光伏电池阵列最大功率点跟踪变步长电导增量算法

引言

目前，资源的短缺以及生态环境的破坏已经成为日趋严重的全球性问题。因此，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。而太阳能光伏发电具有安全可靠无污染，使用寿命长，维护简单等优点，受到世界各国的普遍关注，具有广阔的发展前景。但是，当前太阳能光伏发电的发展受到两方面的制约：首先其初期的投资成本较高，其次太阳能电池的光电转换效率较低。因此光伏电池发电的最大功率点的跟踪显得尤为重要，成为当前研究热点。

1 太阳能电池阵列的发电原理及特性分析 1．1 光伏电池发电原理

太阳能电池主要由半导体硅制成。半导体在光照条件下吸收光能，激发出电子和空穴（正电荷），从而半导体中有电流流过，即“光生伏特效应”。光伏电池的等效电路如图1所示。其中，Ig表示太阳能光伏电池所产生的电流；D表示PN结二极管；Rsh及Rs分别表示材料内部的等效并联及串联电阻；Ro为外接负载。

1．2 输出特性曲线

光伏电池的I-U特性或P-U特性是指在某一确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间的关系及输出功率和输出电压之间的关系。如图2所示。

从上图可以看出，太阳能电池是一个既非电压源也非电流源的非线性直流电源，特性具有强烈的非线性。光伏电池在低压段近似为恒流源，在接近开路电压时近似为恒压源，输出功率在某一点达到最大值，该点即为光伏电池的最大功率点（MPP）。

2 传统的电导增量法

目前，常用的最大功率跟踪方法有恒定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法。其中，电导增量法的跟踪准确性最高，在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能，因此被广泛采用。电导增量法是通过比较光伏电池阵列中瞬时导抗与导抗变化量来完成最大功率点的跟踪，如图3所示。

由P-U特性曲线可知，在最大功率点处斜率为0，即：

由式（3）可知：当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，电池阵列工作于最大功率点。

3 改进型电导增量法

在传统电导增量法中，假设补偿因子为△u，则△u的取值与能否很好实现最大功率跟踪关系紧密。若△u设置太大，导致跟踪精度不够，太阳能电池工作点虽然能够在最大功率点附近，却无法对最大功率点进行准确锁定；反之若△u取值太小，虽然提高了跟踪精度，但是跟踪速度却很慢，系统将损失较多能量。因此本文在此基础上提出电导增量法的改进算法。

3．1 步长因子△u的选取

由光伏电池阵列的输出特性曲线可知，在MPP处：

dP／dU=I+UdI／dU=0

dI／dU=-I／U即dU／dI=-U／I

令：

dU／dI=rs且U／I=r

则：

r／rs=-1即1+r／rs=0

这里设M=1十r／rs

因此可以直接把M作为步长因子，那么该算法可以直接表示为：

rref（k+1）=rref（k）+M

3．2 算法的具体实现

经过测试，通常使用的光伏电池的最大功率点电压一般为其开路电压的0．75～0．85倍，所以最小步长值取±0．5，最大步长值取±3，如图4所示。

该算法的具体流程图如图5所示。

4 仿真与分析

为了验证该算法，在Matlab／Simulink中建立基于Boost升压电路的控制器，对光伏电池阵列进行最大功率点的跟踪，如图6所示。

利用光伏电池阵列的通用仿真模型，在标准测试条件（S=1 000 W／m2，T=25℃）下，最大功率点的电压及功率跟踪如图7所示。

在突然增大光强的条件下，光伏电池阵列的输出功率变化如图8所示。

5 结语

这里在传统电导增量法的基础上进行改进，提出变步长的改进型电导增量法，提出了步长因子△u的具体设置方案，对光伏电池阵列进行最大功率点的跟踪。利用Matlab／Simulink仿真工具中SimPowerSystems功能模块，对太阳能电池及其最大功率点的跟踪进行了有效仿真。