太阳能最大功率跟踪技术研究

侯聪玲

(广东工贸职业技术学院,广东广州510510)

摘　要:针对太阳能的功率特性,提出了最大功率跟踪的方法,同时分析了几种方法的特点,证明了最大功率跟踪技术的可行性。

关键词:太阳能;最大功率跟踪;微扰观察法;

增量电导法

中图分类号:TN702　　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　　文章编号:167223198(2008)0320285202

1　引言

节约能源,保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发。其中,太阳能发电已成为近些年研究的热点。但其发电效率较低成为制约发展的重要因素。目前,最大功率跟踪(MPP T)技术是提高发电效率的有效途径之一。

2　太阳能电池特点

太阳能电池发电受气候条件影响,输出功率随电池温度,太阳光强变化而变化,具有非线性特点(图1和图2)。

　图1　光强下P2V曲线　　图2　一定温度下P2V曲线图1中,曲线1的温度最低,曲线3的温度最高。图2中,曲线1的光强最弱,曲线3的光强最强。可以看到,由于外界环境的变化是随机的,P-V曲线是多条漂移未知的曲线,不能通过一个固定的传递函数确定最大功率点,为了保证在一定的气候条件下,电池运行在极值功率点附近,最大功率跟踪技术必不可少。

3　最大功率跟踪的理论基础

分析图3所示的线性电路:

图3　简单的线性电路图

图中,V i为电压源电压,R i为电压源的电阻,R0是负载电阻。

负载消耗的功率为:

P R

0=

I2R0=

V i

R i+R0

2

×R0(1)方程(1)中,V i,R i均是常数,对R0求导,可得

d P R

d R0

=V2i×

R i-R0

(R i+R0)3

(2)

令

d P R

d R0

=0,即R i=R0时,P R0取得最大值。

由此,可以看出,对于一个线性电路,当负载电阻和电源内阻相等时,电源输出功率最大。虽然太阳能电池和DC -DC转换电路都是非线性的,但是在其工作点附近很小的范围内,可以将它们看作是线性电路。但实际中,测量电阻比较复杂。考虑到电阻和电压存在一定的关系,可以把(2)式转换成

d P R

dV

=0,找到太阳能电池的最大功率。

4　最大功率跟踪算法的研究

近些年来,多种最大功率跟踪技术得到了深入研究。微扰观察法(简称P&O)和增量电导法(简称IncCond法)是目前比较流行的方法。

4.1　微扰观察法(P&O法)

微扰观察法实质是引入一个小的变化,然后进行观察,并与前一个状态进行比较,进而调节。

具体方法是:先测量太阳能电池第i时刻的电压V i和电流Ii,由P i=V i×I i计算出功率Pi。然后与第i-1时刻功率比较。根据比较的结果调节太阳能电池的工作点。这里引入一个参考电压V REF,当进行比较后,调解参考电压,使之逐渐接近最大功率点的电压。在调节太阳能电池工作点时,依据这个参考电压进行调节。

图中,V i,I i,P i为第i时刻的电压,电流和功率。V i-1, P i-1为第i-1时刻的电压和功率。

从流程图中可以看出,采样第i时刻的电压V i和电流I i,计算出功率P i,与第i-1时刻的功率P i-1比较后。判断电压的变化,在参考电压V REF加(减)一个调整因子ΔV,然后进入下一次测量,比较。这种方法简单易懂,容易实现,是目前比较常用的方法。但是这种方法依赖于V REF初始值的设定,不适于气候快速变化的情况。当V REF初始值与最大功率点的电压相差较大,且调整因子ΔV设置不是很合理

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2

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时,将会花较大的时间才能使工作点到达最大功率点,而且有可能会导致工作点远离最大功率点。图4　微扰观察法流程图

4.2　增量电导法(I ncCond 法)

微扰观察法通过调整工作点电压,使之逐渐接近最大

功率点电压来实现太阳能电池最大功率跟踪,避免了微扰观察法的盲目性。

其原理如下:

假设太阳能电池输出功率为P

P =V ×I

(3)方程(3)中,对V 求导:

d P dV =d (IV )dV =I +V d I

dV

(4)

假设最大功率点电压为V max 由图(1)和图(2)可知,当d P dV >0时,V dV

<0时,V >V max ;当

d P

dV

=0时,V =V max 。将上述三种情况带入方程(4),可得:

当V -I

V

(5)当V >V max 时,d I dV <-I

V (6)当V =V max 时,

d I dV =-I

V

(7)

可以根据d I dV 与-I

V

之间的关系来调整工作点电压,从

而实现最大功率跟踪。图5为增量电导法流程图。图中,V i ,I i 为第i 时刻的电压、电流。由于dV 是分母,首先判断dV 是否为0。如果dV =0,d I =0,则认为找到最大功率点,不需要调整。如果dV =0,电流变化量不为0,依据d I 的正负调整参考电压。

若dV 不为0,则根据方程(5)、

(6)、(7)对参考电压进行调整。

从以上分析看出:采用增量电导法,对工作点电压的调

整不再是盲目的,即通过每次测量和比较,预测出最大功率

点的大致位置,再根据结果进行调整。这样,即使在气候变

化较快的时候,

也不会出现远离最大功率点的情况。通过

对比可知:在对太阳能电池进行最大功率跟踪时,增量电导法效果较好。但是由于其计算量比较大,需要记录的数据较多,必须采用高速处理器。

图5　增量电导法流程图

4.3　这两种方法中调整因子ΔV 的确定

在微扰观察法和增量电导法中,均涉及调整因子ΔV 的

问题。

ΔV 的取值与能否很好的实现最大功率跟踪关系紧密。

ΔV 设置太大,导致跟踪精度不够,太阳能电池的工作点将始终在最大功率点附近;ΔV 设置太小,虽然提高了跟踪精度,但是跟踪速度很慢,系统会浪费很多能量。

目前,ΔV 的确定有很多方法,概括起来主要分为两类:(1)固定ΔV ,(2)变化的ΔV 。

比较简单的方法是依据经验采用固定ΔV 。采用此法,设计简单,计算容易,但由于太阳能电池的输出功率存在非线性,跟踪精度和跟踪速度之间的矛盾很难较好的解决。

变化的ΔV 则依据每次测量和计算的结果不断调整ΔV 。当远离最大功率点时,增大ΔV ,加快跟踪速度;当接近最大功率点时,减小ΔV ,提高跟踪精度。

调整ΔV 的算法有P ID 算法,自适应搜索算法,模糊算法,神经网络等。参考文献

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