太阳能最大功率跟踪技术的研究

太阳能最大功率跟踪技术的研究

第２６卷第３期河南科学Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．３

Ｍａｒ．２００８２００８年３月

文章编号：１００４－３９１８（２００８）０３－０２７５－０４ＨＥＮＡＮＳＣＩＥＮＣＥ

太阳能最大功率跟踪技术的研究

侯聪玲１，

（１．广东工贸职业技术学院，广州

摘吴捷２５１０５１０；２．华南理工大学电力学院，广州５１０６４０）要：针对太阳能本身的特点，研究太阳能的功率特性，分析最大功率跟踪的方法，并针对性地提出一种可行的

软件设计方案．

关键词：太阳能；最大功率跟踪；自适应算法

中图分类号：ＴＮ７０９文献标识码：Ａ

随着社会经济的发展，能源和资源的消耗速度越来越快，人们的目光正转向再生能源的利用和发展．太阳能被公认为是技术含量最高，最有发展前途的一种新能源．它取之不尽，用之不竭，不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源．

研究发现：太阳能发电效率［１］较低成为长期以来影响其发展的主要原因．如何有效地降低成本，提高发电效率是近些年研究的热点．最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）技术就是针对提高太阳能电池发电效率进行研究的．分析比较了目前国内外现有的最大功率跟踪技术，从而提出本文采用的算法．

１最大功率跟踪的理论基础

近年来，人们对最大功率跟踪技术进行了深入研究，已取得了多种算法［２－５］．微扰观察法（ＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ，简称Ｐ＆Ｏ）和增量电导法（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄ，简称ＩｎｃＣｏｎｄ法）是目前比较流行的方法．

这两种方法均涉及调整因子!Ｖ的问题．!Ｖ的取值与能否很好的实现最大功率跟踪关系紧密．!Ｖ设置太大，导致跟踪精度不够，太阳能电池的工作点将始终在最大功率点附近；虽然提高了跟!Ｖ设置太小，

踪精度，但是跟踪速度很慢，系统会浪费很多能量．

目前，调整!Ｖ的算法有多种：ＰＩＤ算法，模糊算法，神经网络等．

２最大功率跟踪的自适应算法

太阳能电池的输出功率随温度和光强的变化而改变（图１和图２）．图１中，曲线１的温度最低，曲线３

图１Ｆｉｇ．１一定光强下Ｐ－Ｖ曲线Ｆｉｇ．２图２一定温度下Ｐ－Ｖ曲线Ｐ－ＶｃｕｒｖｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｖａｒｙｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰ－Ｖｃｕｒｖｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｖａｒｙｉｎｇｒａｄｉａｔｉｏｎ

收稿日期：２００７－１２－１６

基金项目：国家自然科学基金重点项目（６０５３４０４０）

作者简介：侯聪玲（１９７８－），女，陕西宝鸡人，工程师，硕士，主要研究方向为新能源；

吴捷（１９３７－），男，河北乐亭人，教授，博士生导师，主要从事新能源和自适应控制的研究．

太阳能最大功率跟踪技术的研究

－２７６－河南科学第２６卷第３期的温度最高．图２中，曲线１的光强最弱，曲线３的光强最强．可以看到，在一定光强下，功率随温度上升而下降，在一定温度下，功率随光强增加而增大．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，不能通过一个固定的传递函数确定最大功率点，只能依据功率变化趋势跟踪最大功率．

太阳能电池阵列输出功率表达式为：

Ｐ＝ＶＩ．

从图１可知，当ｄＰ＝０时，可以求得最大功率点．图３中，是针对一定的太阳能电池在一定的光照和温度条件下的设计思想框图，调节对象为太阳能电池阵列．Ｕｉ为太阳能电池的输入电压，Ｐｉ为太阳能电池的输出功率．Ｕ０为初始电压．!Ｕｉ为电压变化量．Ｋ１为预置的初始步长，Ｋ２为可调变量．符号函数解决最大功率点两边曲线斜率方向不同的问题．此回路仅需要一个乘法器和一个除法器，设计结构简单．

