光伏電池及其最大功率點(diǎn)跟蹤

1、光伏電池及其最大功率點(diǎn)跟蹤 1光伏電池 1.1光伏電池簡介 太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能即時(shí)轉(zhuǎn)化為電能的器件。 當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，由于吸收了光子的能量，會(huì)形成電子-空穴對, 在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，這使得相 應(yīng)區(qū)域的主載流子的濃度在靠近 p-n結(jié)部分增加，而這種局部濃度的增加必然使 得主載流子朝著外部接觸面的方向擴(kuò)散， 導(dǎo)致外部端子上產(chǎn)生電壓，接通電路后 就形成電流。單體的單晶硅光伏電池的輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)照度下只有0.5V左右， 常見的單體電池輸出功率一般在1W左右，一般不能直接作為電源使用。單體電 池除了容量小以外，其機(jī)械強(qiáng)度

2、也較差。因此在實(shí)際應(yīng)用中，將若干光伏電池單 體串并聯(lián)并封裝起來成為有比較大的輸出功率 （幾瓦到幾百瓦不等）的太陽能電 池組件。光伏電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)就形成了光伏電池陣列，可以作為大型光伏 并網(wǎng)逆變器的功率輸入。 圖2.1太陽能電池單體、組件、方陣示意圖 1.2光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型 光伏電池的數(shù)學(xué)模型12可以由圖2.2所示的單二極管等效電路13來描述。 圖中Rl為光伏電池的外接負(fù)載，負(fù)載電壓為UL，負(fù)載電流為。尺和Rh為 光伏電池內(nèi)阻。R為串聯(lián)電阻，通常阻值較小，取決于體電阻、接觸電阻、擴(kuò) 散電阻以及電極電阻等；RSh為旁路電阻，一般阻值較大，取決于電池表面污染 和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電以及

3、耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流等。Ivd為通過p-n 結(jié)的總擴(kuò)散電流。Isc代表光子在光伏電池中激發(fā)的電流，取決于輻照度、電池 面積和本體溫度T。 Ivd qE Me而1) (2.1) 式中訂。為光伏電池在無光照時(shí)的飽和電流。 旁路電阻兩端電壓Ush Ul IlRs，流過旁路電阻的電流為 1 sh U L 1 L Rs / Rsh。 由以上各式可得負(fù)載電流為: Il qS gRs) Isc Ido e AKT Ul (2.2) 般Rs很小，Rsh很大，可以忽略不計(jì)。可得理想光伏電池特性: qu l Il Isc lD0(eAKT 1)(2.3) 由式2.3可得 Ul AKTln 鼻旦 1(2.4) q1

4、do 光伏電池常用的5個(gè)參數(shù)為開路電壓Uoc、短路電流Isc、最佳工作電壓Um （最 大功率點(diǎn)電壓）、最佳工作電流Im最大功率點(diǎn)電流）和最大輸出功率 Pm。 本設(shè)計(jì)所用光伏模塊的最大輸出功率為 265V，開路電壓為39V,短路電流為 8.93A，最佳工作電壓為31V,最佳工作電流為 8.55A。 1.3光伏電池輸出特性 圖2.3光伏電池在不同照度下的輸出特性曲線族 75rs?or 01? 75t A建顯耳 圖 2.4 光伏電池在不同照度下的輸出特性曲線族 光伏電池的輸出特性可以由 I-U 特性曲線表示，輸出特性取決于溫度和照 度。固定溫度和照度兩個(gè)參數(shù)中的一個(gè)，改變另一個(gè)，就可以得到相應(yīng)的 I

5、-U 和P-U特性曲線。 保持溫度不變， 改變照度， 可以得到如圖 2.3 所示的輸出特性曲線族。 由圖 中曲線族可知，隨著輻照度的變化，開路電壓沒有明顯變化， 短路電流變化明顯， 最大功率點(diǎn)功率也大幅變化。 保持照度不變， 改變溫度，可以得到如圖 2.4 所示的輸出特性曲線族。 由圖 中曲線族可知，隨著溫度的變化，短路電流變化很小，開路電壓變化明顯，最大 功率點(diǎn)功率變化也較為明顯。 2 最大功率點(diǎn)跟蹤 2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤簡介 由光伏電池的輸出特性知， 在不同的外部條件下， 光伏電池可運(yùn)行在不同且 唯一的最大功率點(diǎn)(MaximumPower Point , MPP上。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，我們

6、希 望光伏電池工作在最大功率點(diǎn)上， 以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能。 利用控制方 法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤 (Maximum Power Point Tracking ， MPPT)14 技術(shù)。 依據(jù)判斷方法和準(zhǔn)則的不同可將傳統(tǒng)的 MPP方法分為開環(huán)和閉環(huán)MPP方 法。 開環(huán)MPPT方法基于光伏電池的輸出特性曲線的基本規(guī)律，通過簡單的開環(huán) 控制來實(shí)現(xiàn)MPPT主要有定電壓跟蹤法、短路電流比例系數(shù)法和插值計(jì)算法。 以定電壓跟蹤法為例， 由圖2-4 可知，在輻照度大于一定值且溫度變化不大 時(shí)，光伏電池的P- U輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)幾乎分布在一條垂直的直線兩 側(cè)。所以，

