金 薇

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州 215104)

近年來，能源短缺問題日益突出，人們迫切希望應用節(jié)能環(huán)保的新技術。太陽能作為一種新型綠色能源越來越受到人們的重視。太陽能路燈以太陽光為能源，利用太陽能電池的光伏效應原理，在光照達到一定強度時，太陽能光伏板將太陽光轉換的電能通過控制器對蓄電池進行充電;當光照度較低時，由控制器控制蓄電池對LED路燈供電。在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，太陽能電池屬于造價較高的部件，應盡可能提高太陽電池的光電轉換效率和充分利用太陽能電池產(chǎn)生的電能。

1 最大功率點跟蹤原理

太陽能電池的電氣特性主要與日照強度和溫度相關，圖1和圖2分別是太陽能電池在相同光強不同溫度情況下的功率/電壓和相同溫度不同光強情況下的功率/電壓特性。

圖1 相同光強不同溫度情況下的功率/電壓特性

圖2 相同溫度不同光強情況下的功率/電壓特性

如圖1和圖2所示，太陽能電池輸出特性具有非線性特征，會受到日照強度、溫度等因素的影響而使輸出產(chǎn)生變化，只有在某一輸出電壓值時，太陽能電池的輸出功率才能達到最大值，稱之為最大功率點(Maximum Power Point，MPP)。在實際工作環(huán)境中，由于太陽能電池所處的日照強度和環(huán)境溫度的變化是隨機的，所以其功率/電壓特性是多條不確定的曲線，不能采用一個固定的函數(shù)通過數(shù)學方法來求出其確定的最大功率點。

因此，在太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的整體效率，應實時檢測太陽能電池的輸出功率，根據(jù)在不同光照條件下太陽能電池內(nèi)阻不同的特點，控制改變與之配接負載的阻抗，達到與太陽能電池內(nèi)阻相匹配，獲得最大功率輸出，保證太陽能電池始終工作在最大功率點上，這就是最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術［1］。

2 最大功率點跟蹤算法

目前使用的太陽能電池最大功率點跟蹤有固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等。

2.1 固定電壓法

在一定的溫度下，不同的光照強度下太陽能電池輸出的最大功率點幾乎在一條垂直線上，如圖3所示，這表示太陽能電池的最大功率點對應于某一固定電壓［3］。可以先求得太陽能電池在某日照強度及溫度下的最大功率點所對應的電壓大小Umax，再通過調(diào)整太陽電池的輸出電壓使其鉗制在Umax，就可以實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

圖3 不同日照強度下最大功率點的變化情況

這種方法操作簡單、穩(wěn)定性好、且易于實現(xiàn)。但這并非真正的最大功率跟蹤，其忽略了太陽能電池溫度對自身最大功率點的影響，在日照及四季溫差較大的地區(qū)不適用本方法。

2.2 擾動觀察法

擾動觀察法是每隔一定的時間，用較小的步長增加或者減少太陽能電池的輸出電壓，通過觀測功率變化的方向，來決定下一步的控制信號，這個過程稱之為“擾動”［4］。算法流程圖如圖4所示。根據(jù)上一次的檢測值U、I計算對應的輸出功率P;再進行當前檢測U1、I1計算P1;比較P和P1，會出現(xiàn)兩種情況:(1)P1＞P，說明擾動方向正確，應繼續(xù)保持原方向。(2)P1＜P，說明擾動方向錯誤，需調(diào)整擾動方向;如此循環(huán)，最終使工作點接近Pmax。

圖4 擾動觀察法算法流程圖

擾動觀察法跟蹤方法簡單，是一個自尋優(yōu)的過程，但太陽能電池會在最大功率點左右振蕩，造成能量損失，降低太陽能電池的效率。

2.3 電導增量法

通過圖1和圖2太陽能電池P－U曲線可知，最大功率點Pmax處的斜率為0。因為P=U×I，所以有，這是太陽能電池達到最大功率點的條件，即當太陽能電池輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，太陽能電池工作在最大功率點。

以上方法是根據(jù)太陽電池的P－U曲線特點來搜索最大功率點對應的電壓，從理論上講，電導增量法較為理想，但受測量設備的限制。擾動觀察法實現(xiàn)起來較為容易，其缺點可通過軟件加以改進。這些方法各有利弊，可根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選用不同的控制方法。

