光伏电池最大功率点跟踪概要.docx

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光伏电池最大功率点跟踪概要

本文由沈博謇贡献

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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（201006-0035-05

Researchofmaximumpowerpointtrackingmethodforphotovoltaicsystems

LIWenxing,LITing,FENGZhiwei

（CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China

Abstract:

Forrapidlyandstablycapturingthemaximumpowerpointofphotovoltaiccells,amethodwasproposedbasedontheCombinationoffixedvoltagemethodandtheadmittanceincrementmethodtoachievemaximumpowerpointtracking（MPPTforphotovoltaiccell.Thefixedvoltagemethodwasusedtofasttracktheapproximatemaximumpowerpoint,whiletheadmittanceincrementruleswereusedforaccuratetracking.ThesystemstabilityofMPPTinthecaseofcloudyweatherisimprovedbyproposingtheenvironmentdeterminingfactors.Inthechangingenviroment,bysimulatingthemaximumpowerpointtrackingforphotovoltaiccells,itisverifiedthatthisprogramcanquicklyandstablyarriveatthemaximumpowerpoint.Keywords:

photovoltaiccell;electricitygeneration;maximumpowerpointtracking;sensingtheenvironment

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,maximumpowerpointtracking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·

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[2]

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就是光伏电池的输出特性方程

:

q（V+RsIV+RsII=Iph-Io{exp[]-1}-.（1RshnkTV式中:

I表示光伏电池输出电流（工作电流,为光II伏电池输出电压（工作电压,ph为光生电流,o为q（V+RsII]-1}二极管反向饱和电流,d=Io{exp[nkTqR为二极管结电流,为电子的电荷量,s为光伏电池Rn的等效串联电阻,sh为光伏电池的等效并联电阻,kT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Rs很小,而并联电阻Rsh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=1000W/m,光谱AM1.5,电池温度298K,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（WP.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Vmax,只要将光伏电池（阵的[3]输出电压钳制在Vmax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=1000W/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ISC,而光伏电池温度只影响光伏电池的开路电压VOC.

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.

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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Vmax,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0.1V,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dII=-.dVV（3大约是0.01W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（4E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dIdP=I+V*=0,dVdV即

式（3就是达到最大功率点所需要的条件.如果IdI<-,dVV减小输出电压;如果dII>-,dVV（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VOC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,dII-（

从而得出最大功率点.导纳增量法的一个突出特点就是在选择高精度的情况跟踪到最大功率点所花费的时间较长.而且因为下,跟踪过程中,系统并非工作在最大功率点上,所以损耗了部分功率.

图5导纳增量法流程图

3

3.1

算法改进

开路电压导纳增量法如何用最少的采样点达到最大功率点,同时振

这是所有研究者的目标.大致的方法荡损耗又最小,有2种:

一是通过变步长的方法,即在远离最大功率在最大功率点附近则使用小步长;点处使用大步长,二是通过某种方式,直接将工作电压带到最大功率然后进行小步长的跟踪.考虑到计算方便、点附近,实现容易以及固定电压法的近似性和导纳增量法的文章采用第2种方案,即将固定电压法和增精确性,量导纳法结合起来,利用固定电压法来确定初始工作电压,然后利用小步长来跟踪最大功率点.这样,3.2

图6固定电压法的小步长最大功率跟踪

考虑环境的变化因素后的算法改进为了增加系统的实用性,就有必要分析当环境

发生变化时,对系统产生的影响,并通过合适的手尽量降低环境对系统的干扰段,[7]

.研究发现当光

照强度或者温度发生突变时,导纳增量法会出现电压崩溃的现象,这是由于导纳增量法在环境变化的

·38·

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4,情况下误判断引起的.通过分析图3、可以看出,当环境稳定时,电压增加,电流减小;电压减小,则电流增大.同时光伏电池也可以近似看成是恒流源和当电压增大,电流也增大,恒压源的组合.在恒流区,这是由于光照强度变大;在恒压区,当电压增大,同则是由于温度的升高.考虑降低算法时电流也增大,的难度以及分析的复杂性.牺牲初始电压值的设定,让跟踪尽量在恒流区或者恒压区跟踪.同时引入判当环境突变时保持原有工作状态,不进断因子E1,行最大功率跟踪,判断出环境稳定后再进行最大功率跟踪.

dI2=Ii-1-Ii,2=Vi-1-Vi.dVdIdI当dV1>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,Vi=初值;Vi+1=Vi+DV,i-1=V-DV;VdI1=Ii+1-Ii,1=Vi+1-Vi;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

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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、

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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:

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