光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究概要.docx

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光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究概要

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第４３卷第ｌｌ期

２００９年１１月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖ０１．４３

Ｎｏ．１１

Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００９

光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究

郭勇，孙超，陈新

（南京航空航天大学，江苏南京２１００１６）

摘要：

在光伏发电系统中．光伏电池的最大输出功率取决于温度和光照条件，采用最大功率跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ

Ｐｏｗｅｒ

ＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，简称ＭＨＴ）方法可以使光伏电池持续输出最大功率。

研究了光伏系统中的最大功率控制部分，提出

了ＭＰＰＴ控制器的设计，介绍了几种常用的ＭＰＰＴ方法，其中重点研究了电导增量（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ，简称ＩＮＣ）法。

给出了ＩＮＣ法的软件流程的设计，并在Ｍａｔｌａｂ中建立了光伏电池的仿真模型。

最后通过实验验证了ＭＰＰＴ控制器的可行性，其ＭＰＰＴ的响应速度和控制精度均达到了预期要求。

关键词：

太阳能发电；光电池／最大功率点跟踪中图分类号：

ＴＭ６２５

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１０００－１００Ｘ（２００９）１１－００２１—０３

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

Ｍａｘｉｍｕｍ

（Ｎａｎｊｉｎｇ

ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ

Ｍｅｔｈｏｄ

ｆｏｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍ

ＧＵｏＹｏｎｇ。

ＳＵＮＣｈａｏ。

ＣＨＥＮＸｉｎ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＡｅｒｏｎａｉａｉｃｓ

ａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ

ａｒｅ

２１００１６，Ｃｈｉｎａ）

ｔｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

ｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｐｅｎｄｓ

ｏｎ

ｕｓｅｄｉｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓ

ｍａｘｉｍｉｚｅｔｈｅｐｈｏｔｏ－

ｐａｎｅｌｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｒｒａｄｉａｎｅｅ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ

ｐａｒｔ

ｏｆｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ

（ＭＰＰ）ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ＴｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｓｏｍｅ

ＭＰＰＴｍｅａｎｓｆｏｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ

ｏｎ

ｔｈｅ

ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ（ＩＮＣ）．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｉｓ

ａｎｄ

ｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｃｅｌｌｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓ

ｃｒｅａｔｅｄｉｎＭａｄａｂ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈｅ

ｓｐｅｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅｅｔ

ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｅＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅ

ｒｅｓｐｏｎｓｅ

ｔｈｅｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅａｒｒａｙ，ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ１

引

言

随着时代的发展，人类对能源的需求越来越多，然而煤、石油、天然气等传统能源是有限的，只有开发新能源才是解决能源问题的根本。

光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分。

各发达国家都已经投入了大量的人力、物力对其进行研究开发和应用。

图１

池曲线

ＭＰＰＴ原理

由于ＤＣ／ＤＣ变换器具有阻抗变换的作用，当其

输出端负载一定时，通过调节占空比Ｄ，可以改变

在光伏发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须提高光伏电池的转换效率，使其最大限度地输出功率。

然而，光伏电池的Ｉ＿ｖ特性为非线性。

它随着外界环境（温度、光照强

度）的变化而变化，当工作电压改变时其输出功率也

ＤＣ／ＤＣ变换器的输入阻抗。

从而改变光伏电池的负载阻抗。

以Ｂｕｃｋ变换器为例进行分析，其输入阻抗为：

ｐ，一玩一以／Ｄ—ＲＬｎ。

一了■一＿ｉ＝面■一１Ｆ，１、

、１７

会改变。

为了始终获得最大的输出功率，需要进行最

大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）。

若已知最大功率点（ＭＰＰ）所对应的负载阻抗，

即可通过调整Ｂｕｃｋ变换器的Ｄ。

使ＲＬ，处在光伏电池的ＭＰＰ上，如式（１）所示。

当外界环境变化时，仍然可通过不断调整Ｄ．实现光伏电池与ＤＣ／ＤＣ变换器之间的动态负载匹配，从而实时获得光伏电池的最大输出功率。

所用蓄电池负载，可对光伏电池的能

２光伏电池ＭＰＰＴ

图１示出在一定光照强度下的光伏Ｉ．Ｖ输出特性曲线。

可见，对应不同的负载阻抗．负载线与光伏电池输出特性曲线交点口，即工作点不同，光伏电池

输出功率也不同。

在不同的环境条件下。

按输出最大功率的要求调整负载阻抗，可使光能得到最大利用，

即实现ＭＰＰＴ的控制【”。

定稿日期：

２００９－０５一１９作者简介：

郭勇（１９８４一），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究

量进行缓冲删。

扰动观察法是一种常用的实现ＭＰＰＴ方法［４１，它通过改变光伏电池的输出电压，给以一定的扰动，实时地采样光伏电池的输出电压和电流，计算其乘积，得到光伏电池此刻的输出功率，并将其和上一采样时刻的功率相比较。

