光伏电池最大功率跟踪点的研究概要.docx
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光伏电池最大功率跟踪点的研究概要
光伏电池最大功率跟踪点的研究
刘顺炮
1
郑建勇
1
张先飞1梅军1顾东亮
2
1
东南大学电气工程系,南京2100962中国电子科技集团公司28所,南京210007）
1
2
摘要针对光伏电池的等效电路及伏安特性的特点，通过简化和等效构造了适合于数字仿真的光伏电池模块，通过深入理论的具体分析，得出实现光伏电池输出功率最大化的理论基础，采用了基于BOOST电路的最大功率跟踪器的主电路拓扑和基于导纳增量的可变占空比增量的跟踪控制算法，最后通过仿真验证了该跟踪控制器主电路的合理性及跟踪算法具有快速响应的优越性。
关键词光伏发电；最大功率点跟踪。
1引言
光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越受到关注，在未来的供电系统中将占有重要的地位，而光伏发电的根本原理是先由一种光伏电池吸收光能如自然界的太阳光转化为电能，该电能再经过各种电力电子变换器的电能储存、电能质量的改善从而实现电能的实际应用.其中光伏电池是作为光伏发电系统中功率输出的源头，但由于其物理特性以及制造工艺的影响造成了其转换效率低且价格昂贵，根据光伏电池的物理特性可以得知它的输出特性呈非线性且受外界环境影响大，如温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化，这些特性直接影响了光伏电池的最大功率的输出，所以充分利用光伏电池所转换的能量是光伏发电系统的一个关键的技术要求，而要解决这个问题可在光伏电池与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏电池始终能够工作在最大功率点，以便最优化地利用太阳能，为此提出各种最大功率跟踪算法[1][2][3]，1功率匹配（Power-matchingscheme）；2）曲线拟合技术（curve-fittingtechnique）3）扰动和观察
（perturb-and-observemethod）；4）导纳增量法（incrementalconductancealgorithm）。
本文在分析这些方法的优劣的基础上，以最大功率跟踪为一要优化函数，该优化函数是一个以精度、响应速度、可靠性等为自变量的函数，通过对这几个自变量的权衡和优化实现了一种可靠的、实用的、精度和响应速度相匹
图1光伏电池的等效电路
配的控制算法。
2光伏电池的等效电路及输出特性
根据光伏电池的具体的物理结构和电气表现特性可以得出光伏电池的等效电路如图1，从图1光伏电池的等效电路可以进一步得出
光伏电池的输出特性的方程[4]如下：
（s
LGOSssh
V+Iq
-expV+I-1-AkTI=IIRR⎧
⎫⎡⎤
⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩
⎭
（1）
其中：
I、V分别为光伏电池单元的输出电流、电压,
rT=301.18K-参考温度
λ-日照强度
（W/㎡）；T-电池单元温度（工作温度）,sR--串联等效电阻；
shR-并联等效电阻,SCRI为25℃、1000W/㎡下的
01
2
3
I/AU/V
图2常温下不同日照的伏安特性
1
23
I/AU/V
图3参考日照不同温度下的伏安特性
短路电流；
IK=0.0017A/℃-SCRI下的短路电流温度系数,
LGI--为光照电流，具体由函数式
（2）表示（25/100LGSCRITIIKλ⎡⎤=+−⎣⎦
（2）
GOE硅的带宽,B=A=1.92—二极管理想系数；
orI--rT下电池单元的暗饱和电流,q—电子电
荷量1.6×10-19C
k—波耳兹曼常数1.38×10-23J/K,OSI电池单元暗饱和电流，它具体是由函数表达式（3）来决定的。
3
GOOSorrrqT11=exp-BkTIITT⎡⎤⎡⎤
⎛⎞⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎝⎠⎣⎦（3对光伏电池的等效电路进行理论推导，并经过具体太阳能实验数据的分析，影响太阳能电池输出特性的主要因素有两个，环境温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响其短路电流[5]，如图2、3所示。
3光伏电池数字仿真模块的建立
为了能够充分利用光伏电池的输出功率，并实现光伏发电的实用性，在搭建具体实物发电系统之前，利用目前各类软件实现对系统的器件、主电路拓扑、控制器的算法的仿真是非常必要的，通过仿真能够实现对整个系统性能指标的优化和提高，而在光伏发电系统中由于电能源伏安特性的非线性以及随着日照强
度、环境温度的改变而变化，与传统的电能源伏安特性大大不同，所以，有必要对光伏电池的模块进行理论的分析和简化，从而构建工程化的仿真模块，经过理论的分析和实际的使用，并根据数字仿真软件特有的模块对光伏等效电路作出了以下的简化和等效[5][6][7]
：
1光照电流LGI用一个受控电流源等效，控制端的参
数有日照强度、环境温度，从而体现了光伏电池伏安
特性随日照强度、环境温度的改变而变化。
2等效的二极管用一个受控电流源等效，控制端的参数主要是输出电压、光伏电池串联电阻两端的电压。
3由于并联等效电阻shR很大，所以，流过其中的电流很小可以忽略不计，所以可以断开忽略。
4由于串联等效电阻sR经过理论的分析，
其值受环境温度的影响，所以表现为正温度系数的电阻函数形式，
