光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤的研究

摘要：光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤是太陽(yáng)能發(fā)電研究的一個(gè)重要方向。提出了實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的方法，比較了幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提最大功率跟蹤方法的正確性。

關(guān)鍵詞：最大電壓跟蹤；恒電壓跟蹤；光伏系統(tǒng)

0??? 引言

??? 太陽(yáng)能作為綠色能源，具有無(wú)污染，無(wú)噪音，取之不盡，用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于光伏系統(tǒng)目前的主要問(wèn)題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價(jià)格昂貴，因此，如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，如何充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。

1??? 太陽(yáng)電池的特性

??? 太陽(yáng)電池的p－u特性如圖1所示，圖1（a）為溫度變化時(shí)的p－ u特性曲線，圖1（b）是日照強(qiáng)度變化時(shí)的p－ u特性曲線。太陽(yáng)電池具有明顯的非線性，既包含了電壓源的特性，也包含了電流源的特性。

(a)溫度變化時(shí)??????????? (b)日照強(qiáng)度變化時(shí)

圖1??? 太陽(yáng)電池的p－u特性曲線

??? 太陽(yáng)電池的輸出受日照強(qiáng)度，電池結(jié)溫等因素的影響。當(dāng)結(jié)溫增加時(shí)，太陽(yáng)電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸出功率減小；當(dāng)日照強(qiáng)度增加時(shí)，太陽(yáng)電池的開路電壓變化不大，短路電流增加，最大輸出功率增加。在一定的溫度和日照強(qiáng)度下，太陽(yáng)電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽(yáng)電池工作在該點(diǎn)時(shí)，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。

2??? 太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤

??? 在光伏系統(tǒng)中，通常要求太陽(yáng)電池的輸出功率始終最大，即系統(tǒng)要能跟蹤太陽(yáng)電池輸出的最大功率點(diǎn)。太陽(yáng)電池的伏安特性如圖2所示，圖中L是負(fù)載特性曲線，交點(diǎn)a，b，c，d，e對(duì)應(yīng)于不同的工作點(diǎn)。可以看出，這些工作點(diǎn)并不正好落在電池提供的最大功率點(diǎn)(a′，b′，c′，d′，e′)處，這就不能充分利用在當(dāng)前條件下電池所能提供的最大功率。因此，必須在太陽(yáng)電池和負(fù)載之間加入阻抗變換器，使得變換后的工作點(diǎn)正好和太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)重合，使太陽(yáng)電池以最大功率輸出，這就是所謂的太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤。

2．1??? CVT方式的MPPT

??? 從圖2中可以看出，當(dāng)溫度一定時(shí)，太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)鄰近，這就有可能把最大功率點(diǎn)的軌跡線近似地看成電壓U=const的一根垂直線，亦即只要保持太陽(yáng)電池的輸出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓，就可以大致保證在該一溫度下太陽(yáng)電池輸出最大功率。把最大功率點(diǎn)跟蹤簡(jiǎn)化為恒電壓跟蹤(CVT)，這就是CVT控制的理論依據(jù)。實(shí)現(xiàn)CVT的原理如圖3所示。圖中U_sp^＊是給定工作點(diǎn)電壓,對(duì)應(yīng)于某一溫度下的最大功率點(diǎn)；U_sp是太陽(yáng)電池的實(shí)際輸出電壓。給定電壓和實(shí)際電壓比較后經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果與三角波比較得到PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)功率器件，從而調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池的負(fù)載阻抗。不同的PWM脈寬對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載阻抗。

圖2??? 太陽(yáng)電池的伏安特性曲線

圖3??? CVT原理圖

??? CVT方式具有控制簡(jiǎn)單，可靠性高，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，比一般光伏系統(tǒng)可望多獲得20％的電能，較之不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)太陽(yáng)電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽(yáng)電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1℃時(shí)，其開路電壓下降率為0.35％～0.45％。這表明太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨環(huán)境溫度的變化而變化。對(duì)于四季溫差或日溫差比較大的地區(qū),CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率。

2．2??? True MPPT(TMPPT)

??? 鑒于CVT方式的局限性，它只能是一定溫度條件下的最大功率跟蹤，在不同溫度條件下仍有功率損失。真正的MPPT是指系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽(yáng)電池的最大功率。目前，最常用的控制方法主要是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。

??? 擾動(dòng)觀察法由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是最常用的方法。它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池輸出電壓、電流的檢測(cè)，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的記憶功率相比較，從而確定給定參考電壓調(diào)整的方向。若Δp>0，說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來(lái)的方向調(diào)整；若Δp<0，說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，需要改變調(diào)整的方向。當(dāng)給定參考電壓增大時(shí)，若輸出功率也增大，則工作點(diǎn)位于圖4中最大功率點(diǎn)p_max左側(cè)，需繼續(xù)增大參考電壓；若輸出功率減小，則工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)p_max右側(cè)，需要減小參考電壓。當(dāng)給定參考電壓減小時(shí)，若輸出功率也減小，則工作點(diǎn)位于p_max的左側(cè)，需增大參考電壓；若輸出功率增大，則工作點(diǎn)位于p_max的右側(cè)，需繼續(xù)減小參考電壓。

圖4??? p－u特性曲線

??? 給定參考電壓變化的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)功率尋優(yōu)的過(guò)程。由于在尋優(yōu)過(guò)程中不斷地調(diào)整參考電壓，因此，太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)始終在最大功率點(diǎn)附近振蕩，無(wú)法穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)上。同時(shí)，當(dāng)日照強(qiáng)度快速變化時(shí)，參考電壓調(diào)整方向可能發(fā)生錯(cuò)誤。

??? 電導(dǎo)增量法的原理是：在最大功率點(diǎn)處，有dp/du=0，即滿足di/du=－i/u。理論上它比擾動(dòng)觀察法好，能適應(yīng)日照強(qiáng)度快速變化，但由于傳感器的精密度等因素，電導(dǎo)增量法往往難以實(shí)現(xiàn)。

??? 由于太陽(yáng)電池特性的i=f（u）關(guān)系是一個(gè)單值函數(shù)，因此，只要保證太陽(yáng)電池的輸出電壓在任何日照及溫度下都能實(shí)時(shí)地保持為與該條件相對(duì)應(yīng)的Um值，就一定可以保證電池在任何瞬間都輸出其最大功率。

3??? MPPT的結(jié)構(gòu)

??? CVT控制結(jié)構(gòu)如圖5所示,它將太陽(yáng)電池工作電壓作為反饋，達(dá)到穩(wěn)定電池工作點(diǎn)電壓的目的。圖中i=f₁(u)與負(fù)載特性有關(guān)。

圖5??? CVT控制框圖

??? TMPPT的實(shí)質(zhì)是在CVT的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)的改變太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)電壓，使得工作點(diǎn)電壓始終等于最大功率點(diǎn)處的電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。它的內(nèi)環(huán)就是CVT。TMPPT的控制框圖如圖6所示。

圖6??? TMPPT的控制框圖

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 采用TMPPT實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤，通過(guò)在太陽(yáng)能模擬器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可得如圖7所示的結(jié)果，圖中的＊就是太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)。它表明太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處，TMPPT有良好的跟蹤效果。

圖7??? TMPPT的實(shí)驗(yàn)結(jié)果