若大于上一时刻功率，则维持原来电压扰动的方向；若小于上一时刻功率，则改变电

２１

方向为功率电子变换。

万方数据

第４３卷第１１期

２００９年ｌ１月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖ０１．４３

Ｎｏ．１ｌ

Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００９

压扰动的方向。

这样确保了光伏电池的输出电压向着使输出功率增大的方向变化，从而实现ＭＰＰＴ。

但扰动观察法也存在着缺点：

当稳态工作时，?

系统在ＭＰＰ附近振荡造成能量的浪费；当光照强度快速变化时会发生误判现象。

图２示出光伏电池输出功率对电压的Ｐ－Ｖ曲线。

由曲线可知，在ＭＰＰ处的功率对电压的导数为零：

在ＭＰＰ左边导数为正．在ＭＰＰ右边导数为负。

ｄＰ／ｄＵ可表示为：

式中：

“为光伏电池光牛电流；，哪为电池单元的＿极管反向饱和电流；Ａ为无量纲的任意曲线的拟合常数，１≤Ａ≤２，当光伏电池输Ｉ叶｛高电压时Ａ＝１，当光伏电池输出低电压时Ａ－２；ｋ为波尔兹曼常数；Ｔ为光伏电池的绝对温度；ｇ为电子电量；Ｒ。