图３主要以太阳能电池Ｐ－Ｖ曲线的斜率为变

量，然后求得下一次采样电压的变化量!Ｕｉ．首先

对太阳能电池进行建模，由Ｐ＝Ｖ×Ｉ求得输出功率和

输出电压的关系Ｐｉ＝ｆ（ｕｉ）．滞后环节求出第（ｉ－１）

时刻的功率Ｐｉ－１，算出功率的变化量!Ｐｉ．通过除

法环节求出第ｉ时刻的斜率变化，然后依据自适应

搜索算法求出自适应搜索因子Ｋ２．由初始步长

Ｋ１，自适应搜索因子Ｋ２和!Ｕｉ符号函数求得!Ｕｉ，

从而可以得到第（ｉ＋１）时刻的电压!Ｕｉ＋１．依据此思

找到最大功率．想，直到求得ｄＰ＝０，２．１流程图分析（１）图３自适应搜索算法控制框图Ｆｉｇ．３Ｄｉａｇｒａｍｏｆａｄａｐｔｉｖｅｓｅａｒｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ

由公式１和图１可知：

系统运行在最大功率左边．当ｄＰ＞０，当ｄＰ＜０，系统运行在最大功率右边．当ｄＰ＝０时，系统运行在最大功率点．利用以上条件，在相邻的时间间隔第（ｉ－１）时刻和第ｉ时刻分别采样太阳能电池阵列的电压与电流，则斜率ｄＰ可以表达为：（ｉ）－Ｐ（ｉ－１），ｉ）＝Ｐ（２）!Ｖ其中：

Ｐ（ｉ）＝Ｖ（ｉ）×（Ｉｉ）．（３）

通过不断调节!Ｕ直到!Ｐ＝０．图４为本设计采用的自适应搜索算法的最大功率跟踪的软件流程图．

图中，控制对象是太阳能电池阵列，首先设定初始的步长Ｋ１，监测第ｉ时刻太阳能电池阵列的电压和电流，依据公式Ｐ＝Ｖ×Ｉ求出第ｉ时刻功率，从而得到第ｉ时刻和第（ｉ－１）时刻的电压变化量!Ｕｉ和功率变化量!Ｐｉ．判断!Ｕｉ是否为０，若!Ｕｉ＝０，则继续返回采样第（ｉ＋１）时刻太阳能电池阵列的电压和电流．若!Ｕｉ≠０，求出Ｐ－Ｖ曲线的斜率!Ｐｉ，判断的绝对值是否小于设定的精度Ｅ，如果斜率变化量的绝对值!Ｐｉ＜Ｅ，认为找ｉｉ

