2022年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(jiǎn)介太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能即時(shí)轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)太陽(yáng)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(duì)，在 p-n 結(jié)電場(chǎng)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

2、外， 其機(jī)械強(qiáng)度也較差。 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(yáng)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(yáng)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 R 為光伏電池的外接負(fù)載， 負(fù)載電壓為 U ，負(fù)載電流為 LI 。R 和 s R 為 sh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；R 為旁路電阻，一般阻值較大，取決于

3、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。I VD 為通過 p-n結(jié)的總擴(kuò)散電流。I sc 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 。RsIscIVDRshILRL圖 2.2 光伏電池的單二極管等效電路qEI VD I D 0 ( e AKT )1 (2.1) 式中 I D 0 為光伏電池在無光照時(shí)的飽和電流。旁路電阻兩端電壓 U sh U L I L R s，流過旁路電阻的電流為I sh U L I L R s / R sh。由以上各式可得負(fù)載電流為：一般R 很小，ILIscID0eq(ULILR s)1ULILR s (2.2) AK

4、TR shR 很大，可以忽略不計(jì)?？傻美硐牍夥姵靥匦裕篒LIscID0(eqUL)1 (2.3) AKT由式 2.3 可得ULAKTlnIscDIL1Isc (2.4) U （最qI0光伏電池常用的 5 個(gè)參數(shù)為開路電壓Uoc、短路電流、最佳工作電壓大功率點(diǎn)電壓）、最佳工作電流I 最大功率點(diǎn)電流）和最大輸出功率P 。本設(shè)計(jì)所用光伏模塊的最大輸出功率為265W，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

5、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 - 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(jiǎn)介由光伏電池的輸出特性知， 在不同的外部條件下，

6、光伏電池可運(yùn)行在不同且 唯一的最大功率點(diǎn) (Maximum Power Point ，MPP)上。對(duì)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(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 MPPT方法分為開環(huán)和閉環(huán) MPPT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(jiǎn)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

7、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，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UUmpp與其開路電壓之間近似為線性關(guān)系。mppkUoc (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?？傊?，開環(huán)類方法簡(jiǎn)單且易于

8、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。閉環(huán) MPPT方法是通過對(duì)光伏電池輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)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 為極值的單峰值函數(shù)，所以在最大功率點(diǎn)處有P- U輸出特性曲線是以最大功率點(diǎn)dP 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(cè)法還是電導(dǎo)增量法， 通常都采用對(duì)電壓值步進(jìn)搜索的方法，即從起始開始，每次對(duì)電壓值做一有限變化（U ），計(jì)算

9、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)總是朝著功率增大的方向搜索，找出滿足P/U0的工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)控制。2.2 擾動(dòng)觀測(cè)法P2PUU2(a)UP2P U(b) UU1UP1PPP10PUU10PU2UP2P2P1PP1P U0(c)U0U1UU2(d)UU2U1U圖 2.5 擾動(dòng)觀測(cè)法MPPT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(cè)值為 U 、I ，對(duì)應(yīng)的輸出功率為 P ，當(dāng)前光伏電池的電壓、 電流檢測(cè)值為 U 、 1I ，對(duì)應(yīng)的輸出功率為 1P ，電壓調(diào)整步長(zhǎng)為 U ，電壓調(diào)整前后的輸出功率差

10、為 P 。參考光伏電池的 P- U輸出特性曲線，擾動(dòng)觀測(cè)法的具體過程如下：1）增大參考電壓 U （U 1 U U），若 P1 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 （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點(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 （U 1 U U），若 P1 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 （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作點(diǎn)右側(cè)，應(yīng)增大參考電壓。如圖 2.5d 所示。檢測(cè)

11、 U、I計(jì)算功率P=UIP(k)P(k-1)?U(k)U(k-1)? U(k)U(k-1)?Uref=Uref + UUref=Uref+ UUref=Uref+ UUref=Uref+ U返回圖 2.6 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法流程圖擾動(dòng)觀測(cè)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(cè)法按每次電壓擾動(dòng)量是否固定可分為定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀 測(cè)法兩類。定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法的流程圖如圖 2.6 所示。2.3 電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法是基于電壓變化率與輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系而提出的一種最大功 率點(diǎn)跟蹤方法。PdP/dU=00dP/dU0dP/dU-I/U? I =0?Uref=Uref+ U*Uref=Uref- U*Uref=