一種新型光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法

太陽(yáng)能光伏電池(簡(jiǎn)稱(chēng)光伏電池)用于把太陽(yáng)的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以硅為基底的硅太陽(yáng)能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽(yáng)能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率低，但價(jià)格更便宜。按照應用需求，太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)一定的組合，達到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池，叫光伏組件。根據光伏電站大小和規模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。光伏組件，采用高效率單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進(jìn)的真空層壓工藝及脈沖焊接工藝制造。即使在最嚴酷的環(huán)境中也能保證長(cháng)的使用壽命。組件的安裝架設十分方便。組件的背面安裝有一個(gè)防水接線(xiàn)盒，通過(guò)它可以十分方便地與外電路連接。對每一塊太陽(yáng)電池組件，都保證20年以上的使用壽命。

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應或者光化學(xué)效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應原理工作的太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。太陽(yáng)光照在半導體p-n結上，形成新的空穴--電子對。在p-n結電場(chǎng)的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。

1 光伏電池模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數學(xué)模型

在光照強度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線(xiàn)性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中，UJ為PN結電壓，Id為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流，Id=Io{EU+IRS) nKT-1}。一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，由于串聯(lián)電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進(jìn)行理想電路的計算時(shí)，它們均可忽略不計。由圖1的太陽(yáng)能光伏電池等效電路得出：I=Iph-I0[eq(U+IRS) nKT -1]- U+IR R s sh(1)式中，I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷，q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數，k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學(xué)溫度;n為N結的曲線(xiàn)常數;Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏電池電氣特性

光伏電池的輸出特性主要通過(guò)I-U和P-U特性曲線(xiàn)來(lái)加以體現，如圖2所示。

圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線(xiàn)

從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)與工作環(huán)境的光照、溫度等因素有著(zhù)密切的關(guān)系，且具有明顯的非線(xiàn)性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，所以為了實(shí)現光伏發(fā)電系統的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

2 MPPT控制方法的對比分析

MPPT控制器的全稱(chēng)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking)太陽(yáng)能控制器，是傳統太陽(yáng)能充放電控制器的升級換代產(chǎn)品。所謂最大功率點(diǎn)跟蹤，即是指控制器能夠實(shí)時(shí)偵測太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最高的效率對蓄電池充電。下面我們用一種機械模擬對比的方式來(lái)向大家解釋MPPT太陽(yáng)能控制器的基本原理。要想給蓄電池充電，太陽(yáng)板的輸出電壓必須高于電池的當前電壓，如果太陽(yáng)能板的電壓低于電池的電壓，那么輸出電流就會(huì )接近0.所以，為了安全起見(jiàn)，太陽(yáng)能板在制造出廠(chǎng)時(shí)，太陽(yáng)能板的峰值電壓(Vpp)大約在17V左右，這是以環(huán)境溫度為25°C時(shí)的標準設定的。這樣設定的原因，(有意思的是，不同于我們普通人的主觀(guān)想象，下面的結論可能會(huì )讓我們吃驚)在于當天氣非常熱的時(shí)候，太陽(yáng)能板的峰值電壓Vpp會(huì )降到15V左右，但是在寒冷的天氣里，太陽(yáng)能的峰值電壓Vpp可以達到18V!

國內外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動(dòng)觀(guān)測法/爬山法、電導增量法等。恒定電壓法(CVT)就是將光伏電壓固定在最大功率點(diǎn)附近，該控制方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現，初期投入少，系統工作電壓具有良好的穩定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開(kāi)路電壓的影響，測量開(kāi)路電壓要求光伏陣列斷開(kāi)負載后再測量，對外界條件的適應性差，環(huán)境變化時(shí)不能自動(dòng)跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動(dòng)觀(guān)測法(PO)和爬山法(Hill Climbing)都是通過(guò)不斷擾動(dòng)光伏系統的工作點(diǎn)來(lái)尋找最大功率點(diǎn)的方向，該控制方法控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現較為方便，跟蹤效率高，提高太陽(yáng)能的利用效率，但是擾動(dòng)觀(guān)測法或爬山法的步長(cháng)是固定的，如果步長(cháng)過(guò)小，就會(huì )導致光伏陣列長(cháng)時(shí)間地停滯在低功率輸出區，如果步長(cháng)過(guò)大，就會(huì )導致系統振蕩加劇，并且在日照強度變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤判現象。電導增量法是通過(guò)調整工作點(diǎn)的電壓，使之逐步接近最大功率點(diǎn)電壓來(lái)實(shí)現最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點(diǎn)電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點(diǎn)變化，控制效果好，穩定度高，但是該控制算法較復雜，對控制系統性能和傳感器精度要求較高，硬件實(shí)現難。除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現一些較新、較實(shí)用的MPPT算法，如直線(xiàn)近似法、三點(diǎn)重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng )新，跟蹤精度有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)，以模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制法等為代表的新算法的出現，也為最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)的快速發(fā)展提供了堅實(shí)的數學(xué)基礎和理論依據。對于各種MPPT算法優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析如表1所示。由以上研究分析發(fā)現，每種MPPT控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中需要綜合考慮，根據不同的環(huán)境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

表1 MPPT控制方法比較