Ｒ。

分别为串、并联等效电阻。

卜夕㈦ｕ“（

图４光伏电池等效电路

等＝警＝“ｕ普一ｕ（古＋盖）（２）

式中：

／／ｕ，ＡＩ／ＡＵ分别为电导和增鼍电导。

＜Ｏ

图５示出在Ｍａｔｌａｂ中建立的光伏电池模型的仿真Ｉ．Ｖ和Ｐ．Ｖ曲线。

可见。

该仿真模型很好地拟了光伏电池的输出特性．最人功率点在３５．５Ｖ左右，最大功率为１５５Ｗ。

因此．可以运用该模型在Ｍａｔｌａｂ中对ＭＰＰＴ算法进行仿真。

图２光伏电池Ｐ—Ｖ曲线

通过判断Ｉ／Ｕ＋Ｍ△ｕ与Ｏ的关系来确定扰动的

方向。

当，／¨ＡＩ／ＡＵ＞Ｏ时，增大光伏电池的电压；当，／

Ｕ＋ＡＨＡＵ－－０时．维持光伏电池不变，当１／Ｕ＋Ｍ△Ｕ＜Ｏ

时，减小光伏电池电压，从而实现ＭＰＰＩ’。

ＩＮＣ法不受外界环境的影响，能始终实现ＭＰＰＴ，因此应用相当广泛［５－－６１。

图３示出ＩＮＣ算法流程。

Ｕ／Ｖ

Ｕ／Ｖ

（ａ）光伏电池仿真模型的１一Ｖ曲线

（ｂ）光伏电池仿真模型的Ｐ－Ｖ曲线

图５光伏电池的仿真曲线根据ＩＮＣ算法的特点，运用建立的Ｍａｔｌａｂ光伏电池模型．进行算法仿真。

在仿真电路中，主电路拓扑为Ｂｕｃｋ变换器。

光伏电池的模型转化为一子系统。

图６示出ＩＮＣ法仿真得到的光伏电池输出电压以、功率曲线ｐｐ。

可见，设计的ＩＮＣ算法使Ｕ，＝３５．５Ｖ，使输出功率Ｐ｜，基本在１５５Ｗ，验证了该算法的正确性和可行性。

／

———］Ｉ

Ｉｆ，ｐｒｅｒ２ⅣＰ，ｃｒ＋ＡＵＩＩＬＩｐｔｅＪ。

ｆ，ｐｒｅｒ—△ｕＩＩＵｐｔｅｒ２￡，ｐＨ△，，ＩＪ：

：

ｐｒｃｒ—Ｕｐｒｅｒ＋△￡，ｌｌｌ‘．ＩＶｐ（ｋ）＝Ｕｐ（ｋ～Ｉ），昂（ｔ）＝，ｐ（＾一ＩＪＩ

’，

Ｙ—Ｙ产令≤≯１

图３

、ｈ

ｆ＼ｆ／ｆｆｆｙ

∥

ｌ｜

，Ｊ

，，，

ＩＮＣ法程序流程图

ｔ／ｍｓ

ｔ／ｍｓ

（ａ）ＩＮＣ法仿真比伙电池输„电瓜（ｂ）ｌＮＣ法仂蚝光伏电池输出功率％“后），△∥分别为光伏电池输出电压的基准和

增量；ｄｌ，ｄＵ分别为两次采样光伏电池的电流差和电压差；坼（忌），，ｐ（Ｊ｜｝）分别为第ｋ次采样的光伏电池输出电压和电流。

３４

图６

ＩＮＣ法仿真光伏电池输｝ｆ：

电压及功率

ＭＰＰＴ控制器设计

图７示出光伏充电器系统硬件框图。

在温度

２５℃．光照ｌｋＷ／ｍｚ下．光伏电池的最大输出功率

ＭＰＰＴ的仿真分析

为优化设计光伏发电系统，有必要研究适用于

１７０Ｗ，开路电压以＝４３．８Ｖ，短路电流Ｌ．＝５．３Ａ；蓄

电池组采用两块１２Ｖ的铅酸蓄电池串联组成．额定电压为２４Ｖ，充电电路采用Ｂｕｃｋ变换器。

由于Ｂｕｃｋ电路的开关管的源极足浮地的，所以其驱动电路为变雎器隔离的驱动电路。

控制电路的核心选用１６位单片机ＸＣｌ６４ＳＭ，其时钟频率为４０ＭＨｚ，具有强人的外设资源，包括：

一个ＡＤＣ模块。

支持１６路信号的采样，ＭＤ转换结果的精度为１０位或８位，速度最快为１．６５扯ｓ；两个

光伏发电系统设计应用的工程数学模型。

对硅太阳能电池的理论数学模型简化分析，建立实用的硅太阳能电池工程仿真模型．可以方便地对光伏发电系统进行研究设计。

首先建立光伏电池的仿真模型．图４示出光伏电池的等效电路．其１．Ｖ特性方程为：

，ｐ＝¨Ｈ呼铲„一警（３）

万方数据

２２

光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究

捕获比较单元，可以产生ＰＷＭ信号，捕获外部脉冲

表１最大功率点输出数据

Ｕ。

代３８．５

３９３８．５

信号；两个定时器模块可以产生定时中断，并且对外部脉冲信号进行计数；两个同步串行通讯接口（ＳＰＩ）和两个异步串行通讯接口（ＳＣＩ），可以实现单片机与上位机以及外部设备的通讯。

Ｕ寸、４

３ｌ３１．５３２３２３１３２．５３１．５３２．５３２２９．５ＵＡ－Ｐ羽

０．９１．３１．９１．１３．３２．１Ｏ．８２．３２．８０．４２７．９４０．９５６０．８３５．２１０２．３６８．２５２５．２７４．７５８９．６１１．８

３９４０３９．５３９４０．５４０．５

Ⅷ“赫丰ｖＤ￡ｔ圳一薹者

太阳能电池

ＭＰＰ计鲤、光伏组件输出电压调节、

ＭＣＵ电池充放电控制，过流和过压保护

３６

ＶＤ０为防Ｊ｝电流反灌二极管；￡为Ｂｕｃｋ电路的电盛，￡＝１３０斗Ｈ图７光伏充电器系统框图

ｉ

Ｉ

＾＾ｈ卫】?

－—●

▲ＭＰＰ３

—ｒ、ｉ

／ｒ＿；

在系统中，采样坼，昂以及蓄电池的电压巩和充电电流，ｂ。

在定时器模块中断服务子程序里，计算，Ｐ和坼的比值，即电导，完成ＭＰＰＴ算法的计算，找割；１。

。

７Ｉ：

、Ｉ气！

：

、；＋ＩＩ时■！

ｒ．一：

！

、、：

：

ＭＰＨ２’■：

一、＋１２时★１３时１ｆｌ到ＭＰＰ所对应的Ｕ二由于光伏电池外部环境的变化相对比较缓慢。

因此ＭＰＰ的变化也不会太快，所以定时器中断的周期为２６．２ｍｓ；利用单片机捕获比较单元的定时器中断，完成由酢与玩构成的电压环计Ｕｐ／Ｖ图９实际测得的最大功率点及附近点的Ｐ－Ｖ曲线算，得到Ｄ，通过ＰＷＭ模块输出，再经过隔离的驱动电路去驱动开关ｖｏ，并且根据仉和厶防止蓄电池６结束语针对光伏电池的特点．建立光伏电池和电导增量最大功率点跟踪控制算法的仿真模型。