圖5 電導增量法算法流程圖

3 最大功率點跟蹤算法改進

通過上述分析可知，固定電壓法忽略了太陽能電池溫度對自身最大功率點的影響，只能使太陽能電池工作于最大功率點附近。而采用擾動觀察法太陽能電池會在最大功率點左右振蕩，造成能量損失。為充分利用太陽能電池的輸出功率，可將固定電壓法和擾動觀察法結合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補［6］。

算法流程圖如圖6所示，實現(xiàn)過程中，先使用固定電壓法控制使輸出電壓穩(wěn)定到最大功率點所對應的電壓大小Um，Δu指固定電壓法使用PI控制使輸出電壓穩(wěn)定到Um上計算出的電壓偏移量。當系統(tǒng)實現(xiàn)固定電壓法的控制目標后，即滿足Um－ΔU＜Uk＜Um+ΔU時，進行小步長的擾動觀察法，其中ΔU是設定電壓閥值。

與傳統(tǒng)擾動觀察法不同，這種算法首先直接將工作點調(diào)整到最大功率點附近，然后利用擾動觀察法對最大功率點附近的穩(wěn)態(tài)特性進行優(yōu)化，這樣保證了跟蹤的快速性。另外在最大功率點附近，采用擾動觀察法時設定的步長可遠小于傳統(tǒng)擾動觀察法中的擾動步長，從而可有效減小系統(tǒng)在最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象。

圖6 固定電壓法擾動觀察法相結合法算法流程圖

4 仿真分析

為驗證提出的改進算法的優(yōu)越性，在 Matlab/Simulink中進行了仿真。已知在溫度T=50℃時，某太陽能電池在S=1 200 W/m2時最大功率點約為30 W，在S=600 W/m2時的最大功率點功率約為13 W。在0.5 s時光強從S=1 200 W/m2變化到S=600 W/m2，在0.6 s時光強從S=600 W/m2變化到S=1 200 W/m2。采用固定電壓法、擾動觀察法、固定電壓法擾動觀察法相結合法分別進行MPPT仿真，仿真結果如圖7～圖9所示。

圖7 固定電壓法仿真結果

圖8 擾動觀察法仿真結果

圖9 固定電壓法擾動觀察法相結合法仿真結果

對比圖7～圖9波形，可發(fā)現(xiàn):(1)在t=0.5 s時光強由1 200 W/m2降至600 W/m2，此時輸出電壓減小，固定電壓法的輸出功率擾動很大，造成功率損失;擾動觀察法在最大功率點附近有輕微擾動;固定電壓法擾動觀察法相結合法在短時間擾動后穩(wěn)定在最大功率點附近。(2)在t=0.6 s時光強從600 W/m2升至1 200 W/m2，固定電壓法跟蹤失敗;擾動觀察法到t=0.9 s時穩(wěn)定在最大功率點，在t=0.6～0.9 s間擾動較大;固定電壓與擾動觀察相結合法到t=0.7 s時穩(wěn)定在最大功率點，功率損失較小。

通過仿真證明，在光強突變時，固定電壓法擾動觀察法相結合法比擾動觀察法有更快的跟蹤速度，且穩(wěn)態(tài)輸出功率波動更小。

5 結束語

在分析MPPT常見的技術方法的基礎上，提出了一種新算法，將固定電壓法和擾動觀察法相結合，仿真驗證了這種新算法可以實現(xiàn)快速跟蹤，進一步提高了太陽能電池的利用效率。

［1］楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽能電池最大功率點跟蹤技術探討［J］.電子器件，2008，31(4):1081 －1084.

［2］張振.智能型太陽能路燈控制器的研制［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

［3］周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述［J］.高電壓技術，2008，34(6):1145 － 1154.

［4］周婷婷.太陽能LED照明系統(tǒng)的研究與設計［D］.上海:東華大學，2011.

［5］韋世寬，雷加，談恩民，等.光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術研究［J］.電子測量與儀器學報，2011，25(6):490 －494.

［6］熊遠生，俞立，徐建明.固定電壓法結合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中應用［J］.電力自動化設備，2009，29(6):85 －88.

［7］張霆，王軍勇，張力，等.多路輸入大功率LED智能驅(qū)動電路系統(tǒng)設計［J］.電子科技，2014(4):60－63.