光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤的研究

摘要：光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤是太陽能發(fā)電研究的一個重要方向。提出了實現(xiàn)最大功率跟蹤的方法，比較了幾種方法的優(yōu)缺點。實驗結(jié)果證明了所提最大功率跟蹤方法的正確性。

關(guān)鍵詞：最大電壓跟蹤；恒電壓跟蹤；光伏系統(tǒng)

0 引言

太陽能作為綠色能源，具有無污染，無噪音，取之不盡，用之不竭等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注。由于光伏系統(tǒng)目前的主要問題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴，因此，如何進(jìn)一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，如何充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。

1 太陽電池的特性

太陽電池的p－u特性如圖1所示，圖1（a）為溫度變化時的p－ u特性曲線，圖1（b）是日照強(qiáng)度變化時的p－ u特性曲線。太陽電池具有明顯的非線性，既包含了電壓源的特性，也包含了電流源的特性。

(a)溫度變化時 (b)日照強(qiáng)度變化時

圖1 太陽電池的p－u特性曲線

太陽電池的輸出受日照強(qiáng)度，電池結(jié)溫等因素的影響。當(dāng)結(jié)溫增加時，太陽電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸出功率減??；當(dāng)日照強(qiáng)度增加時，太陽電池的開路電壓變化不大，短路電流增加，最大輸出功率增加。在一定的溫度和日照強(qiáng)度下，太陽電池具有唯一的最大功率點，當(dāng)太陽電池工作在該點時，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。

2 太陽電池的最大功率跟蹤

在光伏系統(tǒng)中，通常要求太陽電池的輸出功率始終最大，即系統(tǒng)要能跟蹤太陽電池輸出的最大功率點。太陽電池的伏安特性如圖2所示，圖中L是負(fù)載特性曲線，交點a，b，c，d，e對應(yīng)于不同的工作點。可以看出，這些工作點并不正好落在電池提供的最大功率點(a′，b′，c′，d′，e′)處，這就不能充分利用在當(dāng)前條件下電池所能提供的最大功率。因此，必須在太陽電池和負(fù)載之間加入阻抗變換器，使得變換后的工作點正好和太陽電池的最大功率點重合，使太陽電池以最大功率輸出，這就是所謂的太陽電池的最大功率跟蹤。

2．1 CVT方式的MPPT

從圖2中可以看出，當(dāng)溫度一定時，太陽電池的最大功率點幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)鄰近，這就有可能把最大功率點的軌跡線近似地看成電壓U=const的一根垂直線，亦即只要保持太陽電池的輸出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點的電壓，就可以大致保證在該一溫度下太陽電池輸出最大功率。把最大功率點跟蹤簡化為恒電壓跟蹤(CVT)，這就是CVT控制的理論依據(jù)。實現(xiàn)CVT的原理如圖3所示。圖中U_sp^＊是給定工作點電壓,對應(yīng)于某一溫度下的最大功率點；U_sp是太陽電池的實際輸出電壓。給定電壓和實際電壓比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果與三角波比較得到PWM脈沖，驅(qū)動功率器件，從而調(diào)節(jié)太陽電池的負(fù)載阻抗。不同的PWM脈寬對應(yīng)不同的負(fù)載阻抗。

圖2 太陽電池的伏安特性曲線

圖3 CVT原理圖

CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，比一般光伏系統(tǒng)可望多獲得20％的電能，較之不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1℃時，其開路電壓下降率為0.35％～0.45％。這表明太陽電池最大功率點對應(yīng)的電壓也隨環(huán)境溫度的變化而變化。對于四季溫差或日溫差比較大的地區(qū),CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率。