太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

第 31 卷 第 4 期2008 年 8 月 电 子 器 件Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol. 31 No. 4Aug. 2008Study Technology of Maximum Power Point Tracker on the Solar Cell 3YA N G Fan 3 , P EN G Hong 2w ei , H U Wei2bi ng , L I Guo2pi ng , J I A N G Yan( College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology , W uhan 430073 , Chi na)Abstract :Outp ut characteristic of the solar battery in photovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced. Bot h t he merit s and flaws of several tracing methodsin common usage are analysed. The emphasis of the study is Maximum Power Point Tracker based onquadratic interpolation. A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO) , which isbased on regular empirical approach and t he quadratic interpolation. The result of the test indicates thatthe M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.Key words :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point TrackerEEACC :8250太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3杨 帆 3 ,彭宏伟 ,胡为兵 ,李国平 ,姜 燕(武汉工程大学电气信息学院 ,武汉 430074 )收稿日期 :2007 208220基金项目 :湖北省教育厅基金资助 ( 20060271 )作者简介 :杨 帆 ( 19662) ,女 ,硕士 ,硕士生导师 ,教授 ,主要研究方向为智能仪器与测控技术 ,yangfan188 @mail. wit. edu. cn.摘 要 :介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理 。分析了多种常用的跟踪方法的优缺点 。 重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术 。并设计了一个系统 ,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率 ,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率 。关键词 :太阳能电池 ;二次插值 ;最大功率点跟踪中图分类号 :TP331 文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2008) 0421081204太阳能作为绿色能源 ,具有无污染 ,无噪音 ,取之不尽 ,用之不竭等优点 ,越来越受到人们的关注 。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵 ,因此 ,如何进一步提高太阳能电池的转换效率 ,如何充分利用光伏阵列转换的能量 ,一直是光伏发电系统研究的重要方向 。 太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制 M PPT ( Maximum PowerPoint Tracker ) 就是其中一个重要的研究课题 。最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术 ,它是指 ,为充分利用太阳能 ,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法 ,使阵列始终工作在最大功率点上 ,根据太阳能电池的特性 ,目前实现的跟踪方法主要有以下三种 :太阳追踪 、 最大功率点跟踪或两种方法综合使用 。出于经济方面的考虑 ,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法 [1 ] 。 M PPT 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约 15 %～ 36 %。1 太阳能电池的伏安特性分析太阳能电池的伏安 ( p2u) 特性如图 1 所示 ,图 1(a) 为温度变化时的 p2u 特性曲线 ,图 1 ( b) 是日照强度变化时的 p2u 特性曲线 。 从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性 。 太阳能电池的输出受日照强度 、 电池结温等因素的影响 。 当结温增加时 ,太阳能电池的开路电压下降 ,短路电流稍有增加 ,最大输出功率减小 ;当日照强度增加时 ,太阳能电池的开路电压变化不大 ,短路电流增加 ,最大输出功率增加 。在一定的温度和日照强度下 ,太阳能电池具有唯一的最大功率点 ,当太阳能电池工作在该点时 ,能输出当前温度和日照条件下的最大功率 。 