基于DSP的光伏電池最大功率跟蹤算法的研究

　　1 引言

　　傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球還有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。因此，研究并網(wǎng)逆變器的設計有著廣闊的前景和意義。限制光伏系統(tǒng)的主要因素有兩點：⑴初期投資比較大；⑵太陽能光伏電池的轉換效率低。目前我們通常使用的光伏電池效率在15%左右，即使世界上最先進技術的光伏電池在特殊的實驗條件下也只能達到40%，因此光伏電池最大功率跟蹤就變得十分重要，所以長期以來都是學術界研究的熱點。

　　2 光伏電池陣列特性分析

　　2.1 光伏電池的數(shù)學模型

　　光伏電池是利用半導體材料的光伏效應制作而成的。所謂光伏效應是指半導體材料吸收光能，由光子激發(fā)出電子—空穴對，經(jīng)過分離而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。光伏電池的I-V特性隨日照強度S（W/㎡）和電池溫度t（℃）而變化，即I=f（V,S,t）。根據(jù)電子學理論，當負載為純電阻時，光伏電池的實際等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

　　對應的I-V函數(shù)如下：

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　　其中－二極管結電流（A），IL－光伏電流（A），I0－反向飽和電流（對于光伏單元而言，其數(shù)量級為10-4A），q-電子電荷（1.6×10-19C），K-玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T-絕對溫度（T=t+273K），A-二極管品質因子（當T=330K時，約為2.80±0.152），Rs-串聯(lián)電阻（為低阻值，小于1Ω），Rsh－并聯(lián)電阻（為高阻值，數(shù)量級為KΩ）[1]。

　　2.2 光伏電池輸出的最大功率點

　　當光伏陣列輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類似為一個恒流源；當電壓超過一定的臨界值繼續(xù)上升時，電流急劇下降，此時的光伏陣列類似為一個恒壓源[2]。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個輸出功率最大點。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，通過改變光伏陣列所帶的等效負載，調節(jié)光伏陣列的工作點，使光伏陣列工作在輸出功率最大點。

圖2 光伏電池電壓/電流曲線和電壓/功率曲線

　　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、擾動觀察法和電導增量法。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。電導增量法是通過比較光伏電池陣列的瞬時導抗與導抗變化量的方法來完成最大功率點的跟蹤。

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

　　電導增量法通過設定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩(wěn)定在最大功率點的鄰域內(nèi)，而不是圍繞著最大功率點前后波動。當外界環(huán)境發(fā)生變化時，從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另外一個穩(wěn)態(tài)時，電導增量法根據(jù)電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會像擾動觀察那樣出現(xiàn)誤判斷。

　　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。

圖3 電導增量法的控制流程圖

　　光伏電池陣列與Boost電路相接時，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(jù)Boost電路的阻抗變換關系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。 D為Boost電路的開關占空比，R為電阻性負載的阻抗。

圖4 Boost電路的拓撲結構

　　對光伏電池陣列進行最大功率跟蹤過程中，工作電壓的控制是通過Boost升壓電路完成的。當占空比D越大時，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過改變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，實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠實現(xiàn)最大功率跟蹤的理論依據(jù)。對于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。

　　4 最大功率跟蹤時的問題

　　采用電導增量法進行最大功率跟蹤過程中，通過調節(jié)Boost電路的占空比來實現(xiàn)光伏電池陣列的工作點電壓的控制，從而達到最大功率的跟蹤。然而通過光伏電池的電壓/電流曲線和電壓/功率曲線可以看出，工作在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)是改變相同步長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(qū)內(nèi)，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區(qū)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行改進。

　　5 改進方法

　　根據(jù)相同工作電壓變化量在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)的不同影響效果，對兩個區(qū)內(nèi)電壓變化的步長作適當調整，提高最大功率跟蹤的效率。經(jīng)過測試，通常使用的光伏電池的最大功率點電壓一般為其開路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區(qū)與恒壓源區(qū)電壓范圍的比例關系大概是4:1。如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒壓源區(qū)時，其工作電壓肯定大于最大功率點電壓，要朝著減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長為△V；反之，如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒流源區(qū)時，其工作電壓肯定小于最大功率點電壓，要朝著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為4△V。

　　為了提高最大功率跟蹤的精度，在一定的溫度和光照強度時，當光伏電池的輸出功率與當前條件下所能達到的最大功率接近到一定程度時，對它的跟蹤步長△V進行調制，將△V適當變小，使其更精確的跟蹤最大功率。在實際運行當中，光照強度突然發(fā)生變化瞬間，光伏電池兩端的工作電壓不會發(fā)生明顯變化，相反，光伏電池的輸出電流會發(fā)生瞬間的明顯變化。根據(jù)這一特點來判斷△V應采用大步長值△V2還是小步長值△V1。在系統(tǒng)控制參數(shù)的設計時，需要根據(jù)具體的光伏電池參數(shù)，來確定工作電流的變化量 的值作為判斷標準。改進后的電導增量法流程圖如圖5所示。

圖5 改進后的電導增量法流程

　　6 實驗結果

　　由實驗波形很容易看出，采用改進后的電導增量算法的光伏系統(tǒng)，在光照強度很穩(wěn)定時，直流母線電壓的波動非常??；當光照強度突然變化時，直流母線上的電壓也非常穩(wěn)定，電流迅速增大，保證光伏電池始終做最大的輸出。

圖6 光強突變時的母線電流和電壓

　　7 結語

　　利用TMS320LF2407數(shù)字信號控制器作為主要控制芯片，采用改進的MPPT控制方式，該系統(tǒng)具有很好的動態(tài)響應和跟蹤精度，具有跟蹤光伏電池陣列最大功率點的功能，提高了系統(tǒng)的效率，充分利用了能源。