太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)分析

摘 要：本文對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行研究。總結(jié)了太陽(yáng)能最大功率控制技術(shù)的研究概況。基于恒定電壓控制原理和脈寬調(diào)制控制原理，結(jié)合MATLAB軟件對(duì)兩種控制策略進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法都能較好的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率跟蹤；脈寬調(diào)制法；恒定電壓法

引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將自然界中的太陽(yáng)能通過(guò)一些特殊半導(dǎo)體材料的光伏特性，轉(zhuǎn)變成為可以被人類(lèi)利用的電能的裝置。對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其輸出的功率特性隨外界的氣溫，光照強(qiáng)度等自然條件的影響較多。在系統(tǒng)環(huán)境所處自然條件變化時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性也隨著外界環(huán)境的變化而變化。主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的最大輸出功率和最佳工作點(diǎn)等變化明顯。因此在工程上，光伏系統(tǒng)的高效應(yīng)用的方法一直是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的研究對(duì)于太陽(yáng)能的高效利用具有重要意義。

理論上講，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)是可以根據(jù)其規(guī)律然后通過(guò)某些控制策略來(lái)使其穩(wěn)定已達(dá)到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)充分利用的目的的。過(guò)去，光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法主要是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的恒壓跟蹤，然而這并非是真正的最大功率的跟蹤。本文將基于恒定電壓法和脈寬調(diào)制控制法，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略研究

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列的串并聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載固定時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的光伏發(fā)電陣列，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的最佳匹配。其原理是，系統(tǒng)的輸出阻抗隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度等改變，而太陽(yáng)光照強(qiáng)度越大其輸出阻抗越小。研究發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電故系統(tǒng)的輸出功率最大時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)部串并聯(lián)數(shù)只取決于太陽(yáng)光照強(qiáng)度。太陽(yáng)光照強(qiáng)度較大時(shí)的串聯(lián)數(shù)較多并聯(lián)數(shù)較少；太陽(yáng)光照強(qiáng)度較小時(shí)系統(tǒng)串聯(lián)數(shù)較少并聯(lián)數(shù)較多。

因此，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列設(shè)計(jì)中，首先，數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)采用低功能耗的。其次，選擇的太陽(yáng)能發(fā)電板和蓄電池應(yīng)是經(jīng)濟(jì)、可靠性的。既要防止太陽(yáng)能發(fā)電板在陰雨期容量不夠，達(dá)不到測(cè)量目的，又要避免容量過(guò)大，造成浪費(fèi)。

1.2 恒定電壓跟蹤控制

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列具有如圖1所示的伏安特性，在日照強(qiáng)度變化時(shí)，伏安特性與系統(tǒng)電路的負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)即為系統(tǒng)當(dāng)前的工作點(diǎn)。可見(jiàn)這些工作點(diǎn)不能保證系統(tǒng)以最大功率工作，因此此時(shí)的系統(tǒng)不能充分利用當(dāng)前光照下的所有能量，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和控制。現(xiàn)在將不同日照強(qiáng)度下，系統(tǒng)能夠提供的最大功率點(diǎn)連成曲線，就構(gòu)成了一天最大功率點(diǎn)軌線，如果能夠控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的工作點(diǎn)總是在最大功率點(diǎn)曲線附近，就達(dá)到了系統(tǒng)的最大功率控制效果。從電路的理論上講，實(shí)現(xiàn)這樣的目的需要通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換器改變系統(tǒng)的阻抗，就是說(shuō)要把工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到最大功率曲線上。研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度一定的情況下，最大功率曲線的末端會(huì)形成一條垂直線，因此在實(shí)現(xiàn)控制時(shí)只需要保持系統(tǒng)輸出端電壓為常數(shù)，而且同時(shí)等于相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)電壓即可。這樣，通過(guò)控制方法就能就保證系統(tǒng)在該一溫度下的最大功率。

恒定電壓控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，在恒壓控制的應(yīng)用中，控制電路以太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作電壓為一個(gè)負(fù)反饋，對(duì)系統(tǒng)的工作點(diǎn)電壓的進(jìn)行控制。，最大功率控制的實(shí)質(zhì)是在恒定電壓的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)的改變太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)電壓，使得工作點(diǎn)電壓始終等于最大功率點(diǎn)處的電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。它的內(nèi)環(huán)就是CVT，其控制框圖如圖3所示。通過(guò)進(jìn)一步的仿真我們得到，該方法對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)控制具有良好的跟蹤效果。

1.3 脈寬調(diào)制法

脈寬調(diào)制法的控制原理是，通過(guò)利用DC/DC變換器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行孔子。開(kāi)關(guān)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，變化器通過(guò)控制系統(tǒng)信號(hào)，把陣列的直流輸出變換成一個(gè)有可變占空比的方波信號(hào)，從而改變了系統(tǒng)的等效負(fù)載。在實(shí)踐中，一般采用脈寬調(diào)制對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它與太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)板串聯(lián)，通過(guò)改變PWM波的占空比，控制系統(tǒng)電壓達(dá)到最大功率跟蹤的目的。DC/DC變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比控制功率的輸出。在Boost變換器的電路中串入最大功率控制控制系統(tǒng)，利用Matlab搭建仿真模型，編寫(xiě)S函數(shù)作為最大功率控制的控制模塊，對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。

選擇短路電流3.2A、開(kāi)路電壓22V、最大功率點(diǎn)電流2.94A和最大功率點(diǎn)電壓17V的光伏電池模塊組成17益1的光伏電池陣列進(jìn)行仿真，即其短路電流和光伏電池陣列的開(kāi)路電壓分別為3.2V和374V，光伏電池陣列最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓分別為2.94A和289V。光伏陣列輸入太陽(yáng)光照強(qiáng)度為1000W/m2，溫度為25益。對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基于脈寬調(diào)制法控制的光伏電池輸出功率范圍很大，輸出功率比較穩(wěn)定，跟蹤速度也比較快，提高了最大功率跟蹤的效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)是可以根據(jù)其規(guī)律然后通過(guò)某些控制策略來(lái)使其穩(wěn)定已達(dá)到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)充分利用的目的的。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟(jì)。本文基于恒定電壓法和脈寬調(diào)制控制法，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行研究。首先對(duì)太陽(yáng)能最大功率控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究概況進(jìn)行總結(jié)。隨后基于恒定電壓控制原理和脈寬調(diào)制控制原理，基于MATLAB軟件對(duì)兩種控制策略進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法都能較好的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制。特別是脈寬調(diào)制法輸出功率范圍很大，輸出功率比較穩(wěn)定，跟蹤速度也比較快，提高了最大功率跟蹤的控制效率。本文的研究對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制的工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王東翔.TDB-100硅太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真及P-V特性研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1994（3）：268-273.

[2]趙劍飛.太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)車(chē)最大功率點(diǎn)跟蹤器的設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003（5）：737-741.

[3]王新梅，肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼原理與方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[4]袁東風(fēng)，張海剛.LDPC碼理論與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.