个并改变另一个，可以得到相应的I-U和P-U特性曲线。通过保持温度不变和改变照度，可以得到图2.3所示的输出特性曲线族。从图中的曲线族可以看出，随着辐照度的变化，开路电压变化不明显，短路电流变化明显，最大功率点功率也变化很大。通过保持照度不变和改变温度，可以得到图2.4所示的输出特性曲线族。从图中的曲线族可以看出，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最大功率点跟踪2.1最大功率点跟踪简介根据光伏电池的输出特性，光伏电池可以在不同的温度下工作开环MPPT方法基于光伏电池输出特性曲线的基本规律。MPPT是通过简单的开环控制实现的，主要包括恒压跟踪法、短路电流比例系数法和插值计算法。以恒压跟踪法为例，从图2-4可以看出，当辐照度大于一定值且温度变化很小时，光伏电池的P-U输出特性曲线上的最大功率点几乎分布在垂直直线的两侧。因此，如果光伏电池的输出电压可以稳定在最大功率点附近的某个电压，则光伏电池可以获得近似最大功率输出。这种方法称为恒压跟踪法。研究表明，光伏电池的最大功率点电压与其开路电压近似成线性关系。(2.5)该值取决于光伏电池特性，通常约为0.8。虽然恒压跟踪法不能精确跟踪最大功率点，但可以实现快速跟踪。该方法可以考虑在启动过程中实现最大功率点的快速跟踪，然后可以采用其他更精确的方法实现精确跟踪。总之，开环方法简单易行，可以快速稳定最大功率点附近的工作点，但要实现进一步的精确跟踪，必须引入闭环控制。闭环MPPT法通过光伏电池输出电压和电流的实时测量和闭环控制实现MPPT。最广泛使用的是自优化算法。典型的自优化算法包括扰动观察法和电导增量法15。从图2.4可以看出，正常光照条件下光伏电池的P-U输出特性曲线是以最大功率点为极值的单峰函数，因此存在(2.6)因为这种算法是由数字控制实现的，所以在实践中它们经常被条件逼近代替。无论是扰动观察法还是电导增量法，电压值通常是逐步搜索的，即从开始，每次对电压值进行有限的变化()，计算两次前后的功率差值()。在同一搜索过程中，的值通常不为0。无论扰动方向如何，系统总是寻找功率增加的方向，以找到满意的工作点，从而实现自优化控制。2.2扰动观测方法图2.5扰动观察法MPPT过程示意图假设环境条件如辐照度和温度不变，最后一个光伏电池的电压和电流检测值为，相应的输出功率为，光伏电池的电流电压和电流检测值为，相应的输出功率为，电压调节步骤为，电压调节前后的输出功率差为。参照光伏电池的功率输出特性曲线，扰动观测方法的具体过程如下：1)增加参考电压()。如果这意味着最大功率点位于当前工作点的右侧，参考电压应持续增加。如图2.5a所示2)增加参考电压()。如果这意味着最大功率点位于当前工作点的左侧，则参考电压应降低。如图2.5b所示3)降低参考电压()。如果这意味着最大功率点位于当前工作点的左侧，参考电压应持续降低。如图2.5c所示4)降低参考电压()。如果这意味着最大功率点位于当前工作点的右侧，则参考电压应增加。如图2.5d所示图2.6固定步长扰动观测方法流程图扰动观测法是按照上述过程反复扰动输出电压，使光伏电池的输出功率不断向增大的方向变化，直到工作点接近最大功率点。根据每个电压扰动是否固定，扰动观测方法可分为固定步长扰动观测方法和可变步长扰动观测方法。固定时间扰动观测法流程图(2.7)等式2.7的两边分别对光伏电池的输出电压进行微分(2.8)当时，光伏电池在最大功率点工作，即工作点位于最大功率点(2.9)在实际应用中，最大功率点跟踪准则是通过代入近似得到的。1)工作点在最大功率点的左侧2)工作点是最大功率点