本文就是探讨如何快速寻找太阳能电池的最大输出功能率点 。图 1 太阳能电池的 p2u 特性曲线2 最大功率点跟踪方法分析与比较在光伏系统中 ,通常要求太阳能电池的输出功率始终最大 ,即系统要能跟踪太阳能电池输出的最大功率点 。 在实际应用中 ,日光照度的变化再加上工作温度的变化 ,使得太阳能电池输出特性的变化很复杂 。 根据太阳能电池的特性 ,最大功率点的跟踪方法有很多种 ,比较常见的有 :功率匹配电路 : 选择太阳能电池或太阳能电池组合使其输出特性与特定的负载相匹配 。 由于该技术主要与日射和负载条件相关 ,所以只能大概地估计 M PPT 的位置 。曲线拟合技术 : 预先测得太阳能电池组件的输出特性 ,并用显示的数学表达式描述 。该方法不能预测一些复杂因素的影响 ,如老化 、 温度或者某些电池的击穿等 。 曲线拟合技术使用数字分析寻找最大功率点的电流与相电流之间的近似关系 ,其中相电流与日照水平成正比 。 这种方法只用于温度变化相对小的地区 。恒电压跟踪 CV T( Constant Voltage Tracker) :该方法具有控制简单 ,可靠性高 ,稳定性好 ,易于实现等优点 ,比一般光伏系统可望多获得 20 %的电能 ,较之不带 CV T 的直接耦合要有利得多。 但是 ,这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响。 以单晶硅太阳能电池为例 ,当环境温度每升高 1 ℃ 时 ,其开路电压下降率为 0. 35 %～ 0. 45 %。 这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。 对于四季温差或日温差比较大的地区 ,CV T方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。 鉴于 CV T 方式的局限性 ,它只能是一定温度条件下的最大功率点跟踪 ,在不同温度条件下仍有功率损失 ,达不到 MPPT 在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池最大功率点的要求 [2 ] 。登山法 :它的控制原则是电压的变化始终是让太阳能电池输出功率朝大的方向改变 ,其实质上是一个自然寻优过程 ,通过对太阳能电池阵列当前输出电压与电流的检测 ,得到当前太阳能电池阵列输出功率 ,再与已被存储的前一时刻的阵列功率相比较 ,舍小取大 ,再检测 ,再比较 ,如此不停地周而复始 ,使太阳能电池阵列动态地工作在最大功率点的附近 [3 ] 。 登山法虽然可以使阵列动态地实现最大功率点跟踪 ,但在光照及温度变化快时跟踪速度较慢 ,造成充电时间过长 ,另外由于在寻优过程中不断调整参考电压 ,因此太阳能电池的工作点始终在 MPPT 点附近振荡 ,无法稳定在最大功率点上 ,同时当光照强度快速变化时 ,电压调整方向可能发生错误 [4 ] 。滞环比较法 :在日照量快速变化 (如有云经过 )时 ,并不跟随快速移动工作点 ,而是等到日照量稳定时再跟踪到最大功率点 ,从而减少了扰动损失 。采用滞环比较法 ,能够稳定地跟踪太阳能电池的最大功率点 ,与登山法相比 ,当太阳能电池的照度发生变化时 ,输出端电压能以平稳的方式追随其变化 ,电压晃动较小 ,系统不会出现振荡 ,还能够减少程序在运行中的误判现象 ,从而提高系统的效率 。但是算法比较复杂 ,而且在跟踪的过程中需要花费相当多的时间去执行 A/ D 转换运算 ,对微处理器在控制上造成了较大的困难 。二次插值法 :太阳能电池在光照强度和温度发生变化时它的输出呈非线性 ,但是在某一瞬间它的输出功率相对于占空比是连续可导的 ,有且仅有一个极点 。 因此只要准确确定初始区间和初始点的位置 ,便可采用单片机控制技术 ,利用二次插值的方法来快速寻找系统当前的最大功率点 ,即实现最大功率点跟踪技术 。通过各种最大功率点跟踪方法比较 ,二次插值法具有明显的优势 。3 二次插值法实现最大功率点跟踪技术3. 1 二次插值法算法原理图 2 中 ,D 、 P 分别表示占空比和输出功率 ,设D1 , D2 , D3 为初值点 , P1 , P2 , P3 分别为 D 1 , D 2 , D 3对应的功率点 。 D X 为插值点 , PX 为 D X 所对应的功率点 。 在实际工作过程中 ,系统可能会出现 4 种插值情况 ,如图 2 (a) ﹑ (b) ﹑ (c) ﹑ (d) 所示 。(1) 如图 (a) 所示 ,当 D X ≥ D2 , PX ≤ P2时 ,表明M PP 点在 D1 和 D X 之间 。 此时系统确定新的插值区间为 [ D 1 , D X ] ,初始点为 : D1 = D 1 ; D2 = D2 ; D 3= D X ; P1 = P1 ; P2 = P2 ; P3 = PX(2) 如图 (b) 所示 ,当 D X ≤ D2 , PX ≤ P2时 ,表明M PP 点在 D X 和 D 3 之间 。 此时系统新的插值区间2801 电 子 器 件 第 31 卷为 [ D X , D3 ] ,初始点为 : D 1 = D X ; D2 = D2 ; D3 = D3 ;P1 = PX ; P2 = P2 ; P3 = P3(3) 如图 (c) 所示 ,当 D X ≤ D 2 , PX ≥ P2 时 ,表明M PP 点在 D1 和 D2 之间 ,此时系统新的插值区间为 [ D1 , D2 ] ,初始点为 : D1 = D1 ; D2 = DX ; D3 = D2 ;P1 = P1 ; P2 = P X ; P3 = P2(4) 如图 (d) 所示 ,当 D X ≥ D2 , PX ≥ P2 间 ,表明 M PP 点在 D2 和 D 3 之间 ,此时系统新的插值区间为 [ D2 , D3 ]初始点为 : D1 = D2 ; D2 = D X ; D3 = D3 ;P1 = P2 ; P2 = P X ; P3 = P3(5) 当 D2 和 D X 差的绝对值小于等于 ε ( 极小值 ) 时 ,表明系统已经找到了 MPP 点 ,如果 PX > P2则最大功率点功率为 PX , 此时占空比为 D X 。