可以用一个受控电压源等效，控制参数为输出电流，并通过一个表现为受温度变化的修正参数来进行等效。
经过以上的简化和等效，光伏电池的仿真模块构成如下图4，其中α、β主要依据光伏电池的输出特性方程进行数学上的简化和等效，并根据具体的仿真软件的特性得出的，对该仿真模块进行数字软件平台上搭
建并进行仿真得出了图5、图6的I-V特性，P-V特性，从仿真图可以看出该仿真模块能够较准确的反映实际
的光伏电池的工作特性，所以，该模块可以用于以后控制算法提供光伏电能源。
图4仿真模块示意图
图5仿真模块的I-V特性
图6仿真模块的P-V特性
4.最大功率跟踪控制理论分析和实现
根据电工学的理论，可以得知，一个非理想的直流电源供电时，负载的的最大功率发生在外部电阻与电源的内部相等时，也即负载线与电源的输出特性相交点在伏安特性里形成的面积最大，该理论同样适合于光伏电池，图7所示光伏电池电路在不同光照强度（L1和L2）下的两条伏安特性曲线。
由图可见，对于同一负载RL，在不同的入射光照下，输出可以是恒流（P1点），也可以是恒压（P2点）。
在同一光照强度下，改变负载的大小，也可使输出改成恒流形式或恒压形式（P3点）。
对于负载的变化，可通过光伏发电最大功率跟踪器来完成的。
而图8所示的光伏电池的输出电压和输出电流都和负载电阻L
R
大小有关，从图可
以看出光伏电池的输出电流I与输出电压U和负载电
阻之间都不是线性关系，前者随之减小，后者随之增
图7.负载线与伏安特性曲线结合图
图8电流、功率、电压与负载阻抗关系
加。
只有在负载匹配的情况下LMRR=，才能获得最
大的输出功率MP，这时的光电转换效率η才是最高的，所以，要实现最大功率工作点，通过负载匹配来实现，而要实现负载匹配可以采用电力电子电路中的DC-DC拓扑来达到改变固定负载从而实现负载的匹配。
DC-DC拓扑结构很多，但为了实现成本和性能指标的最优化，本文采用了PWM升压直流-直流变换器（BOOST电路）。
其拓扑结构如下图9所示
4.1主电路结构
图6为最大功率跟踪器的一个主电路图，该主电路的工作原理是首先通过电压、电流传感器对PV阵列的输出电压和电流进行信号的调理，然后通过A/D采样实现模拟信号的采集并转换为数字信号，然后通过各种算法对该两种信号进行匹配并输出控制信号通过驱动电路实现对IGBT的控制。
其中电感L的取值必须满足式（4）实现BOOST电路工作电流的连续性，电容C的取值必须满足式（5）实现输出电压波动在技术指标范围内
min（
16soocritLI×≥
×
（4）
图9主电路结构
（maxmaxoo
sCIDV×≥
×+（5）其中oV为BOOST电路的输出电压；sT、sf分别为
IGBT的开关周期、开关频率；
（ocritI为BOOST电路的输出平均电流；oV+为BOOST电
路的输出电压波动峰；
（maxoI为BOOST电路的输出电流的峰值；maxD为对应输出电压oV的IGBT占空比.
4.2控制算法的分析与研究
目前针对最大功率跟踪控制，出现以下几种跟踪
算法:
（1功率匹配法（Power-matchingscheme
（2）曲线拟合技术（curve-fittingtechnique）;（3扰动和观察法（perturb-and-observemethod）（4导纳增量法
（incrementalconductancealgorithm）；方法
（1）需要得到太阳能阵列的输出特性，且只能用在特定的辐射和负载条件下，存在一定的局限性.方法
（2）需要预先测得太阳能阵列的特性，用详细的数学函数来描述，但是，对于，寿命、温度和个别电池损坏的情况，这种方法就失效了。
方法（3）是一个迭代过程，无需知道太阳能阵列的特性，但由于扰动的介入，系统工作点无法稳定在最大功率点，而且，可能偏离扰动方向，而方法（4）则解决了这一个问题，其计算准确，且能很好防止对工作点的误判，数字控制也简单。
针对以上几种控制算法的分析和比较，本文采用了可变占空比导纳增量法控制策略,导纳的增量可以决定是否已经达到最大功率点，从而在该点处停止对工作的扰动。
图10算法流程图
如果条件不成立，MPPT工作点的扰动方向可以通过P-V的关系来计算。
其具体的算法如下图，其中V（k）和I（k）分别是第k个采样点的光伏输出电压和电流，Vref和deltaV分别为BOOST电路开关占空比的参考电压值和单个采样周期的电压增量。
通过对光伏电池的伏安特性和功率电压特性曲线的分析，可以得出光伏电池输出改变时存在两种情况：
在单一输出特性曲线上变动，此时电压和电流均发生变化。
光伏输出特性曲线变到另一条特性曲线上，此时光伏输出电压或电流有可能不变，而只是电流（或电压）发生变化。
从而设计了以下控制算法的流程图如图10。
5实验仿真的结果及分析
通过在在MATLAB里编写S函数的控制算法，并利用Simulink的现成模块构造光伏阵列的仿真模块以及主电路进行数字仿真，其结果如图11、12，从仿真图可
以看出该算法能够较快响应日照强度、环境温度的变
图11不同T和S下的输出功率
图12不同T和S下的输出电压
化，如图11两个圆圈代表日照强度、环境温度的随着时间变化功率跟踪器能够迅速响应实现最大功率跟踪点的切换，同理图12两个圆圈代表日照强度、环境温度的随着时间变化功率跟踪器能够迅速响应实现最大功率跟踪点的相应电压的切换，从以上的仿真结果的分析可以得出基于导纳增量的可变占空比增量能够实时随着跟踪日照强度、环境温度的变化而变化，通过控制占空比的变化来实现光伏电池最大功率的跟踪，控制目标直接简单、响应迅速、动态性能高，可应用于工程实际的控制。
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