光伏電池ZUI大功率跟蹤算法的研究

　　引言

　　傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球還有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個時候，全world都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點(diǎn)，越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。因此，研究并網(wǎng)逆變器的設(shè)計有著廣闊的前景和意義。限制光伏系統(tǒng)的主要因素有兩點(diǎn)：⑴初期投資比較大；⑵太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低。目前我們通常使用的光伏電池效率在15%左右，即使world上ZUI先進(jìn)技術(shù)的光伏電池在特殊的實(shí)驗(yàn)條件下也只能達(dá)到40%，因此光伏電池ZUI大功率跟蹤就變得十分重要，所以長期以來都是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。
  

　　光伏電池陣列特性分析
  

　　1、光伏電池的數(shù)學(xué)模型
  

　　光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制作而成的。所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能，由光子激發(fā)出電子―空穴對，經(jīng)過分離而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。光伏電池的I-V特性隨日照強(qiáng)度S（W/?）和電池溫度t（℃）而變化，即I=f（V,S,t）。根據(jù)電子學(xué)理論，當(dāng)負(fù)載為純電阻時，光伏電池的實(shí)際等效電路如圖1所示。
  

圖1光伏電池等效電路
  

　　對應(yīng)的I-V函數(shù)如下：
  

（1）
  

　　其中－二極管結(jié)電流（A），IL－光伏電流（A），I0－反向飽和電流（對于光伏單元而言，其數(shù)量級為10-4A），q-電子電荷（1.6×10-19C），K-玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T-一概溫度（T=t+273K），A-二極管品質(zhì)因子（當(dāng)T=330K時，約為2.80±0.152），Rs-串聯(lián)電阻（為低阻值，小于1Ω），Rsh－并聯(lián)電阻（為高阻值，數(shù)量級為KΩ）[1]。
  

　　2、光伏電池輸出的ZUI大功率點(diǎn)
  

　　當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類似為一個恒流源；當(dāng)電壓超過一定的臨界值繼續(xù)上升時，電流急劇下降，此時的光伏陣列類似為一個恒壓源。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個輸出功率ZUI大點(diǎn)。ZUI大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里，通過改變光伏陣列所帶的等效負(fù)載，調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率ZUI大點(diǎn)。
  

圖2光伏電池電壓/電流曲線和電壓/功率曲線
  

　　ZUI大功率跟蹤控制算法
  

　　目前，常用的ZUI大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)確性ZUI高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導(dǎo)增量法是通過比較光伏電池陣列的瞬時導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量的方法來完成ZUI大功率點(diǎn)的跟蹤。
  

　　達(dá)到ZUI大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時，光伏電池陣列工作于ZUI大功率點(diǎn)。在輻射強(qiáng)度和溫度變化時，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩(wěn)追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動小。
  

　　電導(dǎo)增量法通過設(shè)定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩(wěn)定在ZUI大功率點(diǎn)的鄰域內(nèi)，而不是圍繞著ZUI大功率點(diǎn)前后波動。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另外一個穩(wěn)態(tài)時，電導(dǎo)增量法根據(jù)電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會像擾動觀察那樣出現(xiàn)誤判斷。
  

　　圖3中的U（k）、I（k）是檢測到的光伏電池陣列當(dāng)前電壓、電流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的電壓、電流采樣值。
  

圖3電導(dǎo)增量法的控制流程圖
  

　　光伏電池陣列與Boost電路相接時，假設(shè)外部負(fù)載仍為純電阻負(fù)載，并忽略Boost電路本身阻抗的情況下，根據(jù)Boost電路的阻抗變換關(guān)系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。D為Boost電路的開關(guān)占空比，R為電阻性負(fù)載的阻抗。
  

圖4Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
  

　　對光伏電池陣列進(jìn)行ZUI大功率跟蹤過程中，工作電壓的控制是通過Boost升壓電路完成的。當(dāng)占空比D越大時，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過改變Boost電路的占空比D，使其等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)光伏電池的ZUI大功率輸出，這是采用Boost電路能夠?qū)崿F(xiàn)ZUI大功率跟蹤的理論依據(jù)。對于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。
  

　　ZUI大功率跟蹤時的問題
  

　　采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行ZUI大功率跟蹤過程中，通過調(diào)節(jié)Boost電路的占空比來實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列的工作點(diǎn)電壓的控制，從而達(dá)到ZUI大功率的跟蹤。然而通過光伏電池的電壓/電流曲線和電壓/功率曲線可以看出，工作在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)是改變相同步長的工作電壓對光伏電池的輸出功率改變是不同的。在恒流源區(qū)內(nèi)，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區(qū)對電流的影響卻是非常明顯。為了能夠更快、更精確的追蹤到光伏電池的ZUI大功率輸出的工作電壓電流，需要對跟蹤的方法進(jìn)行改進(jìn)。
  

　　改進(jìn)方法
  

　　根據(jù)相同工作電壓變化量在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)的不同影響效果，對兩個區(qū)內(nèi)電壓變化的步長作適當(dāng)調(diào)整，提高ZUI大功率跟蹤的效率。經(jīng)過測試，通常使用的光伏電池的ZUI大功率點(diǎn)電壓一般為其開路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區(qū)與恒壓源區(qū)電壓范圍的比例關(guān)系大概是4:1。如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒壓源區(qū)時，其工作電壓肯定大于ZUI大功率點(diǎn)電壓，要朝著減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長為△V；反之，如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒流源區(qū)時，其工作電壓肯定小于ZUI大功率點(diǎn)電壓，要朝著增大工作電壓的方向變化。為了提高跟蹤速度，取它的電壓變化步長為4△V。
  

　　為了提高ZUI大功率跟蹤的精度，在一定的溫度和光照強(qiáng)度時，當(dāng)光伏電池的輸出功率與當(dāng)前條件下所能達(dá)到的ZUI大功率接近到一定程度時，對它的跟蹤步長△V進(jìn)行調(diào)制，將△V適當(dāng)變小，使其更精確的跟蹤ZUI大功率。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，光照強(qiáng)度突然發(fā)生變化瞬間，光伏電池兩端的工作電壓不會發(fā)生明顯變化，相反，光伏電池的輸出電流會發(fā)生瞬間的明顯變化。根據(jù)這一特點(diǎn)來判斷△V應(yīng)采用大步長值△V2還是小步長值△V1。在系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)計時，需要根據(jù)具體的光伏電池參數(shù)，來確定工作電流的變化量的值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法流程圖如圖5所示。
  

圖5改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法流程
  

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  

　　由實(shí)驗(yàn)波形很容易看出，采用改進(jìn)后的電導(dǎo)增量算法的光伏系統(tǒng)，在光照強(qiáng)度很穩(wěn)定時，直流母線電壓的波動非常??；當(dāng)光照強(qiáng)度突然變化時，直流母線上的電壓也非常穩(wěn)定，電流迅速增大，保證光伏電池始終做ZUI大的輸出。
  

圖6光強(qiáng)突變時的母線電流和電壓
  

　　結(jié)語
  

　　利用TMS320LF2407數(shù)字信號控制器作為主要控制芯片，采用改進(jìn)的MPPT控制方式，該系統(tǒng)具有很好的動態(tài)響應(yīng)和跟蹤精度，具有跟蹤光伏電池陣列ZUI大功率點(diǎn)的功能，提高了系統(tǒng)的效率，充分利用了能源。