太阳能电池最大功率点跟踪技术研究

2015-12-20金薇

电子科技 2015年3期

金薇

(苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州 215104)

近年来，能源短缺问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术。太阳能作为一种新型绿色能源越来越受到人们的重视。太阳能路灯以太阳光为能源，利用太阳能电池的光伏效应原理，在光照达到一定强度时，太阳能光伏板将太阳光转换的电能通过控制器对蓄电池进行充电;当光照度较低时，由控制器控制蓄电池对LED路灯供电。在太阳能LED路灯照明系统中，太阳能电池属于造价较高的部件，应尽可能提高太阳电池的光电转换效率和充分利用太阳能电池产生的电能。

1 最大功率点跟踪原理

太阳能电池的电气特性主要与日照强度和温度相关，图1和图2分别是太阳能电池在相同光强不同温度情况下的功率/电压和相同温度不同光强情况下的功率/电压特性。

图1 相同光强不同温度情况下的功率/电压特性

图2 相同温度不同光强情况下的功率/电压特性

如图1和图2所示，太阳能电池输出特性具有非线性特征，会受到日照强度、温度等因素的影响而使输出产生变化，只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才能达到最大值，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。在实际工作环境中，由于太阳能电池所处的日照强度和环境温度的变化是随机的，所以其功率/电压特性是多条不确定的曲线，不能采用一个固定的函数通过数学方法来求出其确定的最大功率点。

因此，在太阳能LED路灯照明系统中，为提高系统的整体效率，应实时检测太阳能电池的输出功率，根据在不同光照条件下太阳能电池内阻不同的特点，控制改变与之配接负载的阻抗，达到与太阳能电池内阻相匹配，获得最大功率输出，保证太阳能电池始终工作在最大功率点上，这就是最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术［1］。

2 最大功率点跟踪算法

目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪有固定电压法、扰动观察法、电导增量法等。

2.1 固定电压法

在一定的温度下，不同的光照强度下太阳能电池输出的最大功率点几乎在一条垂直线上，如图3所示，这表示太阳能电池的最大功率点对应于某一固定电压［3］。可以先求得太阳能电池在某日照强度及温度下的最大功率点所对应的电压大小Umax，再通过调整太阳电池的输出电压使其钳制在Umax，就可以实现最大功率点的跟踪。

图3 不同日照强度下最大功率点的变化情况

这种方法操作简单、稳定性好、且易于实现。但这并非真正的最大功率跟踪，其忽略了太阳能电池温度对自身最大功率点的影响，在日照及四季温差较大的地区不适用本方法。

2.2 扰动观察法

扰动观察法是每隔一定的时间，用较小的步长增加或者减少太阳能电池的输出电压，通过观测功率变化的方向，来决定下一步的控制信号，这个过程称之为“扰动”［4］。算法流程图如图4所示。根据上一次的检测值U、I计算对应的输出功率P;再进行当前检测U1、I1计算P1;比较P和P1，会出现两种情况:(1)P1＞P，说明扰动方向正确，应继续保持原方向。(2)P1＜P，说明扰动方向错误，需调整扰动方向;如此循环，最终使工作点接近Pmax。

图4 扰动观察法算法流程图

扰动观察法跟踪方法简单，是一个自寻优的过程，但太阳能电池会在最大功率点左右振荡，造成能量损失，降低太阳能电池的效率。

2.3 电导增量法

通过图1和图2太阳能电池P－U曲线可知，最大功率点Pmax处的斜率为0。因为P=U×I，所以有，这是太阳能电池达到最大功率点的条件，即当太阳能电池输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池工作在最大功率点。

以上方法是根据太阳电池的P－U曲线特点来搜索最大功率点对应的电压，从理论上讲，电导增量法较为理想，但受测量设备的限制。扰动观察法实现起来较为容易，其缺点可通过软件加以改进。这些方法各有利弊，可根据不同的系统要求选用不同的控制方法。

图5 电导增量法算法流程图

3 最大功率点跟踪算法改进

通过上述分析可知，固定电压法忽略了太阳能电池温度对自身最大功率点的影响，只能使太阳能电池工作于最大功率点附近。而采用扰动观察法太阳能电池会在最大功率点左右振荡，造成能量损失。为充分利用太阳能电池的输出功率，可将固定电压法和扰动观察法结合起来，实现优势互补［6］。

算法流程图如图6所示，实现过程中，先使用固定电压法控制使输出电压稳定到最大功率点所对应的电压大小Um，Δu指固定电压法使用PI控制使输出电压稳定到Um上计算出的电压偏移量。当系统实现固定电压法的控制目标后，即满足Um－ΔU＜Uk＜Um+ΔU时，进行小步长的扰动观察法，其中ΔU是设定电压阀值。

与传统扰动观察法不同，这种算法首先直接将工作点调整到最大功率点附近，然后利用扰动观察法对最大功率点附近的稳态特性进行优化，这样保证了跟踪的快速性。另外在最大功率点附近，采用扰动观察法时设定的步长可远小于传统扰动观察法中的扰动步长，从而可有效减小系统在最大功率点附近的振荡现象。

图6 固定电压法扰动观察法相结合法算法流程图

4 仿真分析

为验证提出的改进算法的优越性，在 Matlab/Simulink中进行了仿真。已知在温度T=50℃时，某太阳能电池在S=1 200 W/m2时最大功率点约为30 W，在S=600 W/m2时的最大功率点功率约为13 W。在0.5 s时光强从S=1 200 W/m2变化到S=600 W/m2，在0.6 s时光强从S=600 W/m2变化到S=1 200 W/m2。采用固定电压法、扰动观察法、固定电压法扰动观察法相结合法分别进行MPPT仿真，仿真结果如图7～图9所示。

图7 固定电压法仿真结果

图8 扰动观察法仿真结果

图9 固定电压法扰动观察法相结合法仿真结果

对比图7～图9波形，可发现:(1)在t=0.5 s时光强由1 200 W/m2降至600 W/m2，此时输出电压减小，固定电压法的输出功率扰动很大，造成功率损失;扰动观察法在最大功率点附近有轻微扰动;固定电压法扰动观察法相结合法在短时间扰动后稳定在最大功率点附近。(2)在t=0.6 s时光强从600 W/m2升至1 200 W/m2，固定电压法跟踪失败;扰动观察法到t=0.9 s时稳定在最大功率点，在t=0.6～0.9 s间扰动较大;固定电压与扰动观察相结合法到t=0.7 s时稳定在最大功率点，功率损失较小。

通过仿真证明，在光强突变时，固定电压法扰动观察法相结合法比扰动观察法有更快的跟踪速度，且稳态输出功率波动更小。