光伏電池最大功率跟蹤算法的研究

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境里，通過改變光伏陣列所帶的等效負載，調節光伏陣列的工作點，使光伏陣列工作在輸出功率最大點。

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追隨環境的變化，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，使光伏電池陣列穩定在最大功率點的鄰域內，而不是圍繞著最大功率點前后波動。當外界環境發生變化時，從一個穩態過渡到另外一個穩態時，電導增量法根據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誤判斷。

圖3 電導增量法的控制流程圖

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。

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，實現光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠實現最大功率跟蹤的理論依據。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Boost電路的占空比來實現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，工作在恒壓源區和恒流源區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。在恒流源區內，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區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

根據相同工作電壓變化量在恒壓源區和恒流源區的不同影響效果，對兩個區內電壓變化的步長作適當調整，提高最大功率跟蹤的效率。經過測試，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，所以恒流源區與恒壓源區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。