光伏系统最大功率点跟踪方法

由太阳电池的输出特性所决定 ， 随着光照强度、 温度等自然条件的改变 ， 最大输出功率点也相应改变。为了提高光伏发电效率、 降低成本 ， 光伏发电系统必须考虑最大功率点的跟踪问题。１ 太阳能电池的伏安特性太阳能光伏阵列光照特性解析式如下 ［ １ ］ ：Ｉ＝Ｉ ｇ － Ｉ ｄ ｅｘｐ ｑＡＫＴ （ Ｖ ０ ＋Ｉ ０ Ｒ ｓ! “） －# $１ － Ｖ ０ ＋Ｉ ０ Ｒ ｓＲｓｈ（ １ ）式中 ： Ｉ ０ ， Ｖ 分别为太阳能电池的输出电流和输出电压 ； Ｉ ｄ 为二极管饱和电流 ； Ｉ ｇ 为光生电流 ； ｑ 为电子的电荷量 （ １ × １０ － １９ Ｃ ） ； Ａ 为二极管特性因子 ；Ｋ 为波尔兹曼常量 （１．３８ × １０ － ２３ Ｊ ／ｋＷｈ） ； Ｔ 为太阳能电池温度 ； Ｒ ｓ ，Ｒ ｓｈ 分别为太阳能电池的串联、并联电阻。对于太阳能电池来说 ， 式 （ １ ） 中 的 （ Ｖ ０ ＋Ｉ ０ Ｒ ｓ ） ／Ｒ ｓｈ 数值很小 ， 可以忽略不计。 Ｉ — Ｕ 特性可近似表达为Ｉ＝Ｉ ｓ － Ｉ ｄ ｅｘｐ ｑＡＫＴ （ Ｖ ０ ＋Ｉ ０ Ｒ ｓ! “） －# $１ （ ２ ）开路状态时 ， Ｉ＝０ ， Ｕ＝Ｕ ｏｃ ； 短路状态时 ， Ｉ＝Ｉ ｓｃ ，Ｕ＝０ ； 在最大功率点 ， Ｉ＝Ｉ ｍ ， Ｕ＝Ｕ ｍ ，ｄＰ／ｄＵ＝０ 。根据系统在最大功率点处和开路状态下的条件 ， 最后可以求得太阳能电池阵列的体系模型。 Ｉ－Ｕ 特性、 Ｐ－ Ｕ 特性都是温度和光强的函数 ， 它们都随这 ２ 个因素的改变而变化 ， 其中 ， 温度主要影响输出电压 ， 光强主要影响输出电压。２ 最大功率点的跟踪方法为追踪光伏系统的最大功率点 ， 我们在参考国内外经验和方法的基础上 ， 依据太阳能电池的Ｉ－ Ｕ 和 Ｐ－ Ｕ 输出特性 ， 得出下列最大功率点的追踪方法。２．１ 恒定电压跟踪法收稿日期 ： ２００６－ １１－ ０１ 。作者简介 ： 李 玲 （ １９８０－ ） ， 女 ， 硕士研究生 ， 从事光伏技术的应用和研究。 Ｅ－ ｍａｉｌ ： ｌｉｌｉｎｇ１３８８８６３４６６０＠ １２６．ｃｏｍ光伏系统最大功率点跟踪方法李 玲 ， 谢 建 ， 杨祚宝（ 云南师范大学 太阳能研究所 ， 云南省农村能源工程重点实验室 ， 昆明 云南 ６５００９２ ）摘 要 ： 最大功率点跟踪是光伏发电系统中重要的问题。 在对太阳电池特性曲线分析的基础之上 ， 阐述了几种常用的光伏系统最大功率点的追踪方法。文章总结并分析了各种方案的优缺点。关键词 ： 光伏系统 ； 最大功率追踪中图分类号 ： ＴＭ６１５ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １６７１－ ５２９２ （ ２００７ ） ０２－ ００８５－ ０３Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｉｎｇ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍＬＩ Ｌｉｎｇ， ＸＩＥ Ｊｉａｎ ， ＹＡＮＧ Ｚｕｏ－ ｂａｏ（ ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ，Ｙｕｎｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ，Ｙｕｎｎａｎ ＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００９２ ， Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙ， ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｘｉ－ｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｅｎｕｍｅｒａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔ ａｎｄ ｄｅｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ； ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｉｎｇ图 １ 太阳能电池的 Ｕ－ Ｉ 特性曲线图Ｆｉｇ．