光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提升方法研究

張光龍

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

大范圍的使用化石能源，給全球帶來(lái)了能源危機(jī)，也造成了難以逆轉(zhuǎn)的環(huán)境污染，而太陽(yáng)能是一種綠色無(wú)污染的可再生資源，因?yàn)樘?yáng)能有著化石能源和其他可再生資源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和研究，轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1]。

但是目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)，能源轉(zhuǎn)換效率非常低，受環(huán)境和天氣的影響大，很大程度阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及。基于以上情況，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率，本文深入研究了太陽(yáng)跟蹤技術(shù)，從策略上優(yōu)化了太陽(yáng)的追光方法，并對(duì)最大功率跟蹤算法進(jìn)行優(yōu)化，提出了基于功率預(yù)測(cè)的恒壓?jiǎn)?dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，驗(yàn)證了改進(jìn)方法對(duì)提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的有效性。

1 太陽(yáng)跟蹤及控制方法

太能板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，太陽(yáng)板與太陽(yáng)光的角度影響了太陽(yáng)的輻射度，增加輻射度是提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率的有效手段，而采用太陽(yáng)跟蹤技術(shù)可以保持垂直照射，增加輻射度，有效提升能效轉(zhuǎn)換率，解決利用率低的問(wèn)題。下面將對(duì)太陽(yáng)跟蹤及控制的方法進(jìn)行研究。

1.1 太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算

地平坐標(biāo)系是天文觀測(cè)中比較直觀的天球坐標(biāo)系，能夠通過(guò)地平方位角和地平高度角快速記錄行星位置，常用于天文測(cè)量、航海和航空定位觀測(cè)[2]。

在地平坐標(biāo)系中，要確定地球上某個(gè)位置太陽(yáng)的精確坐標(biāo)，需要通過(guò)兩個(gè)維度來(lái)確定，一個(gè)是高度角，一個(gè)方位角。對(duì)應(yīng)到光伏陣列的示例圖如下：

圖1 光伏電池的高度角和方位角

高度角α，是太陽(yáng)光線與其在地平面投影的夾角，表示太陽(yáng)高出地平面的高度。方位角用γ 表示，起點(diǎn)為正南方向，順時(shí)針向西為正，逆時(shí)針向東為負(fù)。太陽(yáng)高度角α的計(jì)算公式如下：

其中，φ 是指當(dāng)?shù)氐木暥龋?是赤緯角，ω 是時(shí)角。真太陽(yáng)時(shí)正午得時(shí)角ω=0，上式可簡(jiǎn)化為：

由三角函數(shù)公式：

得 α=90°±（φ-δ），在北半球時(shí) φ>δ 取正號(hào)。

太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式為：

根據(jù)以上公式，根據(jù)緯度、赤緯角和時(shí)角數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角數(shù)據(jù)，為太陽(yáng)跟蹤提供了可靠地?cái)?shù)學(xué)依據(jù)。

1.2 太陽(yáng)跟蹤方法

（1）視日跟蹤技術(shù)

參考太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤的方法叫做視日跟蹤，與之相關(guān)的技術(shù)叫做視日跟蹤技術(shù)。確定太陽(yáng)的位置是視日跟蹤的最關(guān)鍵的步驟，通過(guò)上文中提到的地平參考坐標(biāo)系，以及太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算方法，可以快速根據(jù)太陽(yáng)的具體位置進(jìn)行跟蹤，使太陽(yáng)能電池垂直太陽(yáng)光，提高單位面積的輻射量，從而提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

（2）光電跟蹤

光電跟蹤的原理是在太陽(yáng)能跟蹤裝置上安裝光電傳感器，光敏傳感器根據(jù)太陽(yáng)光照角度的變化，測(cè)量光強(qiáng)度的變化，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)，并傳給控制器。光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光方向是否偏離軸線，當(dāng)太陽(yáng)光發(fā)生偏離時(shí)，通過(guò)控制器分析和作差比較，發(fā)出偏差信號(hào)，輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光線方向，達(dá)到系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤效果。

1.3 太陽(yáng)跟蹤控制改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)光電跟蹤和視日跟蹤兩種模式各自存在的問(wèn)題，嘗試將兩種跟蹤方式相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，通過(guò)改進(jìn)跟蹤策略的方式進(jìn)行優(yōu)化。改進(jìn)后的復(fù)合跟蹤以光電跟蹤做為主要的跟蹤方式，視日跟蹤作為輔助的跟蹤方式，參考地理位置設(shè)定跟蹤時(shí)間，跟蹤模式根據(jù)天氣狀況通過(guò)中斷的方式自行切換。

