工作原理

1.工作原理描述

1.1 太陽(yáng)能光伏板的最大功率特性介紹

太陽(yáng)能光伏板的特性曲線(xiàn)如圖1所示（無(wú)錫尚德85W光伏板）：

圖1 無(wú)錫尚德85W光伏板特性曲線(xiàn)

影響太陽(yáng)能電池輸出特性的主要因素是太陽(yáng)光照強(qiáng)度和太陽(yáng)能電池板的溫度，受到這些因素的影響太陽(yáng)能的輸出特性會(huì)有比較大的變化。對(duì)于空載的太陽(yáng)能電池板主要體現(xiàn)在太陽(yáng)能電池輸出的開(kāi)路電壓和短路電流，對(duì)于帶負(fù)載的電池板主要體現(xiàn)在輸出的功率和最大功率點(diǎn)的改變。

太陽(yáng)能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的來(lái)源，能否充分發(fā)揮太陽(yáng)能電池板的效用對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的作用。太陽(yáng)能電池板的輸出功率是其所受日照強(qiáng)度、太陽(yáng)能電池板溫度的非線(xiàn)性函數(shù)。為了更好的理解太陽(yáng)能電池板的特性，根據(jù)太陽(yáng)能電池板的非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系繪制出其在日照不同、結(jié)溫相同和日照相同、結(jié)溫不同情況下的太陽(yáng)能電池板I－V、P－V特性曲線(xiàn)，如圖2所示：

圖2 相同溫度不同光強(qiáng)時(shí)的I－V曲線(xiàn)和P－V曲線(xiàn)

圖2為太陽(yáng)能電池結(jié)溫不變、日照強(qiáng)度變化情況下的一組I－V和P－V特性曲線(xiàn)，從圖中可以得出以下結(jié)論：

1）太陽(yáng)能電池的短路電流隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，兩者近似為比例關(guān)系；太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓在各種日照條件下變化不大；

2）太陽(yáng)能電池的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，且在同一日照環(huán)境下有唯一的最大輸出功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，輸出功率隨圖中為電池端電壓上升呈近似線(xiàn)性上升趨勢(shì)；到達(dá)最大功率點(diǎn)后，輸出功率開(kāi)始快速下降，且下降速度遠(yuǎn)大于上升速度；

3）如圖2-a所示：在虛線(xiàn)A的左側(cè)，太陽(yáng)能電池的特性近似為電流源，右側(cè)近似為電壓源。虛線(xiàn)A對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)時(shí)光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的90%;

4）如圖2-b所示：結(jié)溫一定的情況下，太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓值基本不變。該值約為開(kāi)路電壓的76%。

圖3 相同光強(qiáng)不同溫度時(shí)的I－V曲線(xiàn)和P－V曲線(xiàn)

圖3為太陽(yáng)能電池光強(qiáng)強(qiáng)度不變、結(jié)溫變化情況下的一組I－V和P－V特性曲線(xiàn)，從圖中可以得出以下結(jié)論：

1）如圖3-a所示：太陽(yáng)能電池的結(jié)溫對(duì)光伏電池的短路電流影響不大，隨著溫度的上升輸出短路電流只是略有增加；太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓隨電池結(jié)溫的上升而下降，且變化范圍較大。

2）如圖3-b所示：太陽(yáng)能電池輸出功率總的變化趨勢(shì)與不同日照條件下的功率變化相似。但相同日照情況下其最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降，且最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓隨溫度上升而下降。

綜上所述，太陽(yáng)能電池的輸出功率與它所受的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，在不同外部環(huán)境情況下，太陽(yáng)能電池的輸出功率會(huì)有較大的變化。值得注意的是，光伏板特性中唯一不變的是同一時(shí)刻下光伏最大輸出功率P與光伏兩端電壓V之間的函數(shù)P(V)具有單極點(diǎn)的特點(diǎn)。因此，最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)求解函數(shù)P(V)的單極點(diǎn)得來(lái)，同時(shí)在一定程度上弱化溫度、光強(qiáng)這些影響因素。

