太阳能电池板最大功率跟踪技术的研究

太阳能池板最大功率跟踪技术的研究邱冠华王洪跃吴阳(沈阳工程学院,沈阳110136)摘要:本文针对光伏发电技术中太阳能池板最大功率工作点展开研究，首先阐述了太阳能池板发电原理及建立数学模型进行了深入分析。针对太阳能池板输出特性及最大功率跟踪的方法，本文对比分析了传统的恒定电压法，扰动观察法和电导增量法，总结优缺点后提出了改进型变步长电导增量法。在距离最大功率点较远的时候，采用较大的步长，缩减追踪时间，在最大功率点附近时，步长减小，增大追踪精度。利用matlab仿真软件对传统和本文所提出的变步长电导增量法进行了仿真，仿真结果对比证明变步长增量法收敛速度快，效果良好。最后通过光伏发电并网试验系统进行了4.4kW太阳能池板最大功率跟踪技术实验，跟踪实验误差在3%，符合微电网技术要求。关键词：光伏发电；最大功率点跟踪；电导增量法；微电网QiuGuanhuaWangHongyueWuYang(ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang,110136)Abstract:Inthispaper,astudyonphotovoltaicsolarcelltechnologymaximumpowerpointtracking(MPPT)ispresented.Firstadeepanalysisongeneratingprincipleofsolarcellandamathematicalmodelisconducted,thispapercomparesanalysisofthetraditionalmethodofconstantvoltage,perturbandobservealgorithmandincrementalconductancemethod.ThesummaryoftheadvantagesanddisadvantagesisanimprovedvariablestepsizeINCmothedispresented.Whenfarfromthemaximumpowerpoint,usingalargerstepsize,reducingthetimetracking.Whennearthemaximumpowerpoint,thestepsizeisreduced,increasingthetrackingaccuracy.MatlabsoftwareisusedforsimulationoftraditionalmethodofconstantvoltageandtheimprovedvariablestepsizeINCmothed.ThesimulationresultsthatimprovedvariablestepsizeINCmothedprovedfastconvergencetogoodeffect.FinallytheexperimentonMPPTof4.4kWthroughphotovoltaicpowergenerationandnetworktestsystemiscarriedon.Theerrorofitis3%.Itisinlinewiththemicro-gridtechnologyrequirements.Keywords:Photovoltaicpowergeneration;Maximumpowerpointtracking;Incrementalconductance;Micro-grid1.光伏电池输出特性及建模太阳能池板的特性即利用半导体PN结的光电效应，利用光照产生电压差，从而将射线的热能转化为电能，这也是太阳能池板的工作原理。当外加光源提供稳定照射量时，池板产生电流Iph稳定，等效为稳定电流源。虚拟接入电阻R做为负载，由于电流的存在将产生电压降，也因此将在PN结上产生电流Id。为了模拟太阳能池板特性，模型添加电阻Rs和Rsh，来描述材料特性电阻，等效电路图如图1所示：IphIdIshRshRsIv图1光伏电池数学模型图错误!未找到引用源。Fig.1MathematicalmodelofPhotovoltaiccells由于太阳能电池板的发电环境受温度和光照影响较大，同时具有不确定性，因此电池板的特性曲线体现出非线性的特点，本文利用matlab仿真软件，通过编程和相应模块组合得到了不同温度，光照等情况下的U-I特性曲线和P-U特性曲线如图2、3、4所示，针对不同的曲线本文得到一下结论：（1）太阳能池板输出电流与光照成正比；（2）太阳能池板输出电压与温度成反比；（3）初始发电及低电压情况可等效电流源；（4）最大电压状态可以等效电压源；（5）太阳能池板存在最大功率发电点。任何发电装置都是追求发电的最大功率，即发电最高效率。针对太阳能电池板的发电特性，本文在综合对比传统的最大功率点跟踪策略，提出了改进型变步长寻优方法，并通过仿真和试验证明了方法的实用性和有效性。051015202500.511.522.533.54U(V)I(A)051015202530010203040506070U(V)P(W)图2光伏池板单板I-U曲线和P-U曲线错误!未找到引用源。Fig.2I-UcurveandP-UcurveofsinglePVbatteryboard051015202500.511.522.533.54U(V)I(A)G=1000W/m2G=800W/m2G=600W/m2G=400W/m2G=200W/m20510152025010203040506070U(V)P(W)G=800W/m2G=1000W/m2G=600W/m2G=400W/m2G=200W/m2图3不同光照情况下光伏池板的I-U和P-U曲线错误!未找到引用源。Fig.3I-UcurveandP-UcurveofsinglePVbatteryboardindifferentilluminationcondition0510152025012345U(V)I(A)60℃50℃30℃40℃0510152025010203040506070U（V）P(W)50℃40℃30℃60℃图4不同温度条件下光伏池板的I-U曲线和P-U曲线错误!