肖俊明，賈良寶，余義華，張文泰，侯麗紅

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

如何充分發(fā)揮光伏電池的效能，成為當(dāng)今人們研究的焦點(diǎn)，通常采用的方法是在光伏器件和負(fù)載之間串聯(lián)最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT）電路［1］.MPPT常用的控制方法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、滯環(huán)比較法、模糊邏輯控制法、固定參數(shù)法（如開路電壓法、短路電流法）等［2］.固定參數(shù)法是指在外界環(huán)境溫度一定時(shí)，利用最大功率點(diǎn)處的工作電壓為一恒定值對(duì)MPPT進(jìn)行控制的方法.該方法容易實(shí)現(xiàn)，但只能近似跟蹤.電導(dǎo)增量法是對(duì)擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)，可以消除擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象.此方法雖優(yōu)于擾動(dòng)觀察法，但需要較高精度的檢測(cè)器件，且存在一定的功率波動(dòng)［3］.本文根據(jù)光伏電池的工作情況，充分利用固定參數(shù)法的快速和電導(dǎo)增量法的高效、振蕩小等優(yōu)點(diǎn)提出了一種改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，該方法實(shí)現(xiàn)了光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤.通過Matlab仿真試驗(yàn)證明該方法可行.

1 光伏電池等效模型及輸出特性

光伏電池是一種半導(dǎo)體裝置，它能把吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，容易受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等環(huán)境因素的影響.其模型圖如圖1所示.由該模型可得光伏電池的輸出特性方程：

圖1 光伏電池模型

式中：Iw——光伏電池工作電流；

Uw——光伏電池工作電壓；

I1——光伏電池短路電流；

I2——二極管反向飽和電流；

Q——電子的電荷量；

R1——等效并聯(lián)電阻；

R2——等效串聯(lián)電阻；

k——波爾茲曼常數(shù)；

Tp——電池的溫度；

I2——極管結(jié)電流.

在理想情況下，一般R2很小，R1很大.而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般將它們忽略不計(jì).

2 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的工作原理

在短路電流法控制中，光伏陣列的最大功率點(diǎn)處的工作電流Im與其短路電流I1之間存在著近似的線性關(guān)系，即Im＝kI＊I1，式中kI為比列常數(shù)且小于1（對(duì)于不同的光伏陣列，kI有不同的取值，一般kI為0.186［5］）.在開路電壓法控制中，光伏陣列的最大功率點(diǎn)處的工作電壓Um與其開路電壓Uo之間也存在著近似的線性關(guān)系，即Um＝kU＊Uo，式中的kU一般取0.169.當(dāng)光伏電池的短路電流或開路電壓被我們獲得后，就可以利用短路電流法或開路電壓法控制系統(tǒng).隨著光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化，kI、kU也隨之變化.因此這兩種方法的控制準(zhǔn)確度較低，通常適用于小功率場(chǎng)合.

電導(dǎo)增量法是光伏電池MPPT常用的方法之一［4］.在最大功率點(diǎn)處功率對(duì)輸出電壓的導(dǎo)數(shù)為0，而P＝U＊I，所以

即

若達(dá)到最大功率點(diǎn)必須滿足式（3），如果

則減小輸出電壓；如果

則增加輸出電壓.但是在實(shí)際的應(yīng)用中滿足式（3）很困難，因此我們引入一個(gè)誤差因子E，若

則式（3）成立，從而得到最大功率點(diǎn).電導(dǎo)增量法對(duì)檢測(cè)儀器的精度要求比較高，所以要較長(zhǎng)時(shí)間才能跟蹤到最大功率點(diǎn).此外系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)楦欁畲蠊β庶c(diǎn)而導(dǎo)致部分功率的消耗.

3 改進(jìn)的電導(dǎo)增量法

3.1 在線固定參數(shù)法的檢測(cè)原理

光伏電池的dP／dU－U和dP／dI－I特性曲線分別如圖2和圖3所示.

由圖2可知，光伏電池輸出電壓的增加量是一直在減少的.當(dāng)位于a點(diǎn)時(shí)，光伏電池輸出電壓為0，處于短路狀態(tài)，且光伏電池短路電流與dP／dU大小相等，此時(shí)輸出功率為0.在a－b區(qū)間dP／dU的值隨電池輸出電壓的增加而緩慢下降，且該值近似等于光伏電池短路電流［6－7］.

