2022年光伏電池及其最大功率點跟蹤

1、光伏電池及其最大功率點跟蹤1 光伏電池1.1 光伏電池簡介太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能即時轉(zhuǎn)化為電能的器件。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p-n 結(jié)上，由于吸收了光子的能量，會形成電子- 空穴對，在 p-n 結(jié)電場的作用下， 空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)，這使得相應(yīng)區(qū)域的主載流子的濃度在靠近p-n 結(jié)部分增加，而這種局部濃度的增加必然使得主載流子朝著外部接觸面的方向擴散，導(dǎo)致外部端子上產(chǎn)生電壓， 接通電路后就形成電流。單體的單晶硅光伏電池的輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)照度下只有 0.5V 左右，常見的單體電池輸出功率一般在1W左右，一般不能直接作為電源使用。單體電池除了容量小以

2、外， 其機械強度也較差。 因此在實際應(yīng)用中， 將若干光伏電池單體串并聯(lián)并封裝起來成為有比較大的輸出功率（幾瓦到幾百瓦不等） 的太陽能電池組件。光伏電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)就形成了光伏電池陣列，可以作為大型光伏并網(wǎng)逆變器的功率輸入。圖 2.1 太陽能電池單體、組件、方陣示意圖1.2 光伏電池數(shù)學(xué)模型光伏電池的數(shù)學(xué)模型 12 可以由圖 2.2 所示的單二極管等效電路 13 來描述。圖中 R 為光伏電池的外接負(fù)載， 負(fù)載電壓為 U ，負(fù)載電流為 LI 。R 和 s R 為 sh光伏電池內(nèi)阻。R 為串聯(lián)電阻，通常阻值較小，取決于體電阻、接觸電阻、擴散電阻以及電極電阻等；R 為旁路電阻，一般阻值較大，取決于

3、電池表面污染和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電以及耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流等。I VD 為通過 p-n結(jié)的總擴散電流。I sc 代表光子在光伏電池中激發(fā)的電流，取決于輻照度、電池面積和本體溫度 T 。RsIscIVDRshILRL圖 2.2 光伏電池的單二極管等效電路qEI VD I D 0 ( e AKT )1 (2.1) 式中 I D 0 為光伏電池在無光照時的飽和電流。旁路電阻兩端電壓 U sh U L I L R s，流過旁路電阻的電流為I sh U L I L R s / R sh。由以上各式可得負(fù)載電流為：一般R 很小，ILIscID0eq(ULILR s)1ULILR s (2.2) AK

4、TR shR 很大，可以忽略不計。可得理想光伏電池特性：ILIscID0(eqUL)1 (2.3) AKT由式 2.3 可得ULAKTlnIscDIL1Isc (2.4) U （最qI0光伏電池常用的 5 個參數(shù)為開路電壓Uoc、短路電流、最佳工作電壓大功率點電壓）、最佳工作電流I 最大功率點電流）和最大輸出功率P 。本設(shè)計所用光伏模塊的最大輸出功率為265W，開路電壓為 39V，短路電流為8.93A，最佳工作電壓為 31V，最佳工作電流為 8.55A。1.3 光伏電池輸出特性圖 2.3 光伏電池在不同照度下的輸出特性曲線族圖 2.4 光伏電池在不同照度下的輸出特性曲線族光伏電池的輸出特性可以

5、由I - U 特性曲線表示，輸出特性取決于溫度和照度。固定溫度和照度兩個參數(shù)中的一個，改變另一個，就可以得到相應(yīng)的 I - U 和 P- U特性曲線。保持溫度不變， 改變照度， 可以得到如圖 2.3 所示的輸出特性曲線族。 由圖中曲線族可知， 隨著輻照度的變化， 開路電壓沒有明顯變化， 短路電流變化明顯，最大功率點功率也大幅變化。保持照度不變， 改變溫度， 可以得到如圖 2.4 所示的輸出特性曲線族。 由圖 中曲線族可知，隨著溫度的變化，短路電流變化很小，開路電壓變化明顯，最大功率點功率變化也較為明顯。2 最大功率點跟蹤2.1 最大功率點跟蹤簡介由光伏電池的輸出特性知， 在不同的外部條件下，

6、光伏電池可運行在不同且 唯一的最大功率點 (Maximum Power Point ，MPP)上。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，我們希 望光伏電池工作在最大功率點上，以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能。利用控制方 法實現(xiàn)光伏電池的最大功率運行的技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point Tracking，MPPT) 14 技術(shù)。依據(jù)判斷方法和準(zhǔn)則的不同可將傳統(tǒng)的 MPPT方法分為開環(huán)和閉環(huán) MPPT方 法。開環(huán) MPPT方法基于光伏電池的輸出特性曲線的基本規(guī)律，通過簡單的開環(huán) 控制來實現(xiàn) MPPT，主要有定電壓跟蹤法、短路電流比例系數(shù)法和插值計算法。以定電壓跟蹤法為例， 由圖 2-4 可