未找到引用源。Fig.4I-UcurveandP-UcurveofsinglePVbatteryboardindifferenttemperature2.光伏MPPT控制太阳能池板的输出功率，即输出电压和电流随着光照强度和环境温度非线性关系变化。为了使太阳能电池板得到最大发电功率，我们需要合适的外加负载，即合适的二次侧电流，由于太能能池板使用变流器实现发电并网，因此通过控制变流器的开关器件，从而得到合适的电流或者电压即模拟了负载特性，同时使太阳能池板在最大功率点发电，这种方法即为最大功率点跟踪（MPPT）。传统的最大功率点跟踪方法有恒定电压法（CVT）、扰动观察法（P&O）、电导增量法（INC）。（1）恒定电压法。在外界温度变化较小的条件下，利用太阳能池板最大功率点的工作电压与开路最大电压出厂或者多次实验方法得到固定比例，实际应用即设定这个电压不变即为恒定电压法。此种方法简单，工作稳定，但精度较差，发电效率受影响较大。（2）扰动观察法。通过恒定电压法使太阳能池板进入最大工作点附近工作，然后通过控制变流器和直流升压装置改变负载电压，即扰动。每次扰动电压增量，观测池板输出功率，通过不断的正负方向扰动最终实现最大功率点发电。本方法通过控制器编程实现简单，在外界环境稳定的条件下效果较好。但初始参数和扰动增量需精确控制，池板最大功率点判断过程容易产生反复寻优震荡，功率损耗较大，或者出现错误的工作点寻优结果。（3）电导增量法。电导增量法是根据dP/dV方向来进行MPPT控制，但当太阳能池板工作在最大功率点时，与扰动法控制有所区别。在Pm处P-V曲线斜率为零。即对Pm=V*I两端对V求导可得：dd*0ddPIIVVV即：ddIIVV当求导为零寻优结束，即当输出电导的变化值与输出电导变化量的负值相等时，太阳能池板工作在最大功率点。具体寻优编程思路为：设定两个观测变量为电压值V(k)和电流值I(k)。每次参数采集进行对比，若两个变量差值均为0，则表示不需要进行扰动寻优。若电压差值为0，而电流差值不为0，则表示光照温度发生变化。其中，若电流差值大于0，则增大工作电压方向寻优；电流差值小于0，则减压寻优。若电压差值不为零，同理。该方法可以在光照条件复杂的情况下为太阳能池板快速寻优发电，并且不会在最大功率工作点出现震荡损耗。但该方法通过编程实现工作量较大，对系统硬件要求较高，同时扰动增量不变，寻优速度较慢。（4）变步长的电导增量法通过针对传统最大功率点跟踪的方法研究和仿真，本文提出了变步长电导增量法。其原理为每次寻优的扰动电压大小随输出电压与太阳能池板出厂设置给定的最大功率点的电压之差变化。这样当太阳能池板工作点偏差较大时系统会采用较大步长进行快速寻优，使工作点接近最大工作点，接近最大功率点时，步长随差值不断减小，即提高了寻优精度同时也提高了效率。（5）MPPT控制的对比仿真本文对最大功率点跟踪方法利用matlab搭建的仿真模型以光伏池板的输出电压和负荷的输出电流为输入量，采用电导增量法进行判断。仿真条件为设定75W太阳能池板，直流升压电路参数L=63mH，C=1000μF，开关频率f=1.9kHz，光照强度设为G=1200W/m2，环境温度T=22℃。1）不同电导增量法对比仿真。仿真针对固定步长（包含大步长和小步长）和变步长两种最大工作点跟踪方法进行对比，如图5所示传统电导增量法大步长寻优速度快，但在波动较大，小步长情况下速度慢，波动小。本文所提出的变步长寻优速度快，波动小，仿真结果验证了所提出理论正确性。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-50510152025time(s)U(V)solidstep(big)solidstep(small)variablestep固定步长电导增量法（大步长）变步长电导增量法固定步长电导增量法（小步长）图5不同MPPT方法下光伏组件输出功率和电压波形错误!未找到引用源。Fig.5OutputpowerandvoltagewaveformsofPVmoduleunderdifferentMPPTmethods2）不同外界环境仿真。初始环境温度T=22℃，光照强度G=1100W/m2，仿真效果如图6所示。①光照强度变化。2s时光照强度下降至G=600W/m2，光伏电池的输出最大功率有所下降4s时重新上升至G=1100W/m2，，最大功率增加温度保持不变。②外界温度变化。2s时T=20℃，光伏组件输出的最大功率增大；4s时重新上升至T=28℃，最大功率减小光照保持G=1100W/m2不变。通过仿真结果本文所提出的方法，在外界条件变化时，依然可以迅速寻优得到最大功率工作点，提高发电效率。0123456010203040506070time(s)P(W)G=600W/m2G=800W/m2G=1000W/m20123456010203040506070time(s)P(W)T=25℃T=20℃T=30℃图6光照变化和温度变化时光伏组件输出的功率错误!未找到引用源。Fig.6OutputpowerofPVmodulewhenilluminationconditionandtemperaturechanges3.试验平台测试通过仿真验证后，本文利用太能发电并网试验系统针对所提出理论进行了试验验证。实验方法为通过直流可编程电源模拟太能能池板的输出特性，试验条件为I-V特性曲线的理论最大功率跟踪点为：Pmax=4.4kW,Umppt=520V,Imppt=8.5A。试验系统启动后，通过控制变流器，实现本文所提出的控制策略，利用示波器记录模拟电源寻优结束后的直流电压、电流波形，CH2为电流波形,纵坐标500mV/格，直流探头档位为100mV/A,换算为有效值为8.19A,CH1为模拟电源输出的直流电压波形，测得有效