太阳能最大功率跟踪技术研究

陈小军（审协江苏中心,江苏苏州215000）

太阳能最大功率跟踪技术研究

陈小军
（审协江苏中心,江苏苏州215000）

摘要：第三次工业革命是以能源结构变革为基础的互联网能源的体系建设，随着环境压力的逐渐加大，以传统化石燃料为核心的能源利用将会逐渐被可再生能源取代，19世纪中期，太阳能电池板的诞生，揭开了开发太阳能的新时代。

关键词：功率;太阳能;跟踪技术

目前，人类对于太阳能利用有4中方式，即光热利用、太阳能发电、光化利用和光生物利用。光热利用的基本原理就是利用太阳能收集装置将辐射热收集起来转换成热能加以利用。

光化利用是利用太阳的热辐射能来光解水制氢的太阳能-化学能转换的方式。光生物利用是植物借助太阳光进行光合作用，将太阳能转换成生物质的形式。太阳能发电主要是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换成电能的形式，是最具大规模利用的方式。然而无论是多晶硅还是单晶硅太阳能电池的发电效率较低，成为阻碍太阳能电池普及的最主要原因，而最大功率跟踪技术是提高电池板发电效率的基本途径之一。本文首先浅析了太阳能电池模型基础理论便于读者了解后续的最大功率跟踪技术，并分析了几种最大功率跟踪算法各自的特点，提出了对于跟踪技术算法的改进措施。

1太阳能电池模型理论

许多专家将太阳电池看作是一个大型的平面二极管，在阳光下产生伏特效应，出现直流电，借助逆变器并网成为我们经常使用的交流电。本文采用等效电路模型来具体说明太阳能电池能量转换的过程。

图1太阳能电池的理想等效电路

图1中IL是入射光产生的恒定电流，是由太阳辐射所激发的过量载流子形成的；ID是二极管的饱和电流，RL是电路负荷。这种等效电路的I-V特性为：

其中q为电子电荷量，k为波尔兹曼常数；T是绝对温度，Is是相对饱和电流。由此计算得出：

其中A是p-n结的面积；Nc、Nv分别是导带和价带的有效态浓度；NA、ND是受主杂质和施主杂志的浓度；Dn、Dp分别为电子和阳离子空穴的扩散系数；τn、τp分别是电子和阳离子空穴的活化因子寿命；Eg是半导体材料的禁带宽度。有以上两个推导公式可以画出太阳能电池的明段I-V特性曲线，具体见图2。

图2太阳能电池伏特-安培曲线

由此导出了太阳能等效二极管电路的功率公式，找到了影响太阳能电池功率输出的关键性因素，进而为采取最大功率跟踪技术奠定了基础理论基础。

2最大功率跟踪算法的特点

通过一定的技术手段使得太阳能电池的输出功率可以满足负载的变化，进而保障了太阳辐射能的最大化利用，形成了最大功率点技术。目前最大功率跟踪算法主要有，固定电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法和智能跟踪法。

2.1固定电压跟踪法

图3不同日照强度下最大功率点的变化情况

I-V曲线可以看出，当太阳辐射强度较高时，不同I-V曲线的最大功率点Pm几乎可以用一条直线来连接，并分布在垂直线的两侧，这就在一定程度上反应了电池功率计算列阵大致对应于某个固定的电压值，利用这个特性，大大优化了系统最大功率跟踪的控制设计。采用固定电压跟踪法与不带有固定电压跟踪法的直接耦合的工作运营效率要高一些，对于一般光伏系统有可能增加20%的电能输出。但是这种跟踪方式忽略了温度对矩阵开路电压的影响，以单晶硅太阳能电池为例，假如外部环境升高1℃，那么开路电压就会相应减少0.6%。这样就大大限制了使用时间。目前对于这一问题，可以采用手工调节的方式，即通过电位器手动依照不同季节校正的系数因子，计算得出不同的Vm，虽然这种方式比较麻烦。固定电压跟踪法的优点包括：整个电路控制简单，比较容易实现，可靠性比较高；排除了系统震荡的干扰，表现出良好的稳定性与数据可重复性好；有利于借助各种硬件设备来实现控制。然而也表现出一定的不足，具体分为两方面：一方面是控制精度较差，特别是对于温度变化时，控制波动会很大；另一方面，难与应对自然恶劣条件的影响。

