一种新光伏双轴跟踪系统的改进

唐志涛， 刘希峰， 黄冬梅， 杨秀菊

(1.广西大学电气工程学院，广西南宁530004；2.国网聊城供电公司，山东聊城252000)

一种新光伏双轴跟踪系统的改进

唐志涛1， 刘希峰2， 黄冬梅1， 杨秀菊2

(1.广西大学电气工程学院，广西南宁530004；2.国网聊城供电公司，山东聊城252000)

针对当前光伏双轴跟踪发电系统对太阳能利用效率低的不足，在该系统中引进了一种改进的MPPT算法，将光照、温度、湿度等参数作为此系统的状态量，使系统的响应更符合实际环境变化的需求。利用MATLAB/Simulink搭建仿真系统，通过波形和数据分析比较，结果表明，引入MPPT算法的双轴跟踪系统能时刻保证光伏电池工作在最大功率点，该算法具有可行性和高效性。

双轴跟踪系统；最大功率点跟踪；MATLAB/Simulink

随着传统石化能源紧缺和环境污染日益严重，人们迫切需要寻找一种无污染，大规模，可再生的新能源，所以太阳能发电成为当前关注的热点。为充分利用太阳能，从最初的光伏单轴跟踪系统，到如今的双轴跟踪系统都表明人们对能源利用的智慧。单轴跟踪系统只是在方位角上跟踪太阳，双轴跟踪系统则是从方位角和高度角两个自由度来追踪太阳，实现全方位的追踪，从而保证电池板始终以最大面积接受光照，光伏双轴跟踪系统虽保证了电池板始终以最大面积接受光照，提高了光照利用率，但不能保证电池始终工作在最大功率处，目前市场上的双轴跟踪系统还没有引入高效的MPPT算法，只是单纯地跟踪，造成大量的光能损耗。为改善此不足，本文在光伏双轴跟踪系统中引入了一种改进型的MPPT算法，使太阳电池板不仅仅从物理上最大地接收光能，也能从算法上跟踪最大功率点。

1 光伏双轴跟踪系统

光伏双轴跟踪系统能时刻跟踪太阳光照，保证电池板始终以最大面积接受光照，所以其应用也越来越广泛，其跟踪机制是由两个旋转自由度组成，一是水平方向上旋转的方位角跟踪，另一是高度上旋转的俯仰角跟踪。

从图1可见，当电池板左右两侧光照强度不一样时，光电接收器会产生一个电压误差信号，经控制器的计算得到控制驱动信号，驱动方位角步进电机转动，使电压偏差信号归零。俯仰角也是类似原理，从而保证光伏阵列时刻跟踪光照，使阳光始终垂直射在光伏阵列上，提高光能的利用率。

图1 双轴跟踪结构

2 改进型的MPPT算法

2.1 常规的扰动观察法

扰动观察法是目前实现最大功率跟踪的常用方法之一，设某时刻光伏电池输出的电压为-1，给其加上一个扰动值±Δ。

上述算例中MPPT算法都是假设某时刻光照、温度不变，在此条件下，计算最大功率点，但当温度、光照时刻变化时，算例中的算法往往会失效，造成系统震荡，使系统不能工作在最大功率点处。本文就是基于实际环境下，即光照、温度时刻变化情况下提出了一种改进的MPPT算法。

2.2 改进MPPT算法

光照、温度变化严重影响光伏阵列参数，从而制约其发电效率。在标准的辐射照度=1 000 W/m2和标准温度ref=25℃下，OCref、MPPref是已知给定的。根据参考文献[1-3]，当光照强度和温度变化时，提出下面一种改进的的计算公式，根据此公式算出与光照、温度的关系，然后再算出温度、光照变化时最大功率点电压、电流等参数，通过调节占空比α，跟踪最大功率点。

图2 算法流程图

3 仿真

为验证所提出算法的有效性，利用MATLAB/Simulink搭建仿真系统。仿真模型图3，仿真对象为光伏阵列，在标准测试条件下，温度为光照强度为800 W/m2和1 000 W/m2时波形及光照强度从变化时，光伏电池输出的响应波形[4-7]。

光伏阵列利用Boost电路进行最大功率点跟踪。图3仿真模型中的Subsystem系统计算出光伏阵列输出电压，然后与给定的三角波比较，根据误差值计算输出控制量与三角波比较后得到驱动开关管MOSFET波形，设最初波形占空比为0.5。图4(a)、图4(b)、图4(c)是仿真波形。

图3 系统仿真图

图4 仿真波形

从图4(a)、图4(b)仿真波形可知不同光照时最大功率点的位置以及大小不一样。当温度不变时，光照强度不会改变最大功率点的位置。从图4(c)可知，当光照从=800 W/m2到=1 000 W/m2变化时，该算法能快速地跟踪最大功率点并且稳定在最大功率点处，从图4(c)中也可见此动态过程非常短暂，动态响应速度快，满足该系统的要求，仿真结果也验证了该算法效率非常高，功率增加近30%,这对于提高双轴跟踪系统的发电效率至关重要。

4 结论

在双轴跟踪系统的研究中提出了一种改进的MPPT算法，并将该算法应用到此系统中，该算法最大优点就是能跟随着外界环境变化而快速地跟踪最大功率点，尤其是对外界环境剧烈变化时，克服以往固定电压法不能适应外界环境迅速变化的弊端，同时也消除了扰动观察法的稳态输出稳定性与动态跟踪速度之间的矛盾，从而提高了光伏双轴跟踪系统的发电效率，具有很大的社会经济效益。

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Improvement of a novel photovoltaic double axes tracking system

TANG Zhi-tao1,LIU Xi-feng2,HUANG Dong-mei1,YANG Xiu-ju2

For the low solar utilization of photovoltaic double axes tracking system,a kind of improved MPPT algorithm was put forward.Irradiation,temperature and humidity were used as state parameters,leading the system response meet the demand for actual environment changes.The simulation system was built through MATLAB/Simulink.The results show that photovoltaic double axes tracking system based on improve MPPT algorithm can ensure that photovoltaic cells always works in the maximum power points,demonstrating the effectiveness and efficiency.

double axes tracking system;MPPT;MATLAB/Simulink

TM 646

A

1002-087 X(2015)04-0825-03

2014-09-12

唐志涛（1987—），男，山东省人，硕士，主要研究新能源发电并网技术及开关变换器。