夜晚光照強(qiáng)度降低到臨界值時(shí)，回到初始位置，停止光線追蹤，光照強(qiáng)度高于臨界值再重新啟動(dòng)跟蹤。在多云或者陰晴不定的天氣時(shí)，光線忽明忽暗，使光電傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)差值變小，如果低于預(yù)設(shè)最低差值，系統(tǒng)自動(dòng)切換跟蹤模式，改為使用視日跟蹤的控制方式執(zhí)行太陽(yáng)跟蹤，同時(shí)改變跟蹤的頻率，不需要實(shí)時(shí)變化，采用定時(shí)跟蹤的策略，每隔一定的時(shí)間向控制器發(fā)出一次脈沖信號(hào)即可，盡可能的減少步進(jìn)電機(jī)消耗的能量，當(dāng)光線強(qiáng)度恢復(fù)到預(yù)設(shè)值以上（錯(cuò)開(kāi)數(shù)值防抖）繼續(xù)進(jìn)行光電追蹤。

復(fù)合控制模式，能夠適應(yīng)更大范圍的氣候條件，積累誤差少，跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，可以全天候的進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤，避免在陰晴不定的天氣狀況給系統(tǒng)帶來(lái)的損耗，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究

2.1 最大功率跟蹤基本原理

最大功率點(diǎn)跟蹤控制是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能板的輸出電壓或電流，得到當(dāng)前的實(shí)時(shí)功率，與上一次計(jì)算獲得的功率進(jìn)行比較，參考當(dāng)前的光照和溫度條件，采用合適的算法，根據(jù)前后兩次功率的比較結(jié)果，對(duì)太陽(yáng)能電池可能的最大功率輸出位置進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。然后根據(jù)預(yù)測(cè)的最大功率，改變電路中阻抗的大小，從而調(diào)整太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)，使之保持最大功率點(diǎn)輸出，這一過(guò)程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tacking-MPPT），相應(yīng)的技術(shù)稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[4]。最大功率點(diǎn)技術(shù)可以更加充分地利用太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)換的電能，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本。

2.2 最大功率跟蹤經(jīng)典方法

（1）恒定電壓跟蹤法

當(dāng)溫度保持在一個(gè)特定的值時(shí)，在不同的光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池的P-V 特性曲線上的最大功率基本保持在電壓值Vm，Vm 為光伏電池的最大工作電壓，當(dāng)光伏電池的輸出電壓鉗制在Vm 附近時(shí)，就可以保持穩(wěn)定的最大功率輸出，這就是恒壓跟蹤法的工作原理。

（2）擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法的原理是：在光伏系統(tǒng)工作過(guò)程中，定時(shí)給當(dāng)前的光伏陣列輸出電壓一個(gè)小范圍的波動(dòng)，記錄擾動(dòng)后輸出功率的變化，根據(jù)輸出功率的反饋來(lái)決定下一步電壓的擾動(dòng)。

2.3 改進(jìn)MPPT 控制方法

上文中對(duì)兩種經(jīng)典的MPPT 控制方法的原理進(jìn)行了分析，這些算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合在實(shí)際工程中的應(yīng)用，從策略上對(duì)變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種復(fù)合的MPPT 控制算法——基于功率預(yù)測(cè)的恒壓?jiǎn)?dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。其工作流程如下圖2 所示：

圖2 改進(jìn)MPPT 控制算法的工作流程

基于功率預(yù)測(cè)的恒壓?jiǎn)?dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法對(duì)最大功率的跟蹤，采用了如下的優(yōu)化策略：

（1）光照強(qiáng)度變化劇烈時(shí)采用恒定電壓法

當(dāng)太陽(yáng)能電池剛剛啟動(dòng)時(shí)，或者在光照強(qiáng)度有大范圍的變動(dòng)（如太陽(yáng)偶爾被云層遮擋）時(shí)，使用擾動(dòng)觀察或者電導(dǎo)增量法，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)周期的波動(dòng)，才能趨于穩(wěn)定，而恒定電壓法能夠根據(jù)電池自身的伏安特性，有一個(gè)最佳的電壓值來(lái)趨向于輸出最大功率，能夠有效避開(kāi)啟動(dòng)時(shí)大范圍的波動(dòng)期，相比其他控制方法，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)最大功率點(diǎn)附近。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，選取100W/m2切換控制算法的閾值效果最佳，所以當(dāng)光照強(qiáng)度的變化大于100W/m2，被認(rèn)定為光強(qiáng)強(qiáng)度發(fā)生突變，采用恒定電壓法進(jìn)行跟蹤。