１ Ｖ－ Ｉ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ输出电流Ｉ／Ａ１０００Ｗ／ｍ ２８００Ｗ／ｍ６００Ｗ／ｍ４００Ｗ／ｍ２００Ｗ／ｍＬＡＢＣＤＥＰ ｍ ａｘＡ ′Ｂ ′Ｃ ′Ｄ ′Ｅ ′输出电压 Ｕ／ ＶＵ ｍ可再生能源Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ第 ２５ 卷 第 ２ 期２００７ 年 ４ 月Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．２Ａｐｒ． ２００７图 １ 为太阳能电池的 Ｕ－ Ｉ 曲线图 ， 其中曲线Ｌ 为 负 载 特 性 曲 线 ， 它 与 伏 安 特 性 曲 线 的 交 点（ Ａ ， Ｂ ， Ｃ ， Ｄ ， Ｅ ） 即为光伏阵列的工作点 ［ ２ ］ 。如果最大限度地提高光伏阵列的发电效率 ， 从电路的匹配角度看 ， 就需要一个阻抗变换器。 为了实现这一阻抗变化 ， 即设法将光伏阵列的工作点移至光伏阵列伏安特性曲线的最大功率点 Ａ ′ ， Ｂ ′ ， Ｃ ′ ， Ｄ ′ ，Ｅ ′ 。 对于大多数太阳电池组件来说 ， 温度保持固定值时 ， 最大功率点基本在一根垂线的两侧 ， 即在开路电压的 （ ７８ ± ２ ） ％ 处。这样就可以把最大功率跟踪器简化为一个稳压器 ， 来实现最大功率点的跟踪。 但此法忽略了温度对开路电压的影响。 以常规单晶硅太阳能电池而言 ， 每当环境温度升高 １ ℃时 ， 其开路电压下降率约为 ０．３５％ ～ ０．４５％ 。 这个因温度的变化而带来的能耗不容忽视 ， 然而 ， 这个问题却是恒定电压追踪法无法克服的。２．２ 扰动观察法在逆变器开始工作前 ， 测定其开路电压 ， 取开路电压的 （ ７８ ± ２ ） ％ 处作为逆变器开始工作的跟踪电压 Ｕ ｒｅｆ ， 这样逆变器开始工作就在最大功率点附近。 当逆变器工作点稳定之后 ， 给系统一个电压扰动 △ Ｕ ， 若此时逆变器输出功率的变化为 △ Ｐ ， 根据 Ｐ－ Ｕ 特性曲线图 （ 图 ２ ） 可知 ， 当 △ Ｐ ／ △ Ｕ ＝０ ，系 统 运 行 在 最 大 功 率 点 ； 当 △ Ｐ ／ △ Ｕ ＞０ ， 系 统运行在最大功率左边 ； 当 △ Ｐ／ △ Ｕ＜０ ， 系统运行在最大功率点右边。 为了追踪到最大功率点 ， 可以通过不断调节开关管的占空比 Ｄ 来增大或减小光伏阵列的输出电压 ， 从而达到 △ Ｐ／ △ Ｕ＝０ ， 来追踪到最大功率点。２．３ 导纳微增法导纳微增法是基于 Ｐ — Ｕ 特性曲线性质的自寻优的过程。通过对太阳阵列当前输出电压与电流的检测 ， 得到当前太阳阵列输出功率 ， 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……如此不断地周而复始 ， 便使光伏电池动态地工作在最大功率点上。从图 ２ 可以看出 ， 在任何太阳辐照强度及温度下 ， 只要保持光伏电池的输出电压 Ｕ ′ ， 都能实时地保持相应的最大功率点所对应的电压值 ， 当检测到负载特性与光伏阵列的伏安特性曲线的交点在最大功率点所对应的电压 Ｕ ｍ 之左时 ， 导纳微增法的作用是使交点处的电压升高 ； 当交点在最大功率点相应电压 Ｕ ｍ 之右时 ， 导纳微增法的作用是使交点处的电压下降。这样就可以保证在任何时刻都输出其最大功率。导纳微增法控制流程如图 ３ 所示 ［ ３ ］ 。２．４ 间歇扫描跟踪法间歇扫描跟踪法是定时地扫描一段的光伏系统的输出电压 （ 一般为 ０．５ ～ ０．９ 倍的开路电压 ） ，同时记录不同电压下对应的输出功率 ， 经过比较不同点的光伏系统的输出功率 ， 就可以方便地得出最大功率点 ［４ ， ［５］ 。在一天的运行过程中 ， 光伏阵列在短时间内的工作点变化不大 ， 根据太阳能电池的伏安特性曲线 ， 并结合光伏发电系统的实际运行情况 ， 在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内扫描一次 ；每隔较长一段时间后 ， 才在整个跟踪范围内对各工作点扫描一次 ， 间歇扫描法的算法流程图如图４ 所示。