太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

第31卷　第4期2008年8月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol.31　No.4Aug.2008Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3YA N G Fan3,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan(College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na )Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨3杨　帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜　燕(武汉工程大学电气信息学院,武汉430074)收稿日期:2007208220基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨　帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@.摘　要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。

分析了多种常用的跟踪方法的优缺点。

重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。

并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。

关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。

由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。

太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。

最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。

出于经济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。

M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。

1　太阳能电池的伏安特性分析太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。

从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。

太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。

当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。

在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一的最大功率点,当太阳能电池工作在该点时,能输出当前温度和日照条件下的最大功率。

本文就是探讨如何快速寻找太阳能电池的最大输出功能率点。

图1　太阳能电池的p 2u 特性曲线2　最大功率点跟踪方法分析与比较在光伏系统中,通常要求太阳能电池的输出功率始终最大,即系统要能跟踪太阳能电池输出的最大功率点。

在实际应用中,日光照度的变化再加上工作温度的变化,使得太阳能电池输出特性的变化很复杂。

根据太阳能电池的特性,最大功率点的跟踪方法有很多种,比较常见的有:功率匹配电路:选择太阳能电池或太阳能电池组合使其输出特性与特定的负载相匹配。

由于该技术主要与日射和负载条件相关,所以只能大概地估计M PP T 的位置。

曲线拟合技术:预先测得太阳能电池组件的输出特性,并用显示的数学表达式描述。

该方法不能预测一些复杂因素的影响,如老化、温度或者某些电池的击穿等。

曲线拟合技术使用数字分析寻找最大功率点的电流与相电流之间的近似关系,其中相电流与日照水平成正比。

这种方法只用于温度变化相对小的地区。

恒电压跟踪CV T (Constant Voltage T racker ):该方法具有控制简单,可靠性高,稳定性好,易于实现等优点,比一般光伏系统可望多获得20%的电能,较之不带CV T 的直接耦合要有利得多。

但是,这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响。

以单晶硅太阳能电池为例,当环境温度每升高1℃时,其开路电压下降率为0.35%～0.45%。

这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。

对于四季温差或日温差比较大的地区,CV T 方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。

鉴于CV T 方式的局限性,它只能是一定温度条件下的最大功率点跟踪,在不同温度条件下仍有功率损失,达不到MPPT 在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池最大功率点的要求[2]。

登山法:它的控制原则是电压的变化始终是让太阳能电池输出功率朝大的方向改变,其实质上是一个自然寻优过程,通过对太阳能电池阵列当前输出电压与电流的检测,得到当前太阳能电池阵列输出功率,再与已被存储的前一时刻的阵列功率相比较,舍小取大,再检测,再比较,如此不停地周而复始,使太阳能电池阵列动态地工作在最大功率点的附近[3]。

登山法虽然可以使阵列动态地实现最大功率点跟踪,但在光照及温度变化快时跟踪速度较慢,造成充电时间过长,另外由于在寻优过程中不断调整参考电压,因此太阳能电池的工作点始终在MPPT 点附近振荡,无法稳定在最大功率点上,同时当光照强度快速变化时,电压调整方向可能发生错误[4]。

滞环比较法:在日照量快速变化(如有云经过)时,并不跟随快速移动工作点,而是等到日照量稳定时再跟踪到最大功率点,从而减少了扰动损失。

采用滞环比较法,能够稳定地跟踪太阳能电池的最大功率点,与登山法相比,当太阳能电池的照度发生变化时,输出端电压能以平稳的方式追随其变化,电压晃动较小,系统不会出现振荡,还能够减少程序在运行中的误判现象,从而提高系统的效率。

但是算法比较复杂,而且在跟踪的过程中需要花费相当多的时间去执行A/D 转换运算,对微处理器在控制上造成了较大的困难。

二次插值法:太阳能电池在光照强度和温度发生变化时它的输出呈非线性,但是在某一瞬间它的输出功率相对于占空比是连续可导的,有且仅有一个极点。

因此只要准确确定初始区间和初始点的位置,便可采用单片机控制技术,利用二次插值的方法来快速寻找系统当前的最大功率点,即实现最大功率点跟踪技术。

通过各种最大功率点跟踪方法比较,二次插值法具有明显的优势。

3　二次插值法实现最大功率点跟踪技术3.1　二次插值法算法原理图2中,D 、P 分别表示占空比和输出功率,设D 1,D 2,D 3为初值点,P 1,P 2,P 3分别为D 1,D 2,D 3对应的功率点。

D X 为插值点,P X 为D X 所对应的功率点。

在实际工作过程中,系统可能会出现4种插值情况,如图2(a )﹑(b )﹑(c )﹑(d )所示。

(1)如图(a )所示,当D X ≥D 2,P X ≤P 2时,表明M PP 点在D 1和D X 之间。

此时系统确定新的插值区间为[D 1,D X ],初始点为:D 1=D 1;D 2=D 2;D 3=D X ;P 1=P 1;P 2=P 2;P 3=P X(2)如图(b )所示,当D X ≤D 2,P X ≤P 2时,表明M PP 点在D X 和D 3之间。

此时系统新的插值区间2801电　子　器　件第31卷为[D X ,D 3],初始点为:D 1=D X ;D 2=D 2;D 3=D 3;P 1=P X ;P 2=P 2;P 3=P 3(3)如图(c )所示,当D X ≤D 2,P X ≥P 2时,表明M PP 点在D 1和D 2之间,此时系统新的插值区间为[D 1,D 2],初始点为:D 1=D 1;D 2=D X ;D 3=D 2;P 1=P 1;P 2=P X ;P 3=P 2(4)如图(d )所示,当D X ≥D 2,P X ≥P 2间,表明M PP 点在D 2和D 3之间,此时系统新的插值区间为[D 2,D 3]初始点为:D 1=D 2;D 2=D X ;D 3=D 3;P 1=P 2;P 2=P X ;P 3=P 3(5)当D 2和D X 差的绝对值小于等于ε(极小值)时,表明系统已经找到了MPP 点,如果P X >P 2则最大功率点功率为P X ,此时占空比为D X 。

如果P X <P 2则最大功率点功率为P 2,此时占空比为D 2。

(6)判断系统的工作点是否发生了漂移,如发生则再次使用二次插值法来寻找系统的MPP 点[5]。

图2　二次插值寻优3.2　系统功能的实现下图3是为实现二次插值法算法设计的系统图,系统硬件主要由BUC K 型降压电路(图3中虚线框所示)和单片机系统组成。