光伏電池最大功率跟蹤算法的研究

當光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著(zhù)電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒流源；當電壓超過(guò)一定的臨界值繼續上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒壓源[2]。光伏陣列的輸出功率則隨著(zhù)輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強度都變化的環(huán)境里，通過(guò)改變光伏陣列所帶的等效負載，調節光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。

3 最大功率跟蹤控制算法

目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)察法和電導增量法。其中，電導增量法的跟蹤準確性最高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導增量法是通過(guò)比較光伏電池陣列的瞬時(shí)導抗與導抗變化量的方法來(lái)完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。

達到最大功率點(diǎn)的條件，即當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時(shí)，光伏電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。在輻射強度和溫度變化時(shí)，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動(dòng)小[3]。

電導增量法通過(guò)設定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩定在最大功率點(diǎn)的鄰域內，而不是圍繞著(zhù)最大功率點(diǎn)前后波動(dòng)。當外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，從一個(gè)穩態(tài)過(guò)渡到另外一個(gè)穩態(tài)時(shí)，電導增量法根據電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會(huì )像擾動(dòng)觀(guān)察那樣出現誤判斷。

圖3 電導增量法的控制流程圖

圖3中的U（k）、I（k）是檢測到的光伏電池陣列當前電壓、電流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的電壓、電流采樣值。

光伏電池陣列與Boost電路相接時(shí)，假設外部負載仍為純電阻負載，并忽略Boost電路本身阻抗的情況下，根據Boost電路的阻抗變換關(guān)系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。 D為Boost電路的開(kāi)關(guān)占空比，R為電阻性負載的阻抗。

圖4 Boost電路的拓撲結構

對光伏電池陣列進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，工作電壓的控制是通過(guò)Boost升壓電路完成的。當占空比D越大時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過(guò)改變Boost電路的占空比D，使其等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，實(shí)現光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠實(shí)現最大功率跟蹤的理論依據。對于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。

4 最大功率跟蹤時(shí)的問(wèn)題

采用電導增量法進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，通過(guò)調節Boost電路的占空比來(lái)實(shí)現光伏電池陣列的工作點(diǎn)電壓的控制，從而達到最大功率的跟蹤。然而通過(guò)光伏電池的電壓/電流曲線(xiàn)和電壓/功率曲線(xiàn)可以看出，工作在恒壓源區和恒流源區是改變相同步長(cháng)的工作電壓對光伏電池的輸出功率改變是不同的。在恒流源區內，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區對電流的影響卻是非常明顯。為了能夠更快、更精確的追蹤到光伏電池的最大功率輸出的工作電壓電流，需要對跟蹤的方法進(jìn)行改進(jìn)。

5 改進(jìn)方法

根據相同工作電壓變化量在恒壓源區和恒流源區的不同影響效果，對兩個(gè)區內電壓變化的步長(cháng)作適當調整，提高最大功率跟蹤的效率。經(jīng)過(guò)測試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開(kāi)路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區與恒壓源區電壓范圍的比例關(guān)系大概是4:1。如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒壓源區時(shí)，其工作電壓肯定大于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著(zhù)減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長(cháng)為△V；反之，如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒流源區時(shí)，其工作電壓肯定小于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著(zhù)增大工作電壓的方向變化。為了提高跟蹤速度，取它的電壓變化步長(cháng)為4△V。