Research on Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic System
WANG Fei, YU Shi－jie, SU Jian－hui, SHEN Yu－ liang
(Energy Institute of Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009 China)
Abstract:The maximum power point tracking(MPPT) is an important part of the research on photovoltaic power generation.The two kinds of methods of MPPT and comparison between the two kinds of methods are puted forward. The experiments prove the validity of the mothed of MPPT.
Keywords:maximum power point tracking(MPPT); constant voltage tracking(CVT); photovoltaic system
0 引 言
太 阳 能 作 为 绿 色 能 源 ， 具 有 无 污 染 ， 无 噪 音 ， 取 之 不 尽 ， 用 之 不 竭 等 优 点 ， 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 。 由 于 光 伏 系 统 目 前 的 主 要 问 题 是 电 池 的 转 换 效 率 低 且 价 格 昂 贵 ， 因 此 ， 如 何 进 一 步 提 高 太 阳 电 池 的 转 换 效 率 ， 如 何 充 分 利 用 光 伏 阵 列 所 转 换 的 能 量 ， 一 直 是 光 伏 系 统 研 究 的 重 要 方 向 。
1 太 阳 电 池 的 特 性
太 阳 电 池 的 p－ u 特 性 如 图 1 所 示 ， 图 1( a ) 为 温 度 变 化 时 的 p－ u 特 性 曲 线 ， 图 1( b ) 是 日 照 强 度 变 化 时 的 p－ u 特 性 曲 线 。 太 阳 电 池 具 有 明 显 的 非 线 性 ， 既 包 含 了 电 压 源 的 特 性 ， 也 包 含 了 电 流 源 的 特 性 。
太 阳 电 池 的 输 出 受 日 照 强 度 ， 电 池 结 温 等 因 素 的 影 响 。 当 结 温 增 加 时 ， 太 阳 电 池 的 开 路 电 压 下 降 ， 短 路 电 流 稍 有 增 加 ， 最 大 输 出 功 率 减 小 ； 当 日 照 强 度 增 加 时 ， 太 阳 电 池 的 开 路 电 压 变 化 不 大 ， 短 路 电 流 增 加 ， 最 大 输 出 功 率 增 加 。 在 一 定 的 温 度 和 日 照 强 度 下 ， 太 阳 电 池 具 有 唯 一 的 最 大 功 率 点 ， 当 太 阳 电 池 工 作 在 该 点 时 ， 能 输 出 当 前 温 度 和 日 照 条 件 下 的 最 大 功 率 。
2 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 跟 踪
在 光 伏 系 统 中 ， 通 常 要 求 太 阳 电 池 的 输 出 功 率 始 终 最 大 ， 即 系 统 要 能 跟 踪 太 阳 电 池 输 出 的 最 大 功 率 点 。 太 阳 电 池 的 伏 安 特 性 如 图 2 所 示 ， 图 中 L是 负 载 特 性 曲 线 ， 交 点 a， b， c， d， e对 应 于 不 同 的 工 作 点 。 可 以 看 出 ， 这 些 工 作 点 并 不 正 好 落 在 电 池 提 供 的 最 大 功 率 点 
处 ， 这 就 不 能 充 分 利 用 在 当 前 条 件 下 电 池 所 能 提 供 的 最 大 功 率 。 因 此 ， 必 须 在 太 阳 电 池 和 负 载 之 间 加 入 阻 抗 变 换 器 ， 使 得 变 换 后 的 工 作 点 正 好 和 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 点 重 合 ， 使 太 阳 电 池 以 最 大 功 率 输 出 ， 这 就 是 所 谓 的 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 跟 踪 。
2．1 CVT方 式 的 MPPT