7、知，在輻照度大于一定值且溫度變化不大 時，光伏電池的 P- U輸出特性曲線上最大功率點幾乎分布在一條垂直的直線兩 側(cè)。所以，如果能夠?qū)⒐夥姵氐妮敵鲭妷悍€(wěn)定在最大功率點附近的某一電壓處，光伏電池就可以獲得近似的最大功率輸出，這種方法就稱為定電壓跟蹤法。 研究表明，光伏電池的最大功率點電壓UUmpp與其開路電壓之間近似為線性關(guān)系。mppkUoc (2.5) 其中 k 的值取決于光伏電池特性，一般在 0.8 左右。定電壓跟蹤法盡管不能精確跟蹤最大功率點，卻可以實現(xiàn)快速跟蹤。 可以考慮在啟動過程中采用此方法以實現(xiàn)快速跟蹤最大功率點，然后再采用其他更精確的方法以實現(xiàn)精確跟蹤。總之，開環(huán)類方法簡單且易于

8、實現(xiàn)， 可以快速將工作點穩(wěn)定在近似最大功率點附近區(qū)域，但要實現(xiàn)進一步的精確跟蹤則需引入閉環(huán)控制。閉環(huán) MPPT方法是通過對光伏電池輸出電壓和電流的實時測量與閉環(huán)控制來 實現(xiàn) MPPT，以自尋優(yōu)類算法應(yīng)用最為廣泛。典型的自尋優(yōu)類算法有擾動觀測法 和電導(dǎo)增量法 15 。由圖 2.4 可知正常光照條件下光伏電池的 為極值的單峰值函數(shù)，所以在最大功率點處有P- U輸出特性曲線是以最大功率點dP 0 (2.6) dU由于此類算法由數(shù)字控制實現(xiàn)，實際中常以條件 P / U 0 近似代替。無論是擾動觀測法還是電導(dǎo)增量法， 通常都采用對電壓值步進搜索的方法，即從起始開始，每次對電壓值做一有限變化（U ），計算

9、前后兩次功率差（P ）的值。由于在同一搜索過程中，U 的值一般不為 0，不論擾動方向如何，系統(tǒng)總是朝著功率增大的方向搜索，找出滿足P/U0的工作點，從而實現(xiàn)自尋優(yōu)控制。2.2 擾動觀測法P2PUU2(a)UP2P U(b) UU1UP1PPP10PUU10PU2UP2P2P1PP1P U0(c)U0U1UU2(d)UU2U1U圖 2.5 擾動觀測法MPPT過程示意圖假定輻照度和溫度等環(huán)境條件不變，并設(shè)上一次光伏電池的電壓、電流檢測值為 U 、I ，對應(yīng)的輸出功率為 P ，當(dāng)前光伏電池的電壓、 電流檢測值為 U 、 1I ，對應(yīng)的輸出功率為 1P ，電壓調(diào)整步長為 U ，電壓調(diào)整前后的輸出功率差

10、為 P 。參考光伏電池的 P- U輸出特性曲線，擾動觀測法的具體過程如下：1）增大參考電壓 U （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點右側(cè)，應(yīng)繼續(xù)增大參考電壓。如圖 2.5a 所示。2）增大參考電壓 U （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點左側(cè)，應(yīng)減小參考電壓。如圖 2.5b 所示。 3）減小參考電壓 U （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點左側(cè)，應(yīng)繼續(xù)減小參考電壓。如圖 2.5c 所示。4）減小參考電壓 U （U 1 U U），若 P1 P，說明最大功率點位于當(dāng)前工作點右側(cè)，應(yīng)增大參考電壓。如圖 2.5d 所示。檢測

11、 U、I計算功率P=UIP(k)P(k-1)?U(k)U(k-1)? U(k)U(k-1)?Uref=Uref + UUref=Uref+ UUref=Uref+ UUref=Uref+ U返回圖 2.6 定步長擾動觀測法流程圖擾動觀測法就是按照以上過程反復(fù)進行輸出電壓擾動并是其電壓的變化不斷使光伏電池的輸出功率朝著增大的方向改變，直到工作點接近最大功率點。 擾動觀測法按每次電壓擾動量是否固定可分為定步長擾動觀測法和變步長擾動觀 測法兩類。定步長的擾動觀測法的流程圖如圖 2.6 所示。2.3 電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法是基于電壓變化率與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系而提出的一種最大功 率點跟蹤方法。PdP/dU=00dP/dU0dP/dU-I/U? I =0?Uref=Uref+ U*Uref=Uref- U*Uref=