通过仿真和实验验证了光伏转换系统中最太功率点跟踪控制器的可行性。

利用所提出方法可保证输出功率快速跟踪光伏电池的最大功率点．基本消除了稳态工作时输出功率振荡现象。

具有较高的控制精度和实用性。

参考文献【１】ＶＳａｌａｓ，Ｅ的过充和过放。

捕获比较单元定时器中断的频率为５０ｋＨｚ。

功率管的开关频率为１００ｋＨｚ。

５实验结果及分析实验采用ＩＮＣ法进行ＭＰＰＴ。

圉８示出起动及稳定工作时的玑和Ｌ波形。

可见，在ｌｓ内系统就实现了ＭＰＰＴ，在实现ＭＰｆＴ时，阢在一段时间内是稳定的，当环境发生变化时以扰动找到ＭＰＰ。

一Ｏｌｉａｓ，ＡＢａｒｒａｄｏ，ｅｔａ１．ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＭａｘｉｍｕｍＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒＳＬａｎｄａｌｏｎｅＰｈｏｔｏｖｏｉｔａｉｅｌｌ｜．讧，Ｊ、●●ｔ●

；一～ｆ瓜＿％ＰｏｗｅｒＰｏｈａｔＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ＆ＳｏｌａｒＣ．ｅＵｓ。

２００６，９０（３）：

１５５５—１５７８．【２】欧阳名三，余世杰，沈玉粱，等．具有最大功率点跟踪功能』ｐ的户用光伏充电系统的研究叽农业工程学，２００３，６（１１）：

２７２－２７５．?

ｔ／（５００ｍｓ／ｎ）ｔ／（１００ｍｓ／／略）（ａ）起动时（ｂ）稳定工作时【３】卢琳，殳国华，张仕文：

基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统研究叨．电力电子技术，２００６，４１（２）：

９６—９８．【４】ＮｉｃｏｌａＦｅｍｉａ，Ｇｉｏｖａｎｎｉ图８ＩＮＣ法起动时和稳定工作时实验波形Ｐｅｔｒｏｎｅ，ＧｉｏｖａｎｎｉＳｐａｇｎｕｏｌｏ，ｅｔａ１．表１示出一组ＭＰＰ的数据。

虽然温度变化不大．但日照变化剧烈。

由表可见，光伏电池的玩和ＭＰＰ所对应的电压变化不大，但ＭＰＰ电流和输出功ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｅｒｔｕｒｂａｎｄｏｂ÷邑吖ｅＭａｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｍｃｋｉｌｌｇＭｅｔｈｏｄ０］．ＩＥＥＥＴｒａｍ，ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，２０（４）：

９６３－９７３，【５】５ＪａｅＨｏＬｅｅ，ＨｙｕｎＳｕＢａｅ，ＢｅＨｙｕｎｇＣｈｏ．ＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｅｒｅｍｅｎ－ｔａｌ率变化较大。

为验证算法计算所找到的ＭＰＰ，使光伏电池在ＭＰＰ附近的电压下工作，需测取电压、电流和功率。

图９示出１１时，１２时，１３时３个不同时ＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭＰＰＴＡｌｇｏｒｌｔｈｍｗｉｔｈａＶａｒｉａｂｌｅＳｔｅｐＳｉｚ《Ａ］．ＥＰＥ－ＰＥＭＣＩＣ］．Ｐｏｒｔｏｍ２，Ｓｌｏｖｅｎｉａ，２００６，６０３－６０７．【６】ＢａｎｇｙｉｎＢａｓｅｄＬｉｕ，ＳｈａｎｘａＤｕａｎ，ＦｅｉＬｉｕ．ｅｔａ１．ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＩｍ－Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ刻在ＭＰＰ附近测得的数据。

由图可知，ＭＰＰＴ算法找到的ＭＰＰ在同一环境条件下的功率确实是最大的，从而验证了ＭＰＰＴ算法的正确性。

ｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｎｏｆＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅＡｍｙ［Ａ］．ＰＥＤＳ２００７［Ｃ］．２００７：

６３７—６４１．万方数据1