光伏电池最大功率跟踪点的研究

光伏电池最大功率跟踪点的研究

刘顺炮 1 郑建勇 1 张先飞1 梅军1 顾东亮2

1)东南大学电气工程系, 南京 210096 2 )中国电子科技集团公司28所,南京 210007）

1)Email:liushunpao@2)Email:gudongliang@

摘 要 针对光伏电池的等效电路及伏安特性的特点，通过简化和等效构造了适合于数字仿真的光伏电池模块，通过深入理论的具体分析，得出实现光伏电池输出功率最大化的理论基础，采用了基于BOOST电路的最大功率跟踪器的主电路拓扑和基于导纳增量的可变占空比增量的跟踪控制算法，最后通过仿真验证了该跟踪控制器主电路的合理性及跟踪算法具有快速响应的优越性。

关键词 光伏发电；最大功率点跟踪。

1引言

光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越受到关注，在未来的供电系统中将占有重要的地位，而光伏发电的根本原理是先由一种光伏电池吸收光能如自然界的太阳光转化为电能，该电能再经过各种电力电子变换器的电能储存、电能质量的改善从而实现电能的实际应用.其中光伏电池

是作为光伏发电系统中功率输出的源头，但由于其物理特性以及制造工艺的影响造成了其转换效率低且价格昂贵，根据光伏电池的物理特性可以得知它的输出特性呈非线性且受外界环境影响大，如温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化，这些特性直接影响了光伏电池的最大功率的输出，所以充分利用光伏电池所转换的能量是光伏发电系统的一个关键的技术要求，而要解决这个问题可在光伏电池与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏电池始终能够工作在最大功率点，以便最优化地利用太阳能，为此提出各种最大功率跟踪算法[1][2][3]，1)功率匹配（Power-matching scheme）；2）曲线拟合技术（curve-fitting technique）3）扰动和观察

（perturb-and-observe method）；4）导纳增量法（incremental conductance algorithm）。本文在分析这些方法的优劣的基础上，以最大功率跟踪为一要优化函数，该优化函数是一个以精度、响应速度、可靠性等为自变量的函数，通过对这几个自变量的权衡和优化实现了一种可靠的、实用的、精度和响应速度相匹

图1 光伏电池的等效电路

配的控制算法。

2 光伏电池的等效电路及输出特性

根据光伏电池的具体的物理结构和电气表现特性可以得出光伏电池的等效电路如图1，从图1光伏电池的等效电路可以进一步得出

光伏电池的输出特性的方程[4]如下：

()s LG OS s

sh

V+I

q

-exp V+I-1-

AkT

R

I=I I R

R

⎧⎫

⎡⎤

⎨⎬

⎢⎥

⎣⎦

⎩⎭

（1）其中：I、V分别为光伏电池单元的输出电流、电压, r

T=301.18K-参考温度

λ-日照强度（W/㎡）；T-电池单元温度（工作温度）, s

R--串联等效电阻；

sh

R-并联等效电阻,SCR

I为25℃ 、1000W/㎡下的

01

2

3

I/A U/V

图2 常温下不同日照的伏安特性

1

23

I/A U/V

图3 参考日照不同温度下的伏安特性

短路电流；

I K =0.0017A/℃-SCR I 下的短路电流温度系数,

LG I --为光照电流，具体由函数式（2）表示 ()25/100LG SCR I T I I K λ⎡⎤=+−⎣⎦ （2）

GO E 硅的带宽 ,B=A=1.92—二极管理想系数；

or I --r T 下电池单元的暗饱和电流,q—电子电

荷量1.6×10-19C

k—波耳兹曼常数1.38×10-23J/K, OS I 电池单元暗饱和电流，它具体是由函数表达式（3）来决定的。

3

GO OS or r r q T 11=exp -Bk T E I I T T ⎡⎤⎡⎤

⎛⎞⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎝⎠⎣⎦ (3) 对光伏电池的等效电路进行理论推导，并经过具体太阳能实验数据的分析，影响太阳能电池输出特性的主要因素有两个，环境温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响其短路电流[5]，如图2、3所示。

3 光伏电池数字仿真模块的建立

为了能够充分利用光伏电池的输出功率，并实现光伏发电的实用性，在搭建具体实物发电系统之前，利用目前各类软件实现对系统的器件、主电路拓扑、控制器的算法的仿真是非常必要的，通过仿真能够实现对整个系统性能指标的优化和提高，而在光伏发电系统中由于电能源伏安特性的非线性以及随着日照强

度、环境温度的改变而变化，与传统的电能源伏安特性大大不同，所以，有必要对光伏电池的模块进行理论的分析和简化，从而构建工程化的仿真模块，经过理论的分析和实际的使用，并根据数字仿真软件特有的模块对光伏等效电路作出了以下的简化和等效[5][6][7]

：

1)光照电流LG I 用一个受控电流源等效，控制端的参

数有日照强度、环境温度，从而体现了光伏电池伏安

特性随日照强度、环境温度的改变而变化。

2)等效的二极管用一个受控电流源等效，控制端的参数主要是输出电压、光伏电池串联电阻两端的电压。 3)由于并联等效电阻sh R 很大，所以，流过其中的电流很小可以忽略不计，所以可以断开忽略。 4)由于串联等效电阻s R 经过理论的分析，

其值受环境温度的影响，所以表现为正温度系数的电阻函数形式，

可以用一个受控电压源等效，控制参数为输出电流，并通过一个表现为受温度变化的修正参数来进行等效。

经过以上的简化和等效，光伏电池的仿真模块构成如下图4，其中α、β主要依据光伏电池的输出特性方程进行数学上的简化和等效，并根据具体的仿真软件的特性得出的，对该仿真模块进行数字软件平台上搭

建并进行仿真得出了图5、图6的I-V特性，P-V特性，从仿真图可以看出该仿真模块能够较准确的反映实际

的光伏电池的工作特性，所以，该模块可以用于以后控制算法提供光伏电能源。

图4 仿真模块示意图

图5 仿真模块的I-V特性