光伏电池最大功率跟踪算法的研究

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   1 引言

   传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害日益突出,同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。因此,研究并网逆变器的设计有着广阔的前景和意义。限制光伏系统的主要因素有两点:⑴初期投资比较大;⑵太阳能光伏电池的转换效率低。目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右,即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%,因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要,所以长期以来都是学术界研究的热点。

   2 光伏电池阵列特性分析

   2.1 光伏电池的数学模型

   光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制作而成的。所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能,由光子激发出电子—空穴对,经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的I-V特性随日照强度S(W/㎡)和电池温度t(℃)而变化,即I=f(V,S,t)。根据电子学理论,当负载为纯电阻时,光伏电池的实际等效电路如图1所示。

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  图1 光伏电池等效电路

   对应的I-V函数如下:

光伏电池最大功率跟踪算法的研究           (1)

   其中光伏电池最大功率跟踪算法的研究-二极管结电流(A),IL-光伏电流(A),I0-反向饱和电流(对于光伏单元而言,其数量级为10-4A),q-电子电荷(1.6×10-19C),K-玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K),T-绝对温度(T=t+273K),A-二极管品质因子(当T=330K时,约为2.80±0.152),Rs-串联电阻(为低阻值,小于1Ω),Rsh-并联电阻(为高阻值,数量级为KΩ)[1]。

   2.2 光伏电池输出的最大功率点

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  图2 光伏电池电压/电流曲线和电压/功率曲线

   当光伏阵列输出电压比较小时,随着电压的变化,输出电流变化很小,光伏阵列类似为一个恒流源;当电压超过一定的临界值继续上升时,电流急剧下降,此时的光伏阵列类似为一个恒压源[2]。光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。最大功率跟踪器的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里,通过改变光伏阵列所带的等效负载,调节光伏阵列的工作点,使光伏阵列工作在输出功率最大点。

   3 最大功率跟踪控制算法

   目前,常用的最大功率跟踪方法有恒定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法。其中,电导增量法的跟踪准确性最高,在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能,因此被广泛采用。电导增量法是通过比较光伏电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点的跟踪。