（2）采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)步長(zhǎng)為一個(gè)固定值，設(shè)置較大的步長(zhǎng)能夠快速響應(yīng)環(huán)境的變化，但會(huì)使工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近反復(fù)波動(dòng)，影響穩(wěn)定性；設(shè)置較小的步長(zhǎng)會(huì)使到達(dá)最大功率點(diǎn)的周期變長(zhǎng)，使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，因此為了平衡速度和精度，選取合適的擾動(dòng)步長(zhǎng)十分關(guān)鍵。

所以根據(jù)上面的問(wèn)題，對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本方案將影響擾動(dòng)步長(zhǎng)的光照強(qiáng)度分為三個(gè)區(qū)間。試驗(yàn)表明，光照強(qiáng)度變化在50W/m2以上，基本不會(huì)出現(xiàn)跟蹤丟失的現(xiàn)象，因此將50W/m2作為擾動(dòng)步長(zhǎng)的一個(gè)切換閾值，而20W/m2以下的擾動(dòng)變化反而更容易引起最大功率振蕩，所以將20W/m2作為停止擾動(dòng)的另一個(gè)閾值。綜上所述，當(dāng)光照強(qiáng)度的變化在50-100W/m2的范圍內(nèi)采用一個(gè)較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)，光照強(qiáng)度的變化在20-50W/m2的范圍內(nèi)采用一個(gè)較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)，光照強(qiáng)度的變化在0-20W/m2的范圍內(nèi)，認(rèn)為是一個(gè)極其微小的變化范圍，為了避免系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)處來(lái)回震蕩，減少系統(tǒng)功率損耗，在這個(gè)范圍內(nèi)不進(jìn)行電壓擾動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)外界環(huán)境變化超過(guò)22W/m2（錯(cuò)值防抖）時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行擾動(dòng)觀察算法最大功率跟蹤。

（3）使用功率預(yù)測(cè)法避免錯(cuò)誤擾動(dòng)

功率預(yù)測(cè)法是采用足夠高的采樣頻率，假定一個(gè)采樣周期內(nèi)光照變化率恒定，則可得到一個(gè)采樣周期的預(yù)測(cè)頻率為理論上為某個(gè)時(shí)刻相同曲線上擾動(dòng)前后的輸出功率，以此為依據(jù)為擾動(dòng)提供正確的方向。本文中擾動(dòng)觀察的流程如圖3。

圖3 基于功率預(yù)測(cè)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)子程序流程

首先由U、I 的采樣值，計(jì)算kT 時(shí)刻和半個(gè)采樣周期（k+0.5）T 的功率值。根據(jù)上述功率預(yù)測(cè)法計(jì)算最后根據(jù)進(jìn)行變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)，這樣可有效避免擾動(dòng)方向的誤操作。

在以基于功率預(yù)測(cè)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)時(shí)，可以再次進(jìn)行步長(zhǎng)的細(xì)分，將ΔP 分為三個(gè)區(qū)間段，采用兩級(jí)變步長(zhǎng)進(jìn)行電壓擾動(dòng)觀測(cè)，a、b 分別為 ΔP 的區(qū)間閾值，ΔP 較大時(shí)選擇較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)，ΔP 較小時(shí)選擇較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)，小于b 時(shí)停止擾動(dòng)。該方法不僅提高了光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的快速性，同時(shí)有效避免了跟蹤過(guò)程中存在的振蕩和誤判。

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab/Simulink 環(huán)境下對(duì)改進(jìn)算法的模型進(jìn)行搭建，仿真控制圖如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)算法的仿真控制圖

對(duì)自適應(yīng)步長(zhǎng)增量電導(dǎo)法和改進(jìn)的算法進(jìn)行一下各自的仿真，選取50 組測(cè)試數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如下圖5、圖6所示：

圖5 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法法的仿真示意圖

從仿真數(shù)據(jù)的結(jié)果不難看出，當(dāng)外界條件不變，與變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法相比，改進(jìn)算法能夠更快的找到最大功率點(diǎn)，而且震動(dòng)幅度比較小，也驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。該控制算法充分綜合了功率預(yù)測(cè)法和變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法各自的優(yōu)點(diǎn)，提高了跟蹤的速度，克服了跟蹤過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤判問(wèn)題，降低了功率損耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從提高太陽(yáng)能的發(fā)電效率出發(fā)，深入研究了太陽(yáng)跟蹤技術(shù)，對(duì)最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了基于光伏發(fā)電的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器，通過(guò)軟硬件仿真實(shí)驗(yàn)及測(cè)試及，驗(yàn)證了方法的有效性，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推廣和應(yīng)用具有積極意義。

圖6 改進(jìn)算法的仿真示意圖