其中 Ｎ 表示为长、 短时间的倍数比 ， 其值可根据当地的光照变化情况而定 ， Ｔ ｋ ， Ｔ ｍ ａｘ ， Ｔ ｍ ｉｎ 分别为扫描控制周期的当前值、 最大值和最小值。 这图 ３ 导纳微增法的控制流程图Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ＭＰＰＴ开始检测光伏电池输出电压电流计算输出功率 ＰＰ （ ｋ ） ≥ Ｐ （ ｋ－ １ ）ｎ （ ｋ－ １ ） ≥ ０ ｎ （ ｋ－ １ ） ≤ ０ｎ （ ｋ ） ＝ △ Ｖ ｎ （ ｋ ） ＝－ △ Ｖ ｎ （ ｋ ） ＝－ △ Ｖ ｎ （ ｋ ） ＝ △ ＶＶ ｒｅｆ ＝Ｖ ｒｅｆ （ ｋ－ １ ） ＋ △ Ｖ返回ＹＹ ＹＮ ＮＮ图 ２ 太阳能电池的 Ｐ－ Ｕ 特性曲线图Ｆｉｇ．２ Ｐ－ Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ输出功率Ｐ／ＷＰ ０Ｐ １Ｐ ｍＰ １Ｐ ０Ｖ ０ Ｖ １ Ｖ ｍ Ｖ １ Ｖ ０输出电压 Ｕ／ Ｖ可再生能源 ２００７ ， ２５ （ ２ ）８６样控制的目的是当光照变化不大时 ， 就延长扫描间隔时间 ， 从而进一步减少工作点被扰动的次数 ，提高系统运行的稳定性 ， 从而智能地改善系统控制性能。通过试验验证 ， 改进后的间歇扫描法 ， 既保持了跟踪的控制精度 ， 又提高了系统运行的稳定性。３ 结论恒定电压跟踪法操作简单 ， 但受环境温度的影响比较大 ， 曾用于早期的光伏系统。 这种方法基本能够跟踪最大功率点 ， 但随着微电子技术的不断发展和微电子器件的大幅度降价 ， 这种方法已显得很不经济 ［ ６ ］ 。目前 ， 太阳能电池最大功率跟踪技术多采用脉宽调制法 ， 硬件的实现均是利用晶体管开关工作在开关状态 ， 将太阳电池阵列的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳阵列的等效负载。 作为功率调节的变换器 ， ＤＣ／ＤＣ的开关调节通常采用脉宽调制 ， 它与太阳能电池板串连 ， 通过改变 ＰＷＭ 波的占空比来控制充电电压 ， 实现最大功率点的追踪。扰动观察法、 导纳微增法、 间歇扫描跟踪法的原理都是基于 Ｐ－ Ｕ 曲线的特性。 所不同的只是软件上的实现方法。扰动观察法的算法结构简单 ， 检测参数少 ， 应用比较普遍。但在环境温度变化不大和轻载的条件下 ， 由于传感器的精度等原因 ， 即使改变电池的输出电压 Ｕ ｒｅｆ ， 也很难检测到逆变器的输出功率的变化 ， 这使得追踪逆变器的最大功率点变得十分困难 ， 甚至整个光伏系统变得不稳定。 所以当功率小到一定程度而检测变得困难时 ， 我们仍然考虑使用恒定电压跟踪法 ，设定的 Ｕ ｒｅｆ 约为开路电压的 （ ７８ ± ２ ） ％ ， 这样基本能使系统工作在最大功率点附近。现行的间歇扫描法 ， 虽然在原扫描法的基础上进行了改进 ， 确实有效地提高了跟踪的控制精度 ， 但在记录和比较不同电压下对应的阵列输出功率值时 ， 仍需要针对不同型号的太阳能电池建立电压与输出电流、 功率关系的数学模型 ， 导出最大功率的表达式。 在实现的过程中需要对光照、 温度进行采样 ， 需要精度很高的传感器 ， 增加了控制器的成本。虽然导纳微增法可以动态地实现最大功率点的追踪 ， 但是在温度及光照变化快时 ， 跟踪的速度较慢 ， 造成充电时间过长。另外 ， 在自寻优过程中需不断地调整参考电压 ， 太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡 ， 造成一定的功率损失。 当光照强度快速变化时 ， 由于硬件的精确度是有限的 ， 满足 Ｄ ｉ ／Ｄ ｖ ＝Ｉ／Ｕ 的概率也是有限的 ， 不可避免地产生误差 ， 因而 ， 主要用于如太阳能热水器和静止的太阳电池发电系统。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 ， 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