7、如果能夠?qū)⒐夥姵氐妮敵鲭妷悍€(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近的某一電壓處， 光伏電池就可以獲得近似的最大功率輸出， 這種方法就稱為定電壓跟蹤法。 研究 表明，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓 Umpp與其開路電壓之間近似為線性關(guān)系。 Umpp kUoc (2.5) 其中 k 的值取決于光伏電池特性，一般在 0.8 左右。 定電壓跟蹤法盡管不能精確跟蹤最大功率點(diǎn)， 卻可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。 可以考 慮在啟動(dòng)過程中采用此方法以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤最大功率點(diǎn)， 然后再采用其他更精確 的方法以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。 總之，開環(huán)類方法簡單且易于實(shí)現(xiàn)，可以快速將工作點(diǎn)穩(wěn)定在近似最大功率 點(diǎn)附近區(qū)域，但要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的精確跟蹤則需引入閉環(huán)控制。 閉

8、環(huán)MPPT方法是通過對光伏電池輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)測量與閉環(huán)控制來 實(shí)現(xiàn)MPPT以自尋優(yōu)類算法應(yīng)用最為廣泛。典型的自尋優(yōu)類算法有擾動(dòng)觀測法 和電導(dǎo)增量法15。 由圖2.4可知正常光照條件下光伏電池的P- U輸出特性曲線是以最大功率點(diǎn) 為極值的單峰值函數(shù)，所以在最大功率點(diǎn)處有 dP 竺 0（2.6） dU 由于此類算法由數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，實(shí)際中常以條件P/ U 0近似代替。無論 是擾動(dòng)觀測法還是電導(dǎo)增量法，通常都采用對電壓值步進(jìn)搜索的方法， 即從起始 開始，每次對電壓值做一有限變化（U），計(jì)算前后兩次功率差（P ）的值。 由于在同一搜索過程中，U的值一般不為0,不論擾動(dòng)方向如何，系統(tǒng)總是朝 著功率增

9、大的方向搜索，找出滿足P/ U 0的工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)控制。 2.2擾動(dòng)觀測法 (C)(d) 圖2.5擾動(dòng)觀測法 MPP過程示意圖 假定輻照度和溫度等環(huán)境條件不變，并設(shè)上一次光伏電池的電壓、電流檢測 值為U、丨，對應(yīng)的輸出功率為P，當(dāng)前光伏電池的電壓、電流檢測值為U1 I1， 對應(yīng)的輸出功率為R，電壓調(diào)整步長為 U，電壓調(diào)整前后的輸出功率差為 P o 參考光伏電池的P-U輸出特性曲線，擾動(dòng)觀測法的具體過程如下： 1) 增大參考電壓U ( 5 U U )，若Pi P，說明最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前 工作點(diǎn)右側(cè)，應(yīng)繼續(xù)增大參考電壓。如圖2.5a所示。 2) 增大參考電壓U ( 6U U )，若RP，說

10、明最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前 工作點(diǎn)左側(cè)，應(yīng)減小參考電壓。如圖 2.5b所示。 3)減小參考電壓U ( 5 U U )，若R P，說明最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前 工作點(diǎn)左側(cè)，應(yīng)繼續(xù)減小參考電壓。如圖2.5c所示。 4)減小參考電壓U ( 5U U )，若Pi P，說明最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前 檢測U、I 計(jì)算功率 P=UI 擾動(dòng)觀測法就是按照以上過程反復(fù)進(jìn)行輸出電壓擾動(dòng)并是其電壓的變化不 斷使光伏電池的輸出功率朝著增大的方向改變，直到工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)。擾 動(dòng)觀測法按每次電壓擾動(dòng)量是否固定可分為定步長擾動(dòng)觀測法和變步長擾動(dòng)觀 測法兩類。定步長的擾動(dòng)觀測法的流程圖如圖2.6所示。 2.3電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法是基于

11、電壓變化率與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系而提出的一種最大功 率點(diǎn)跟蹤方法。 ,P dP/dU=O 圖2.7給出了光伏電池F-U特性曲線及其曲線上各點(diǎn)dP/dU的變化特征 在一定的外部條件下，只存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，此時(shí) dP/dU 0,而在最大功率 點(diǎn)兩側(cè)dP/dU異號。 由上述分析可知，dP/dU可以作為判斷最大功率點(diǎn)的判據(jù)。光伏電池的瞬 時(shí)輸出功率為 P UI(2.7) 將式2.7兩邊分別對光伏電池輸出電壓求導(dǎo) dP dU dU (2.8) 當(dāng)dP/dU 0時(shí)，光伏電池工作在最大功率點(diǎn), 有 即工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)是 dI丄 dUU (2.9) 實(shí)際中以I / U近似代替dI /dU，從而得到最大功率點(diǎn)跟蹤判據(jù) 1) -工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè) UU 2) 1-工作點(diǎn)即最大功率點(diǎn) UU 3) -工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè) UU 輸入U(xiǎn)(k)、l(k) l=l(k)-l (k-1) U=U(k)-U(k-1) Uref=Uref+ U* Uref=Uref- U* Uref=Uref-A U* U