从 图 2 中 可 以 看 出 ， 当 温 度 一 定 时 ， 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 点 几 乎 落 在 同 一 根 垂 直 线 的 两 侧 邻 近 ， 这 就 有 可 能 把 最 大 功 率 点 的 轨 迹 线 近 似 地 看 成 电 压 U=const的 一 根 垂 直 线 ， 亦 即 只 要 保 持 太 阳 电 池 的 输 出 端 电 压 为 常 数 且 等 于 某 一 日 照 强 度 下 相 应 于 最 大 功 率 点 的 电 压 ， 就 可 以 大 致 保 证 在 该 一 温 度 下 太 阳 电 池 输 出 最 大 功 率 。 把 最 大 功 率 点 跟 踪 简 化 为 恒 电 压 跟 踪 (CVT)， 这 就 是 CVT控 制 的 理 论 依 据 。 实 现 CVT的 原 理 如 图 3 所 示 。 图 中 Usp＊ 是 给 定 工 作 点 电 压 ,对 应 于 某 一 温 度 下 的 最 大 功 率 点 ； Usp是 太 阳 电 池 的 实 际 输 出 电 压 。 给 定 电 压 和 实 际 电 压 比 较 后 经 过 PI调 节 ， 调 节 结 果 与 三 角 波 比 较 得 到 PWM脉 冲 ， 驱 动 功 率 器 件 ， 从 而 调 节 太 阳 电 池 的 负 载 阻 抗 。 不 同 的 PWM脉 宽 对 应 不 同 的 负 载 阻 抗 。
CVT方 式 具 有 控 制 简 单 ， 可 靠 性 高 ， 稳 定 性 好 ， 易 于 实 现 等 优 点 ， 比 一 般 光 伏 系 统 可 望 多 获 得 20％ 的 电 能 ， 较 之 不 带 CVT的 直 接 耦 合 要 有 利 得 多 。 但 是 ， 这 种 跟 踪 方 式 忽 略 了 温 度 对 太 阳 电 池 开 路 电 压 的 影 响 。 以 单 晶 硅 太 阳 电 池 为 例 ， 当 环 境 温 度 每 升 高 1℃ 时 ， 其 开 路 电 压 下 降 率 为 0.35％ ～ 0.45％ 。 这 表 明 太 阳 电 池 最 大 功 率 点 对 应 的 电 压 也 随 环 境 温 度 的 变 化 而 变 化 。 对 于 四 季 温 差 或 日 温 差 比 较 大 的 地 区 ,CVT方 式 并 不 能 在 所 有 的 温 度 环 境 下 完 全 地 跟 踪 最 大 功 率 。
2．2 True MPPT(TMPPT)
鉴 于 CVT方 式 的 局 限 性 ， 它 只 能 是 一 定 温 度 条 件 下 的 最 大 功 率 跟 踪 ， 在 不 同 温 度 条 件 下 仍 有 功 率 损 失 。 真 正 的 MPPT是 指 系 统 在 任 何 温 度 和 日 照 条 件 下 都 能 跟 踪 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 。 目 前 ， 最 常 用 的 控 制 方 法 主 要 是 扰 动 观 察 法 和 电 导 增 量 法 。
扰 动 观 察 法 由 于 实 现 简 单 ， 是 最 常 用 的 方 法 。 它 通 过 对 太 阳 电 池 输 出 电 压 、 电 流 的 检 测 ， 得 到 电 池 当 前 的 输 出 功 率 ， 再 将 它 与 前 一 时 刻 的 记 忆 功 率 相 比 较 ， 从 而 确 定 给 定 参 考 电 压 调 整 的 方 向 。 若 Δ p >0， 说 明 参 考 电 压 调 整 的 方 向 正 确 ， 可 以 继 续 按 原 来 的 方 向 调 整 ； 若 Δ p< 0， 说 明 参 考 电 压 调 整 的 方 向 错 误 ， 需 要 改 变 调 整 的 方 向 。 当 给 定 参 考 电 压 增 大 时 ， 若 输 出 功 率 也 增 大 ， 则 工 作 点 位 于 图 4 中 最 大 功 率 点 pmax左 侧 ， 需 继 续 增 大 参 考 电 压 ； 若 输 出 功 率 减 小 ， 则 工 作 点 位 于 最 大 功 率 点 pmax右 侧 ， 需 要 减 小 参 考 电 压 。 当 给 定 参 考 电 压 减 小 时 ， 若 输 出 功 率 也 减 小 ， 则 工 作 点 位 于 pmax的 左 侧 ， 需 增 大 参 考 电 压 ； 若 输 出 功 率 增 大 ， 则 工 作 点 位 于 pmax的 右 侧 ， 需 继 续 减 小 参 考 电 压 。
给 定 参 考 电 压 变 化 的 过 程 实 际 上 是 一 个 功 率 寻 优 的 过 程 。 由 于 在 寻 优 过 程 中 不 断 地 调 整 参 考 电 压 ， 因 此 ， 太 阳 电 池 的 工 作 点 始 终 在 最 大 功 率 点 附 近 振 荡 ， 无 法 稳 定 工 作 在 最 大 功 率 点 上 。 同 时 ， 当 日 照 强 度 快 速 变 化 时 ， 参 考 电 压 调 整 方 向 可 能 发 生 错 误 。
电 导 增 量 法 的 原 理 是 ： 在 最 大 功 率 点 处 ， 有 dp/du=0， 即 满 足 di/du=－ i/u。 理 论 上 它 比 扰 动 观 察 法 好 ， 能 适 应 日 照 强 度 快 速 变 化 ， 但 由 于 传 感 器 的 精 密 度 等 因 素 ， 电 导 增 量 法 往 往 难 以 实 现 。
由 于 太 阳 电 池 特 性 的 i=f( u)关 系 是 一 个 单 值 函 数 ， 因 此 ， 只 要 保 证 太 阳 电 池 的 输 出 电 压 在 任 何 日 照 及 温 度 下 都 能 实 时 地 保 持 为 与 该 条 件 相 对 应 的 Um值 ， 就 一 定 可 以 保 ?电 池 在 任 何 瞬 间 都 输 出 其 最 大 功 率 。
3 PPT的 结 构
CVT控 制 结 构 如 图 5 所 示 ,它 将 太 阳 电 池 工 作 电 压 作 为 反 馈 ， 达 到 稳 定 电 池 工 作 点 电 压 的 目 的 。 图 中 i=f1(u)与 负 载 特 性 有 关 。