2.2扰动观察法

图4扰动观察法实现MPPT的过程

借助导数为0时出现函数极值的方法来实现最大功率点的跟踪，由于其是直接的采取控制，就现阶段而言，在实际系统中得到了广泛的应用。在实施过程中依据图4所显示的规律不断的给矩阵输出电压的脉宽以增加（±ΔU）。设测得矩阵当前输出功率为Pd，被存贮的前一时刻的记忆功率为Pi，如果想通过乘法器测有：Pd＞Pi，则取U=U+ΔU后重新测定，再比、继续修改脉宽；乘法器测有：Pd＜Pi，则取U=U﹣ΔU后重新测定，再比、继续修改脉宽。如此循环下去可以时时搜索到矩阵的最大输出功率点并动态的保持它。在进行寻优搜索的程序过程中引入一个参考电压Uref，是为了让Ud不断的跟踪它，通过对寻优结果不断更新Uref，使得它越来越接近矩阵最大功率点的电压Um，Ujj为前两次矩阵电压的采样结果。由于矩阵特性的I=f（U）关系是一个单值函数，因此只要保持矩阵的输出电压在任何太阳辐射强度下及不同温度下，都能够实时的维持与此环境下对应的Um值，就一定可以保证矩阵在任何瞬间都输出其最大功率。优点：简单、易操纵，跟踪较准确；不足之处，只能限定在Um附近震荡运行，造成跟踪步长，容易导致部分功率损失。从小步长来对太阳能电池的输出电压进行微调，通过检测输出功率的变化来确定下一步的控制方向是扰动观察法的精髓所在。

2.3电导增量法

通过对太阳能电池的P-V曲线进行建模，得出相关程度较高的函数关系，建立函数方程，有数学导数理论知识可知，太阳能电池最大输出功率点处对应的斜率为0。根据功率与电压、电流的公式，在满足太阳能电池达到最大功率点的条件必然会使得，输出功率特性斜率与太阳能输出的电导互为相反数的时，此时对应的功率点即为该太阳能电池最大输出功率点。根据P-U曲线又分为单峰值跟踪和多峰值跟踪。算法中通过电流对电压求导，并将太阳能电池的瞬间电导值与函数求导值进行数据比较，进而确定下一次的变动，一旦满足输出功率特性斜率与太阳能输出的电导互为相反数的时，立刻需要停止扰动。电导增量法虽然借助了数学函数相关的应用和概念，对于太阳能输出的最大功率点进行较为科学的计算，然而，此法在对单峰值跟踪时，表现出较高的测量准确性，简单易操作，然而对于建立模型函数的多峰值跟踪，只能从一个大体范围来计算并得出太阳能电池的最大输出功率点值所在的数据区间，而此时将大大增加控制算法的工作量，计算体系较为复杂，跟踪到最大功率点的周期将要延长，这样就大大降低了跟踪技术的跟踪效率。

2.4智能算法

智能算法是基于以模糊和神经网络理论的高效数据分析、计算方法。模糊计算是基于模糊逻辑和模糊理论体系的控制算法。所谓模糊控制，实际上是一种非线性的数据控制，它是智能算法的主要组成之一，为此本文重点分析模糊控制对于太阳能电池最大功率点的跟踪技术特点。首先谈谈模糊控制的历史发展，便于更好的理解此法控制Um的基本思路和原理。模糊控制最大的特点就是拥有大量的实际应用案例和背景。在近二十年，模糊控制无论从理论体系的完备还是控制太阳能电池技术上，都取得了巨大的进步，成为智能控制领域一个及其重要的分支。根据模拟控制的基本原理，对于变量x（设为太阳能电池的电流值或电压值均可），将功率转换比设为D，将变量x定义成模糊控制算法的函数变量，以功率建立关于x的函数，通过不断的重复性运算，扩大限制条件的搜索范围，保证结果的科学性和准确性。如果有，f﹛Xi1﹜＜f﹛Xi2﹜，将计算搜索范围右移；如果f﹛Xi1﹜＞f﹛Xi2﹜，将计算搜索范围左移，这样后续过程与扰动观察法的步骤相近，通过缩小搜索范围的形式，逐渐将太阳能电池最大功率点跟踪出来，确定其具体值。这种算法的优点是函数简单，使用范围广、搜索范围宽、处理运算效率高，相对于其他方法是比较好的选择。

3跟踪算法的具体该改进措施

通过对不同最大功率跟踪技术进行对比分析，可以发现，单个使用跟踪算法均存在各自的缺陷，为了增加搜索、确定最大功率点的高效性和精确性，必须要通过结合至少两种的方法来复合成一种“新型的”、全面的MPPT方法，互相弥补各自的不足，这样就能解决现实检测的问题，为提高太阳能的最大输出功率奠定理论基础。在针对太阳辐射强度和矩阵温度时，使用电导增加法与模糊控制相结合；针对大气环境的适度，可将固定电压法与扰动观察法相结合，实现优势互补。

4结论

太阳能电池是一种典型的非线性半导体有源器件，其最大功率的输出特性是以太阳光下为参数的具有垂直特性的曲线族。通过对跟踪技术及其算法的优缺点对比，本文提出了多种算法根据具体情况相结合，通过各个技术的优势互补，提高最大功率和发电效率。

参考文献：

[1]金薇。太阳能电池最大功率点跟踪技术研究[J].电子科技,2015(3).

[2]曲洪达。光伏发电并网效率提升的关键技术研究现状[J].华北电力技术,2014(1).

[3]候聪玲。太阳能最大功率跟踪技术研究[J].现代商贸工业，2014(3).

作者简介:陈小军(1985-)，男，江苏姜堰人，本科，专利审查员，研究实习员。