一種新型光伏電池最大功率點跟蹤控制方法

太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)用于把太陽的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率低，但價格更便宜。按照應用需求，太陽能電池經過一定的組合，達到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池，叫光伏組件。根據光伏電站大小和規模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。光伏組件，采用高效率單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進的真空層壓工藝及脈沖焊接工藝制造。即使在最嚴酷的環境中也能保證長的使用壽命。組件的安裝架設十分方便。組件的背面安裝有一個防水接線盒，通過它可以十分方便地與外電路連接。對每一塊太陽電池組件，都保證20年以上的使用壽命。

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應原理工作的太陽能電池則還處于萌芽階段。太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴--電子對。在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。

1 光伏電池模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數學模型

在光照強度和環境溫度一定時，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中，UJ為PN結電壓，Id為光伏電池在無光照時的飽和電流，Id=Io{EU+IRS) nKT-1}。一個理想的太陽能電池，由于串聯電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進行理想電路的計算時，它們均可忽略不計。由圖1的太陽能光伏電池等效電路得出：I=Iph-I0[eq(U+IRS) nKT -1]- U+IR R s sh(1)式中，I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷，q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數，k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學溫度;n為N結的曲線常數;Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏電池電氣特性

光伏電池的輸出特性主要通過I-U和P-U特性曲線來加以體現，如圖2所示。

圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線與工作環境的光照、溫度等因素有著密切的關系，且具有明顯的非線性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點，所以為了實現光伏發電系統的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進行最大功率點跟蹤。

2 MPPT控制方法的對比分析

MPPT控制器的全稱最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking)太陽能控制器，是傳統太陽能充放電控制器的升級換代產品。所謂最大功率點跟蹤，即是指控制器能夠實時偵測太陽能板的發電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最高的效率對蓄電池充電。下面我們用一種機械模擬對比的方式來向大家解釋MPPT太陽能控制器的基本原理。要想給蓄電池充電，太陽板的輸出電壓必須高于電池的當前電壓，如果太陽能板的電壓低于電池的電壓，那么輸出電流就會接近0.所以，為了安全起見，太陽能板在制造出廠時，太陽能板的峰值電壓(Vpp)大約在17V左右，這是以環境溫度為25°C時的標準設定的。這樣設定的原因，(有意思的是，不同于我們普通人的主觀想象，下面的結論可能會讓我們吃驚)在于當天氣非常熱的時候，太陽能板的峰值電壓Vpp會降到15V左右，但是在寒冷的天氣里，太陽能的峰值電壓Vpp可以達到18V!

國內外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動觀測法/爬山法、電導增量法等。恒定電壓法(CVT)就是將光伏電壓固定在最大功率點附近，該控制方法簡單容易實現，初期投入少，系統工作電壓具有良好的穩定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，測量開路電壓要求光伏陣列斷開負載后再測量，對外界條件的適應性差，環境變化時不能自動跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動觀測法(PO)和爬山法(Hill Climbing)都是通過不斷擾動光伏系統的工作點來尋找最大功率點的方向，該控制方法控制思路簡單，實現較為方便，跟蹤效率高，提高太陽能的利用效率，但是擾動觀測法或爬山法的步長是固定的，如果步長過小，就會導致光伏陣列長時間地停滯在低功率輸出區，如果步長過大，就會導致系統振蕩加劇，并且在日照強度變化時會產生誤判現象。電導增量法是通過調整工作點的電壓，使之逐步接近最大功率點電壓來實現最大功率點的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點變化，控制效果好，穩定度高，但是該控制算法較復雜，對控制系統性能和傳感器精度要求較高，硬件實現難。除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現一些較新、較實用的MPPT算法，如直線近似法、三點重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎上進行了改進和創新，跟蹤精度有了進一步的提高。同時，以模糊控制法、神經網絡控制法等為代表的新算法的出現，也為最大功率點跟蹤控制技術的快速發展提供了堅實的數學基礎和理論依據。對于各種MPPT算法優缺點的比較分析如表1所示。由以上研究分析發現，每種MPPT控制方法各有其優缺點，在實際工作中需要綜合考慮，根據不同的環境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

表1 MPPT控制方法比較