由圖3可知，光伏電池輸出電流的增加量是一直在增加的.當(dāng)位于C點(diǎn)時(shí)，光伏電池輸出電流為0，處于開路狀態(tài)，而光伏電池開路電壓與dP／dI大小相等，輸出功率為0.在C－D區(qū)間dP／dI的值隨電池輸出電流的增加而緩慢上升，且該值近似等于電池開路電壓.

3.2 在線固定參數(shù)法

由固定參數(shù)法的在線檢測(cè)原理可知，dP／dU在圖2的a－b區(qū)間和dP／dI在圖3的C－D區(qū)間的值都為恒量，分別近似等于短路電流和開路電壓的大??；dP／dU和dP／dI的值在靠近最大功率點(diǎn)時(shí)才發(fā)生了明顯的變化.如果在圖2的a－b區(qū)間和圖3的C－D區(qū)間的任意一段上知道占空比變化前后的U和I，就可以推出短路電流或開路電壓，然后根據(jù)固定參數(shù)法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制.

在線固定參數(shù)法通過檢測(cè)光伏電池的參數(shù)，推斷出光伏電池的短路電流或開路電壓，從而克服了傳統(tǒng)短路電流法在運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾［8－9］.有了固定參數(shù)值，不論是在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的左端還是右端，都能快速地回到最大功率點(diǎn).但由于該參數(shù)值是近似值，光伏電池只能在最大功率點(diǎn)附近工作.

4 改進(jìn)電導(dǎo)增量法的工作過程

改進(jìn)電導(dǎo)增量法的搜索過程如圖4所示.

圖4 改進(jìn)電導(dǎo)增量法的搜索過程

由圖4可知，當(dāng)系統(tǒng)工作在e－f區(qū)間時(shí)，用固定參數(shù)法中的短路電流法控制；當(dāng)系統(tǒng)工作在g－h(huán)區(qū)間時(shí)，用固定參數(shù)法中的開路電壓法控制；最后都跟蹤到f－g區(qū)間，然后采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)控制.

任選一工作時(shí)刻t，該方法的工作過程如下：

（1）根據(jù)t時(shí)刻的電壓Ut和電流It，計(jì)算出此刻的輸出功率Pt，并分別與t－1時(shí)刻的Ut－1、It－1、Pt－1進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)是工作在電流源模式還是工作在電壓源模式，或者2種模式都不是.

（2）比較t－1時(shí)刻的Ut－1和t時(shí)刻的Ut，如果差值在允許范圍內(nèi)，則用開路電壓法實(shí)現(xiàn)控制，開路電壓用Ut的絕對(duì)值.

（3）比較t－1時(shí)刻的It－1和t時(shí)刻It，如果差值在允許范圍內(nèi)，則用短路電流法實(shí)現(xiàn)控制，短路電流用It的絕對(duì)值.

（4）如果比較的結(jié)果，既不工作在電流源模式也不工作在電壓源模式，就可以判斷系統(tǒng)是工作在最大功率點(diǎn)附近，用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)控制.

不斷進(jìn)行該搜索過程，直到系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn).

5 3種方法的仿真比較

本文利用Matlab對(duì)3種方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證.假定光伏電池為2種情況：①在開始輸出時(shí)，輸出功率為0；②在穩(wěn)定輸出時(shí)，輸出功率為5 9W，為最大輸出功率.當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法和基于改進(jìn)的電導(dǎo)增量法的輸出功率仿真結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示.電池輸出功率由0輸出經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程后達(dá)到穩(wěn)定.

由圖5、圖6、圖7可以看出，擾動(dòng)觀察法反應(yīng)比較慢，而且最后有功率振蕩現(xiàn)象，而電導(dǎo)增量法和改進(jìn)的電導(dǎo)增量法效果比較好.通過比較圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的電導(dǎo)增量法比電導(dǎo)增量法快了約120ms，因此，改進(jìn)的電導(dǎo)增量法可以快速穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點(diǎn).

6 結(jié) 語

通過對(duì)比分析和仿真驗(yàn)證可知，本文提出的方法－改進(jìn)的電導(dǎo)增量法可以快速、準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并能有效地減少最大功率點(diǎn)處的功率振蕩現(xiàn)象.

［1］張超，何湘寧.短路電流結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（20）：98－102.

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