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Qiu Guanhua Wang Hongyue Wu Yang Shenyang Institute of Engineering, Shenyang, 110136Abstract In this paper, a study on photovoltaic solar cell technology maximum power point trackingMPPT is presented. First a deep analysis on generating principle of solar cell and a mathematical model is conducted, this paper compares analysis of the traditional method of constant voltage, perturb and observe algorithm and incremental conductance method. The summary of the advantages and disadvantages is an improved variable step size INC mothed is presented. When far from the maximum power point, using a larger step size, reducing the time tracking. When near the maximum power point, the step size is reduced, increasing the tracking accuracy. Matlab software is used for simulation of traditional method of constant voltage and the improved variable step size INC mothed. The simulation results that improved variable step size INC mothed proved fast convergence to good effect. Finally the experiment on MPPT of 4.4kW through photovoltaic power generation and network test system is carried on. The error of it is 3. It is in line with the micro-grid technology requirements. KeywordsPhotovoltaic power generation; Maximum power point tracking; Incremental conductance; Micro-grid 1.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I ph Id I shRshRs Iv图 1 光伏电池数学模型图 错误未找到引用源。Fig.1 Mathematical model of Photovoltaic cells 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。0 5 10 15 20 2500.511.522.533.54UVIA0 5 10 15 20 25 30010203040506070UVPW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.2 I-U curve and P-U curve of single PV battery board 0 5 10 15 20 2500.511.522.533.54UVIAG1000W/m2G800W/m2G600W/m2G400W/m2G200W/m20 5 10 15 20 25010203040506070UVPWG800W/m2G1000W/m2G600W/m2G400W/m2G200W/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.3 I-U curve and P-U curve of single PV battery board in different illumination condition 0 5 10 15 20 25012345UVIA60℃50℃30 ℃40℃0 5 10 15 20 25010203040506070U（ V）PW50℃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.4 I-U curve and P-U curve of single PV battery board in different temperature 2.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 （ PO） 、 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 PmV*I 两端对 V 求导可得d d* 0d dP II VV V即ddI IV V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 Vk 和电流值 Ik 。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L63mH ， C1000μF ，开关频率 f1.9kHz ，光照强度设为 G1200W/m2 ，环境温度 T22℃ 。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。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-50510152025timesUVsolid stepbigsolid stepsmallvariable step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.5 Output power and voltage waveforms of PV module under different MPPT methods 2）不同外界环境仿真。初始环境温度 T22℃ ，光照强度G1100W/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G600 W/m2 ， 光伏电池的输出最大功率有所下降4s 时重新上升至 G1100 W/m2 ， ，最大功率增加温度保持不变。② 外界温度变化。 2s 时 T20℃ ，光伏组件输出的最大功率增大； 4s 时重新上升至 T28℃ ，最大功率减小光照保持 G1100W/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。0 1 2 3 4 5 6010203040506070timesPWG600W/m2G800W/m2G1000W/m20 1 2 3 4 5 6010203040506070timesPW T25 ℃ T20 ℃T30 ℃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.6 Output power of PV module when illumination condition and temperature changes 3.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， 测得有效值为 518V， 通过计算得到 P4.25kW ，与理论最大功率点设定的4.4kW 有 0.15kW 的偏差，这部分微功率损失判断为实验系统器件损耗， 误差在 3， 符合试验设定。实验结果验证了本文多提出的变步长最大功率点跟踪方法寻优效果好，效率高，负荷微电网发展的需要。图 7 直流模拟电源输出波形Figure 7 Wiring diagram of the experimental 4.结论本文的研究内容是在辽宁省大学生创新创业大赛基金项目的支持下完成的。随着微电网概念的提出，光伏发电成为电力系统研究的热点。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，以太阳能池板发电原理及建立数学模型作为理论基础，针对太阳能池板输出特性及最大功率跟踪的方法，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。并利用 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。参考文献[1] 许傲然， 张柳， 光蓄互补发电系统控制策略的研究 [J]，蓄电池， 2012， No.2 66-70 [2] 徐鹏威， 刘飞， 刘邦银， 段善旭， 几种光伏系统 MPPT 方法的分析比较及改进 [J] ，电力电子技术， 2007，Vol.41， No.5 3-5 [3] 张玲，盛银波，新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径 -微网技术 [J]，华北电力大学学报，2009， Vol.36， No.1 65-6810-14 [4] 郭瑞， 光伏发电实验系统的设计 [J].沈阳工程学院学报，自然科学版， 2013， 4 45-49. [5] 王健强，独立光伏发电技术 [J] ，电力电子， 2009.354-59 作者简介邱冠华，本科在校生， 沈阳工程学院 新能源学院新能源科学与工程专业 新能本 111班联系电话 18842438139 邮箱 731724897qq.com