光伏系統中最大功率跟蹤的研究

摘要：光伏系統中最大功率跟蹤是太陽能發電研究的一個重要方向。提出了實現最大功率跟蹤的方法，比較了幾種方法的優缺點。實驗結果證明了所提最大功率跟蹤方法的正確性。

關鍵詞：最大電壓跟蹤；恒電壓跟蹤；光伏系統

0??? 引言

??? 太陽能作為綠色能源，具有無污染，無噪音，取之不盡，用之不竭等優點，越來越受到人們的關注。由于光伏系統目前的主要問題是電池的轉換效率低且價格昂貴，因此，如何進一步提高太陽電池的轉換效率，如何充分利用光伏陣列所轉換的能量，一直是光伏系統研究的重要方向。

1??? 太陽電池的特性

??? 太陽電池的p－u特性如圖1所示，圖1（a）為溫度變化時的p－ u特性曲線，圖1（b）是日照強度變化時的p－ u特性曲線。太陽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??????????? (b)日照強度變化時

圖1??? 太陽電池的p－u特性曲線

??? 太陽電池的輸出受日照強度，電池結溫等因素的影響。當結溫增加時，太陽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；當日照強度增加時，太陽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度下，太陽電池具有唯一的最大功率點，當太陽電池工作在該點時，能輸出當前溫度和日照條件下的最大功率。

2??? 太陽電池的最大功率跟蹤

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

2．1??? CVT方式的MPPT

??? 從圖2中可以看出，當溫度一定時，太陽電池的最大功率點幾乎落在同一根垂直線的兩側鄰近，這就有可能把最大功率點的軌跡線近似地看成電壓U=const的一根垂直線，亦即只要保持太陽電池的輸出端電壓為常數且等于某一日照強度下相應于最大功率點的電壓，就可以大致保證在該一溫度下太陽電池輸出最大功率。把最大功率點跟蹤簡化為恒電壓跟蹤(CVT)，這就是CVT控制的理論依據。實現CVT的原理如圖3所示。圖中U_sp^＊是給定工作點電壓,對應于某一溫度下的最大功率點；U_sp是太陽電池的實際輸出電壓。給定電壓和實際電壓比較后經過PI調節，調節結果與三角波比較得到PWM脈沖，驅動功率器件，從而調節太陽電池的負載阻抗。不同的PWM脈寬對應不同的負載阻抗。

圖2??? 太陽電池的伏安特性曲線

圖3??? CVT原理圖

??? CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩定性好，易于實現等優點，比一般光伏系統可望多獲得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太陽電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽電池為例，當環境溫度每升高1℃時，其開路電壓下降率為0.35％～0.45％。這表明太陽電池最大功率點對應的電壓也隨環境溫度的變化而變化。對于四季溫差或日溫差比較大的地區,CVT方式并不能在所有的溫度環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是指系統在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽電池的最大功率。目前，最常用的控制方法主要是擾動觀察法和電導增量法。

??? 擾動觀察法由于實現簡單，是最常用的方法。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當前的輸出功率，再將它與前一時刻的記憶功率相比較，從而確定給定參考電壓調整的方向。若Δp>0，說明參考電壓調整的方向正確，可以繼續按原來的方向調整；若Δp<0，說明參考電壓調整的方向錯誤，需要改變調整的方向。當給定參考電壓增大時，若輸出功率也增大，則工作點位于圖4中最大功率點p_max左側，需繼續增大參考電壓；若輸出功率減小，則工作點位于最大功率點p_max右側，需要減小參考電壓。當給定參考電壓減小時，若輸出功率也減小，則工作點位于p_max的左側，需增大參考電壓；若輸出功率增大，則工作點位于p_max的右側，需繼續減小參考電壓。

圖4??? p－u特性曲線

??? 給定參考電壓變化的過程實際上是一個功率尋優的過程。由于在尋優過程中不斷地調整參考電壓，因此，太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩定工作在最大功率點上。同時，當日照強度快速變化時，參考電壓調整方向可能發生錯誤。

??? 電導增量法的原理是：在最大功率點處，有dp/du=0，即滿足di/du=－i/u。理論上它比擾動觀察法好，能適應日照強度快速變化，但由于傳感器的精密度等因素，電導增量法往往難以實現。

??? 由于太陽電池特性的i=f（u）關系是一個單值函數，因此，只要保證太陽電池的輸出電壓在任何日照及溫度下都能實時地保持為與該條件相對應的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的結構

??? CVT控制結構如圖5所示,它將太陽電池工作電壓作為反饋，達到穩定電池工作點電壓的目的。圖中i=f₁(u)與負載特性有關。

圖5??? CVT控制框圖

??? TMPPT的實質是在CVT的基礎上，實時的改變太陽電池的工作點電壓，使得工作點電壓始終等于最大功率點處的電壓，從而實現最大功率點跟蹤。它的內環就是CVT。TMPPT的控制框圖如圖6所示。

圖6??? TMPPT的控制框圖

4??? 實驗結果

??? 采用TMPPT實現太陽電池的最大功率跟蹤，通過在太陽能模擬器上進行實驗可得如圖7所示的結果，圖中的＊就是太陽電池的工作點。它表明太陽電池工作在最大功率點處，TMPPT有良好的跟蹤效果。

圖7??? TMPPT的實驗結果