到最大功率点，继续返回采样第（ｉ＋１）时刻太阳能电池阵列的电压和电流．如果!Ｐｉ≥Ｅ，认为没有找到最ｉ

太阳能最大功率跟踪技术的研究

２００８年３月侯聪玲等：

太阳能最大功率跟踪技术的研究－２７７－大功率点，需要调整占空比，此时依据斜率变化量!Ｐｉ求出自适应搜索因子Ｋ（），根据公式!Ｄｉ＝Ｋ１＋Ｋ（）可２ｉ２ｉｉ

以得到调整的占空比变化量，从而求得第（ｉ＋１）时刻的占空比Ｄｉ＋１＝Ｄｉ＋!Ｄｉ．

２．２流程图参数分析

１）精度Ｅ选取．图４所示，精度Ｅ的选取依

据系统的要求，如果Ｅ选取的数值较大，找到的

最大功率点的时间较快，但与实际的最大功率点

偏差会增大．如果Ｅ的数值较小，情况相反．

２）Ｋ１及自适应搜索因子Ｋ２．Ｋ１为初始的占

空比调节量，为常量．Ｋ２为自适应搜索因子调节

量．（Ｋ１＋Ｋ２）与采样电压的步长成比例．由于

（Ｋ１＋Ｋ２）与采样步长变化成比例，因此调节占空

比实际上是调节下一时刻的采样电压和电流，从

而调节太阳能电池的输出功率．

自适应搜索因子Ｋ２用来调节下一时刻的占

空比，在最大功率点左边，Ｋ２＞０；在最大功率点右

边，Ｋ２＜０．当采样点离最大功率点较远时，│Ｋ２│

较大，│!Ｄ│＝│Ｋ１＋Ｋ２│值较大，跟踪速度较快．

随采样点逐渐接近最大功率点，│Ｋ２│逐渐变小，

│!Ｄ│＝│Ｋ１＋Ｋ２│值越来越小，采样电压步长

随之越来越小，跟踪精度得到提高（图５）．

由太阳能电池的Ｐ－Ｖ曲线（图１）可以看出，

在最大功率点的右边，斜率变化较快，自适应搜

索因子Ｋ２函数曲线要比较陡，在最大功率点的

左边，斜率变化较慢，自适应搜索因子Ｋ２函数

曲线要比较平缓．

３）占空比和输出功率的关系由图５可知，在

最大功率点左边，占空比随功率增大而增大，在最

大功率点右边，占空比随最大功率点增大而减小．

３仿真及分析

仿真中，设定初始电压，由于开关管占空比

的变化和太阳能电池阵列采样电压的变化成比例，仿真时将!Ｄｉ＝Ｋ１－Ｋ（）转化为采样电压的变化!Ｕｉ＝Ｋ１－２ｉ

Ｋ（）．图６（ａ）（ｂ）分别为设定不同的初始电压Ｕ０的仿真结果．横坐标是调节的时间，纵坐标为功率．２ｉ

太阳能最大功率跟踪技术的研究

－２７８－河南科学第２６卷第３期从图中可以得到两点结论：１）初始电压Ｕ０的选取对结果没有很大影响．这主要因为初始步长不同类似于光强和温度改变时，太阳能电池输出电压变化．自适应搜索算法不需要具体考虑外界环境与电压在函数上的具体对应关系，只要求出功率和电压曲线的斜率!Ｐ，求出对应的│!Ｄ│＝│Ｋ１＋Ｋ２│，直到!Ｐｉ＜Ｅ，ｉ认为找到最大功率点．２）曲线开始阶段，系统离最大功率点较远，自适应搜索因子较大，采样电压的步长较大，导致功率的变化量较大，系统在最大功率点附近摆动较明显，当系统逐渐接近最大功率点时，由于自适应搜索因子的存在，采样电压步长越来越小，系统摆动逐渐减小，最后基本上稳定在最大功率点附近．４结论

采用离散变量，把对电压的积分算法改为在第（ｉ＋１）时刻采样，通过滞后环节求得功率的变化量改为计算第ｉ时刻和第（ｉ＋１）时刻的功率差．可以方便的应用在数字控制系统的硬件电路中．同时每次采样太阳能电池的电压和电流的数值都是随着外界环境的改变而改变的数值，不需要仪器来测试光强和温度，就能实时跟踪太阳能电池的工作情况，降低太阳能发电系统的成本．因此，自适应算法是一种较好地跟踪太阳能最大功率的方法之一．

参考文献：

［１］中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会．中国光伏发电的技术现状及展望［Ｊ］．可再生能源，２００２（３）：５－８．

［２］ＭａｈｅｓｈａｐｐａＨＤ，ＮａｇａｒａｊｕＪ，ＫｒｉｓｈｎａＭｕｒｔｈｙＭＶ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｅｒｕｓｉｎｇａｓｔｅｐ－ｕｐｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈ

ｃｕｒｒｅｎｔｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，１９９８，１３（２）：１９５－２０１．

［３］ＨｕａＣ，Ｊ．Ｌｉｎ，ＳｈｅｎＣ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｅａｋ－ｐｏｗｅｒ－ｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩｅｅｅＴｒａｎｓ．Ａｅｒｏｓｐ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．

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１９９０，５（２）：２６５－２７１．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，

［５］ＥｆｔｉｃｈｉｏｓＫｏｕｔｒｏｕｌｉｓ，ＫｏｓｔａｓＫａｌａｉｔｚａｋｉｓ，Ｍｅｍｂｅｒｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－ｂａｓｅｄ，ｐｈｏｔｏｖｏｔａｉｃｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒ

［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００１，１６（１）：４９－５０．ｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭＰＰＴＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＳｏｌａｒＣｅｌｌ

ＨｏｕＣｏｎｇｌｉｎｇ，ＷｕＪｉｅ

（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＣｏｍｍｅｒｃｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０５１０，Ｃｈｉｎａ；

２．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｃｅｌｌｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅＭＰＰＴ（ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ）ｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｏｆｔｄｅｓｉｇｎｐｒｏｇｒａｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｃｅｌｌｅｎｅｒｇｙ；ＭＰＰＴ；ａｄａｐｔｉｖｅｓｅａｒｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ

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