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1、 单位代码 01 学号 100102004 分 类 号 TM60 密 级 文 献 综 述太阳能电池最大功率追踪方法研究院 （ 系 ） 名 称 信 息 工 程 学 院专 业 名 称 电 子 信 息 工 程学 生 姓 名 薛 小 志指 导 教 师 李 姿 景2014 年 2 月 21 日 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 I 页太阳能电池最大功率追踪方法研究摘 要太阳能作为绿色能源凭其独到的优点受到人类广泛青睐。在政府的大力支持下，太阳能光伏发电飞速发展。首先，根据不同的温度和光照条件下，对输出电流和输出电压进行采样，做出光伏电池的伏安特性曲线，设计出太阳能电池板
2、电路图，利用光伏特性研究太阳能电池，着力研究基于BOOST电路的太阳能电池最大功率的追踪。对最大功率跟踪算法进行了比较并提出了相应的软件流程。将基于BOOST电路的概念引入到系统中来。目前已有不少文献讨论太阳电池最大功率点的控制方法如CVT（恒定电压跟踪）法扰动观察法、功率回授控制法等等，但是这些系统跟踪的速度较慢，准确性也较差。本文将介绍一种新的控制方法：二次插值法寻找太阳能电池的最大功率点。关键词：光伏发电, MPPT , BOOST, 电流采样, 电压采样 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 1 页引言随着 社会经济的发展，能源和资源消耗越来越快。人类的目
3、光将转向可再生资源，太阳能是公认的技术含量最高，最有发展前景的一种新能源。它取之不尽，用之不竭。不产生任何废弃物，对环境不产生任何影响，是最理想的新能源。节约能源,保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发。其中,太阳能发电已成为近些年研究的热点。但其发电效率较低成为制约发展的重要因素。目前, 最大功率跟踪(MPPT) 1 技术是提高发电效率的有效途径之一。研究发现，太阳能发电效率是影响其应用的主要原因，如何提高发电效率是近几年的研究对象，本文提出一种新的最大功率算法。1 太阳能电池11 太阳能电池特点太阳能电池发电受气候条件影响,输出功率随太阳光强和温度
4、变化而变化,具有非线性特点如图1和图2所示 。图 1 一定光强下P-V 曲线 图 2 一定温度下P-V 曲线图1中,曲线1的温度最低,曲线3的温度最高。图2中,曲线1的光强最弱,曲线3的光强最强。可以看到,由于外界环境的变化是随机的,P-V曲线是多条漂移未知的曲线,不 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 1 页能通 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 0 页过一个固定的传递函数确定最大功率点,为了保证在一定的气候条件下,电池运行在极值功率点附近,最大功率跟踪技术必不可少。1.2 太阳能电池的等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电
5、池及负载系统用一个等效电路来模拟。图3为太阳能电池的等效电路 2。图3中，I ph表示光生电流；I d表示通过二极管的电流；R sh表示并联电阻；R s表示串联电阻；R表示负荷电阻；I表示负荷电流；V 表示负荷电压。 图3 太阳能电池的等效电路1.3 太阳能的数学模型由图 3 可得(1)shDphII(2)1(oSCnOCqAKTU其中：(3)2981Iphrph(4)(ex0AKTIRusd 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 1 页(5)shrRIUI式中，A 为二极管的理想因子；k 为玻尔兹曼常数， k=1.381023J/K；T 为光伏电池温度，q 为电
6、荷电量，q=1.610 -19 库仑， 为光照强度，单位为 kW/m2；I scr 为标准测试条件光照强度(1kW/m 2)，即环境温度为 298K 时所测得的光生短路电流；K 1 为光生电流随温度变化系数，K 1=0.0017。设光伏阵列由 Ns 块光伏电池串联为电池组件和 Np个该电池组件并联而成，则光伏阵列输出电压、电流的表达式为(6)(sdsaryIRU(7)Ip2 MPPT 算法目前最常用的MPPT实现方法有：恒定电压控制法；扰动观察法；功率回授控制法；二次插值法等。2.1 恒定电压控制法当光伏电池温度一定时光伏电池输出的P-V曲线上的最大功率点电压几乎在一个孤单值上。CVT控制 5
7、的优点是控制简单，易于实现，可靠性高系统不会出现振荡，有很好的稳定性，可以方便地通过硬件实现。但是CVT控制的精度较差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区，必须人工干预才能良好运行，更难于预料风、沙等影响。随着MPPT技术的数字化与微处理器化， CVT方法逐渐被其它方法所替代。2.2功率回授控制法通过采集光伏电池阵列的直流电压和直流电流，采用硬件或软件的乘法器计算出当前的输出功率P ，用当前的输出功率 P与上一次记忆的输出功率P 进行比较，从而控制调整输出电压。因为在同一P值下阵列电压及电流值不唯一，功率回授控制法 6的控制器应先设计成单值控制模式，即仅以功率P的曲线顶点右侧为控制范围。这
8、种方法的优点是实现较为方便，能够减少能量损耗以及提升整体效率，但缺点是可靠性和稳定性均不佳，所以在实际应用中较少采用。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 2 页2.3扰动观察法(Perturbation and Observation，P&O )扰动观察法 7是目前研究最多也是实现MPP 最常用的方法之一。其原理是先扰动输出电压值，并根据公式P=UI计算出扰动前后太阳能电池的输出功率，并与扰动之前功率值相比：若扰动后输出功率增加，则说明此前的扰动能够提高太阳能电池的输出功率，下 一次则往相同的方向继续扰动太阳能电池组的输出电压；反之，则说明扰动不利于增加太阳能
9、电池的输出功率，下一次则往相反的方向扰动。对于扰动观察法的以上缺点，模糊控制等方法可以优化步长，三点权位比较法可以避免“误判” 。实际应用中，常用基于占空比的扰动观察法，即光伏电池与负载之间接入PWM变换器，将占空比D作为控制变量。图4为扰动观察法的控制流程图。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 3 页图 4 扰动观察法控制流程图2.4 二次插值法太阳电池在光照强度和温度发生变化时它的输出呈非线性，但是在某一瞬间它的输出功率相对于占空比是连续可导的，有且仅有一个极点 8。因此可采用二次插值的方法来寻找系统当前的MPP点，关键在于初始区间和初始点的确定。使用二次
10、插值不可能没有误差，考虑在一定的误差范围内进行计算，必须确定一个极小值 ，当差的绝对值小于时，停止插值，此时即可确定系统的最大功率点，否则将继续插值，直到找到最大功率点为止。图5为二次插值法流程图。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 4 页图 5 二次插值法流程图总 结本文分析了太阳能电池的工作原理，并根据光伏的输出特性曲线。阐述了光伏电池最大功率点跟踪的原理及其常用的控制方法，根据一些参数做出了太阳能电池的模型。本文还介绍了恒定电压控制法，功率回授控制法，扰动观察法。重点说明了二次插值法。在对比分析现有光伏发电系统MPPT控制算法的基础上，提出了一种基于数值
11、方法的MPPT控制算法-二次插值法。该方法利用二次插值准确计算出最大功率点电压， 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 5 页提高了跟踪速率。参考文献1 胡静，张建成基于数值方法的光伏发电系统MPPT控制算法研究J电力科学与工程，2009，25(7) ：1-32 苏建徽，余世杰，赵为，等硅太阳电池工程用数学模型J太阳能学报，2001(4)：4094123 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等太阳能光伏发电及其应用M北京：科学出版社， 黄 河 科 技 学 院 毕 业 论 文 （ 文 献 综 述 ） 第 6 页20064 黄先伟，张淼，岑长岸参数辨识在光伏发电控制系统中的应用J
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