最大功率點(diǎn)跟蹤的物理意義如圖4所示：

圖4 最大功率點(diǎn)跟蹤的物理意義

圖中曲線(xiàn)I、Ⅱ分別對(duì)應(yīng)不同日照情況下光伏器件的I－V特性曲線(xiàn)，A、B分別為不同日照情況下光伏器件的最大輸出功率點(diǎn)，負(fù)載1、負(fù)載2為兩條負(fù)載曲線(xiàn)。當(dāng)光伏器件工作在A點(diǎn)時(shí)，日照突然加強(qiáng)，由于負(fù)載側(cè)有蓄電池可以認(rèn)為控制周期內(nèi)負(fù)載電壓恒定，光伏器件的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A’點(diǎn)。從圖中可以看出，為了使光伏器件在特性曲線(xiàn)I仍能輸出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲線(xiàn)I上的B點(diǎn)，也就是說(shuō)必須對(duì)光伏器件的外部電路進(jìn)行控制使其負(fù)載特性變?yōu)樨?fù)載曲線(xiàn)2實(shí)現(xiàn)與光伏器件的功率匹配，從而使光伏器件輸出最大功率。

1.2 MPPT模塊掃描法原理

MPPT追蹤算法—掃描法的基本思路是，通過(guò)占空比粗調(diào)節(jié)與微調(diào)節(jié)相結(jié)合，在一定范圍內(nèi)改變光伏輸入電壓的同時(shí)比較最大功率點(diǎn)，達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。

算法主要采用兩種調(diào)節(jié)方式，即大掃描(粗調(diào))和小掃描(微調(diào))相結(jié)合的方式，如圖5所示。大掃描的范圍較廣、步長(zhǎng)較大，用于快速找到具有單或多波峰特性的光伏曲線(xiàn)的最大功率點(diǎn)；小掃描的范圍較窄、步長(zhǎng)較小，且實(shí)現(xiàn)了變步長(zhǎng)，用于在最大功率點(diǎn)附近掃描以盡可能長(zhǎng)時(shí)間的處在最大功率點(diǎn)上。此外，算法根據(jù)光強(qiáng)變化的強(qiáng)度啟動(dòng)動(dòng)態(tài)掃描，以便快速響應(yīng)最大功率點(diǎn)變化。

圖5掃描法示意

l進(jìn)行較大范圍的全局掃描主要是針對(duì)光強(qiáng)有劇烈變化，以及光伏板局部被陰影遮擋或覆蓋時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)功率極值點(diǎn)的問(wèn)題，其掃描運(yùn)行間隔由當(dāng)前光強(qiáng)功率確定，如圖6所示：

圖6 光伏板多波峰問(wèn)題

在相同的光照條件下，如果光伏陣列PV1和PV2并聯(lián)，如果PV2受到局部陰影的遮擋或被局部覆蓋那么輸出的P-V 特性曲線(xiàn)如圖6（a）（b）所示。兩模塊并聯(lián)后的總輸出特性曲線(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)圖中（c）和（d）所示的情況，可以看到P-V 曲線(xiàn)上出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn)。實(shí)際中不同廠(chǎng)家、規(guī)格的光伏板多路并聯(lián)也會(huì)在MPP處出現(xiàn)一些多波峰。通過(guò)大范圍掃描可以有效的分辨出多波峰中最大的一個(gè)。

1）小范圍掃描主要是針對(duì)短時(shí)間內(nèi)光強(qiáng)有較小變化時(shí)，通過(guò)在上次找到的最大功率點(diǎn)附近進(jìn)行變步長(zhǎng)微調(diào)，以便模塊長(zhǎng)時(shí)間工作在最大功率點(diǎn)處，其掃描間隔設(shè)定為30秒。

2）動(dòng)態(tài)掃描主要是針對(duì)短時(shí)間內(nèi)光強(qiáng)有較大變化時(shí)，通過(guò)在上次找到的最大功率點(diǎn)附近進(jìn)行較大范圍調(diào)節(jié)，以便模塊再次找到最大功率點(diǎn)處。此外動(dòng)態(tài)掃描根據(jù)當(dāng)前功率的不同會(huì)自適應(yīng)設(shè)定大掃描定時(shí)。

掃描法采用功率分段定時(shí)掃描和動(dòng)態(tài)觸發(fā)掃描相結(jié)合的方法，首先對(duì)應(yīng)不同的功率段執(zhí)行不同的大掃描定時(shí)，同時(shí)在光強(qiáng)突變時(shí)快速執(zhí)行動(dòng)態(tài)掃描，以期達(dá)到最大功率跟蹤的目的。