光伏電池及其最大功率點跟蹤

1、光伏電池及其最大功率點跟蹤1光伏電池1.11.1光伏電池簡介太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能即時轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p-np-n結(jié)上，由于吸收了光子的能量，會形成電子-空穴對, 在p-p-n n結(jié)電場的作用下，空穴由n n區(qū)流向p p區(qū)，電子由p p區(qū)流向n n區(qū)，這使得相 應(yīng)區(qū)域的主載流子的濃度在靠近 p-np-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0.5V0.5V左右，常見的單體電池輸出功率一般在1W1W左右，一般不能直接作為電

2、源使用。單體電 池除了容量小以外，其機(jī)械強(qiáng)度也較差。因此在實際應(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IVDqEMeMe而1)1)(2.1(2.1) )ILqS gRs)Isc IDO e AKT(2.2(2.2) )1.21.2光伏電池數(shù)學(xué)模型光伏電池的數(shù)學(xué)模型12可以由圖2.22.2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U UL，負(fù)載電流為。尺和RhRh為 光伏電池

3、內(nèi)阻。R 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；R 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耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流等。IVD為通過p-np-n結(jié)的總擴(kuò)散電流。I 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。式中訂。為光伏電池在無光照時的飽和電流。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:般R Rs很小，R Rsh很大，可以忽略不計。可得理想光伏電池特性:ULqu LIL I Isc l lD0(

4、e(eAKT 1)1)(2.3)(2.3)由式2.32.3可得UL AKTlnln 鼻旦 1 1(2.4)(2.4)q q1 DO光伏電池常用的5 5個參數(shù)為開路電壓U Uoc、短路電流I Isc、最佳工作電壓U Um （最 大功率點電壓）、最佳工作電流I Im最大功率點電流）和最大輸出功率 P Pm。本設(shè)計所用光伏模塊的最大輸出功率為 265V265V，開路電壓為39V,39V,短路電流為 8.93A8.93A，最佳工作電壓為31V,31V,最佳工作電流為 8.55A8.55A。1.31.3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?or01?75tA A建顯耳圖

5、2.4 光伏電池在不同照度下的輸出特性曲線族UmppkUkUoc(2.5(2.5) )光伏電池的輸出特性可以由 I-UI-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參數(shù)中的一個，改變另一個，就可以得到相應(yīng)的 I-UI-U 和P-P-U U特性曲線。保持溫度不變， 改變照度， 可以得到如圖 2.32.3 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， 最大功率點功率也大幅變化。保持照度不變， 改變溫度，可以得到如圖 2.42.4 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

6、化明顯，最大 功率點功率變化也較為明顯。2 最大功率點跟蹤2.12.1 最大功率點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(MaximumPower(MaximumPower PointPoint , MPPMPP上。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，我們希 望光伏電池工作在最大功率點上， 以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能。 利用控制方 法實現(xiàn)光伏電池的最大功率運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤 (Maximum(Maximum PowerPower PointPoint TrackingTracking ， MPPTMPPT) )14 技術(shù)。依據(jù)判斷方法和準(zhǔn)則

7、的不同可將傳統(tǒng)的 MPPMPP方法分為開環(huán)和閉環(huán)MPPMPP方 法。開環(huán)MPPTMPPT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) 控制來實現(xiàn)MPPTMPPT主要有定電壓跟蹤法、短路電流比例系數(shù)法和插值計算法。以定電壓跟蹤法為例， 由圖2-42-4 可知，在輻照度大于一定值且溫度變化不大 時，光伏電池的P-P- U U輸出特性曲線上最大功率點幾乎分布在一條垂直的直線兩 側(cè)。所以，如果能夠?qū)⒐夥姵氐妮敵鲭妷悍€(wěn)定在最大功率點附近的某一電壓處， 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電壓 U Umpp與其開路電壓之間近似