如果PX < P2 则最大功率点功率为 P2 ,此时占空比为 D2 。(6) 判断系统的工作点是否发生了漂移 ,如发生则再次使用二次插值法来寻找系统的 MPP 点 [5 ] 。图 2 二次插值寻优3. 2 系统功能的实现下图 3 是为实现二次插值法算法设计的系统图 ,系统硬件主要由 BUC K 型降压电路 (图 3 中虚线框所示 ) 和单片机系统组成 。单片机选用 Silicon公司生产的 C8051F020 单片机 ,它与 MCS251 的指令集完全兼容 ,采用流水线结构 ,自带 5 个可编程的捕捉 / 比较模块 ,每个模块都可以独立的实现 8 位或16 位脉宽调制功能 ,自带一个 12 位的 ADC0 和一个 8 位的 ADC1 ,使得外部扩展电路少 。图 3 硬件系统原理框图 ( 图中箭头方向代表信号流向 )太阳能电池组能量通过 BUC K 型降压电路送入单片机 C8051F020 ,通过二值化算法控制单片机的输出 ,单片机的 PWM 输出口输出的信号经过光电隔离 MOSFET 驱动芯片 TL P250 的驱动来控制开关管 IRF540 的导通和截止 ,达到控制系统输出保持在最大功率输出点 。软件采用 C 语言编写 ,软件流程图如图 4。从流程图可以看出 ,程序首先完成对晶振﹑ I/ O 口﹑定时器﹑ A/ D 转换以及 PWM 的初始化 。二次插值法算法编程原理见 3. 1 ,二次插值算法子程序用于寻找最大功率点 ,当不是最大功率点所对应的占空比的时候 ,此子程序将被调用来调节占空比 ,直至得到输出最大功率所对应的占空比 。图 4 系统软件流程图4 二次插值法结论的验证对图 3 硬件系统进行两种不同试验 ,表 1 是不加单片机系统 ,控制开关管的导通和关断时间即调节占空比时测得的电路输出电压 、 电流和输出功率的模拟实验测试结果 。表 1 不同占空比下系统的功率输出值占空比( D) / % PWM输出电压/ V输出电流/ A输出功率P/ W15 0XE9 2. 021567 0. 154688 0. 31271230 0XCE 2. 012215 0. 291065 0. 58568545 0XB8 1. 900687 0. 386591 0. 73478860 0XA5 1. 691055 0. 498778 0. 84346175 0X89 1. 646899 0. 545023 0. 89759776 0X6A 1. 211665 0. 795862 0. 96431877 0X56 1. 145588 0. 886509 1. 01557478 0X4A 1. 156982 0. 891568 1. 03152879 0X45 1. 096549 0. 954099 1. 04621680 0X48 1. 078652 0. 948971 1. 02360985 0X39 0. 998702 0. 996988 0. 99569395 0X25 0. 868989 1. 101186 0. 9569183801第 4 期 杨 帆 ,彭宏伟等 :太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨很明显 ,随着占空比发生变化系统的输出功率也发生变化 ,系统的功率极值点出现在占空比为79 %的工作点附近 . 这说明采用脉宽调制的方法来寻找太阳能电池的最大功率是可行的 ,但实验过程非常复杂 。 加了单片机系统 ,利用二次插值法寻找系统的最大功率点 ,通过四次实验所获得的数据如表 2 。表 2 二次插值法寻找系统的最大功率点实验数据数据项目 1 2 3 4电压 / V 1. 097432 1. 079975 1. 068887 1. 086673电流 / A 0. 940224 0. 938706 0. 959985 0. 929657Pmax / W 1. 031831 1. 013779 1. 026115 1. 010233D 0x44 0x45 0x45 0x44从表 2 的实验数据中可以看到采用二次插值法时 ,系统最大功率点处的占空比在 0x44 - 0x45 附近 ,即表示系统此时所对应的 PWM 波在 78 %～80 %之间活动 ,与表 1 最大功率点所对应的占空比基本上是吻合的 。通过这种对比 ,可以证明使用单片机构成的系统通过二次插值法寻找太阳能电池的最大功率点是切实可行的 。5 结论通过对各种最大功率点跟踪方法的分析和比较 ,采用二次插值法寻找太阳能电池的最大功率点有明显的优势 。为了验证该算法的优势 ,文中设计了一个硬件系统 ,采用两种不同方法 ,寻找太阳能电池的最大输出功率 。 实验结果表明采用二次插值算法更加准确 ,效率也更高 。并能保证系统稳定在最大功率点附近输出 。 但影响太阳能光伏发电的因素很多 ,太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PPT (Maximum Power Point Tracker ) 技术有待我们进一步研究 。参考文献 :[ 1] 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 [ M ]. 北京 :北京工业大学出版社 ,2001.[ 2] 张占松 ,蔡宣三 . 开关电源的原理与设计 ( 修订版 ) [ M ] . 北京 :电子工业出版社 ,2004.[ 3] Dong Yun Lee , Hyeong2J u Noh , Dong2Seok Hyun ,et al .An Improved MPP T Converter Using Current Compen2sationMet hod for Small Scaled PV Applications[ C]/ / IEEE. 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