MPPT中一種新型變步長電導(dǎo)增量法的算法研究
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1 太陽能電池陣列的發(fā)電原理及特性分析
1．1 光伏電池發(fā)電原理
太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。半導(dǎo)體在光照條件下吸收光能，激發(fā)出電子和空穴(正電荷)，從而半導(dǎo)體中有電流流過，即“光生伏特效應(yīng)”。光伏電池的等效電路如圖1所示。其中，Ig表示太陽能光伏電池所產(chǎn)生的電流；D表示PN結(jié)二極管；Rsh及Rs分別表示材料內(nèi)部的等效并聯(lián)及串聯(lián)電阻；Ro為外接負(fù)載。
1．2 輸出特性曲線
光伏電池的I-U特性或P-U特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系及輸出功率和輸出電壓之間的關(guān)系。如圖2所示。
從上圖可以看出，太陽能電池是一個(gè)既非電壓源也非電流源的非線性直流電源，特性具有強(qiáng)烈的非線性。光伏電池在低壓段近似為恒流源，在接近開路電壓時(shí)近似為恒壓源，輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為光伏電池的最大功率點(diǎn)(MPP)。
2 傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法
目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)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(dǎo)增量法是通過比較光伏電池陣列中瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量來完成最大功率點(diǎn)的跟蹤，如圖3所示。
由P-U特性曲線可知，在最大功率點(diǎn)處斜率為0，即：
由式(3)可知：當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。
3 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法
在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法中，假設(shè)補(bǔ)償因子為△u，則△u的取值與能否很好實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤關(guān)系緊密。若△u設(shè)置太大，導(dǎo)致跟蹤精度不夠，太陽能電池工作點(diǎn)雖然能夠在最大功率點(diǎn)附近，卻無法對最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確鎖定；反之若△u取值太小，雖然提高了跟蹤精度，但是跟蹤速度卻很慢，系統(tǒng)將損失較多能量。因此本文在此基礎(chǔ)上提出電導(dǎo)增量法的改進(jìn)算法。
3．1 步長因子△u的選取
由光伏電池陣列的輸出特性曲線可知，在MPP處：
dP／dU=I+UdI／dU=0
dI／dU=-I／U即dU／dI=-U／I
令：
dU／dI=rs且U／I=r
則：
r／rs=-1即1+r／rs=0
這里設(shè)M=1十r／rs
因此可以直接把M作為步長因子，那么該算法可以直接表示為：
rref(k+1)=rref(k)+M
3．2 算法的具體實(shí)現(xiàn)
經(jīng)過測試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開路電壓的0．75～0．85倍，所以最小步長值取±0．5，最大步長值取±3，如圖4所示。
該算法的具體流程圖如圖5所示。
4 仿真與分析
為了驗(yàn)證該算法，在Matlab／Simulink中建立基于Boost升壓電路的控制器，對光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，如圖6所示。
利用光伏電池陣列的通用仿真模型，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(S=1 000 W／m2，T=25℃)下，最大功率點(diǎn)的電壓及功率跟蹤如圖7所示。
在突然增大光強(qiáng)的條件下，光伏電池陣列的輸出功率變化如圖8所示。
5 結(jié)語
這里在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出變步長的改進(jìn)型電導(dǎo)增量法，提出了步長因子△u的具體設(shè)置方案，對光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤。利用Matlab／Simulink仿真工具中SimPowerSystems功能模塊，對太陽能電池及其最大功率點(diǎn)的跟蹤進(jìn)行了有效仿真。
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