8、為線性關(guān)系。其中 k 的值取決于光伏電池特性，一般在 0.80.8 左右。 定電壓跟蹤法盡管不能精確跟蹤最大功率點， 卻可以實現(xiàn)快速跟蹤。 可以考 慮在啟動過程中采用此方法以實現(xiàn)快速跟蹤最大功率點， 然后再采用其他更精確的方法以實現(xiàn)精確跟蹤。總之，開環(huán)類方法簡單且易于實現(xiàn)，可以快速將工作點穩(wěn)定在近似最大功率 點附近區(qū)域，但要實現(xiàn)進(jìn)一步的精確跟蹤則需引入閉環(huán)控制。閉環(huán)MPPTMPPT方法是通過對光伏電池輸出電壓和電流的實時測量與閉環(huán)控制來 實現(xiàn)MPPTMPPT以自尋優(yōu)類算法應(yīng)用最為廣泛。典型的自尋優(yōu)類算法有擾動觀測法 和電導(dǎo)增量法15。由圖2.42.4可知正常光照條件下光伏電池的P-P- U U

9、輸出特性曲線是以最大功率點 為極值的單峰值函數(shù)，所以在最大功率點處有dPdP竺 0 0（2.62.6）dUdU由于此類算法由數(shù)字控制實現(xiàn)，實際中常以條件P/P/ U U 0 0近似代替。無論是擾動觀測法還是電導(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），計算前后兩次功率差（P P ）的值。由于在同一搜索過程中，U的值一般不為0 0,不論擾動方向如何，系統(tǒng)總是朝著功率增大的方向搜索，找出滿足P/P/ U U 0 0的工作點，從而實現(xiàn)自尋優(yōu)控制。2.22.2擾動觀測法工作點右側(cè)，應(yīng)增大參考電壓。如圖2.5d2.5d所示(C)(d)圖2.5擾動觀測法

10、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U U1 I I1， 對應(yīng)的輸出功率為R 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-UP-U輸出特性曲線，擾動觀測法的具體過程如下：1)1) 增大參考電壓U ( 5 U U )，若Pi P，說明最大功率點位于當(dāng)前 工作點右側(cè)，應(yīng)繼續(xù)增大參考電壓。如圖 2.5a2.5a所示。2)2) 增大參考電壓U ( 6U U )，若RP，說明最大功率點位于當(dāng)前 工作點左側(cè)，應(yīng)減小參考電壓。如圖 2.5b2.5b所示。3 3)減小

11、參考電壓U ( 5 U U )，若R P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點左側(cè)，應(yīng)繼續(xù)減小參考電壓。如圖2.5c2.5c所示。4 4)減小參考電壓U ( 5U U )，若Pi P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點右側(cè)，應(yīng)增大參考電壓。如圖2.5d2.5d所示檢測U、I計算功率P=UI擾動觀測法就是按照以上過程反復(fù)進(jìn)行輸出電壓擾動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，直到工作點接近最大功率點。擾 動觀測法按每次電壓擾動量是否固定可分為定步長擾動觀測法和變步長擾動觀 測法兩類。定步長的擾動觀測法的流程圖如圖2.62.6所示。2.32.3電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法是基于電壓變化率與輸出功率

12、的對應(yīng)關(guān)系而提出的一種最大功 率點跟蹤方法。,PdP/dU=O圖2.72.7給出了光伏電池F-UF-U特性曲線及其曲線上各點dP/dU的變化特征在一定的外部條件下，只存在一個最大功率點，此時 dP/dUdP/dU 0 0,而在最大功率 點兩側(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的判據(jù)。光伏電池的瞬 時輸出功率為P UI(2.7)(2.7)將式2.72.7兩邊分別對光伏電池輸出電壓求導(dǎo)dPdUdU(2.8(2.8) )當(dāng)dP/dUdP/dU 0 0時，光伏電池工作在最大功率點, 有即工作點位于最大功率點是dI丄dUU(2.9(2.9) )實際中以I / U近似代替dI /dU，從而得到最大功率點跟蹤判據(jù)1)1)- -工作點在最大功率點左側(cè)UU2)2)1-工作點即最大功率點UU3)3)- -工作點在最大功率點右側(cè)UU,P輸入U(k)、l(k) l=l(k)-l (k-1) U=U(k)-U(k-1)Uref=Uref+ U*Uref=Uref-