CN103838291A - 一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法，包括：检测得到太阳能电池的开路电压和短路电流，套用公式计算得到太阳能电池上边界功率-电压曲线的最大功率点处电压，以此电压作为初始工作点电压，引入包含有步长因子的步长公式计算得到每一步的扰动步长，向左侧进行功率跟踪，根据采样点处斜率的大小分阶段定义步长因子的取值区间，自行调节扰动步长大小。本发明通过对初始电压点的设定和跟踪方式的改进，缩短了扫描范围，减少了跟踪时间，能够快速而又平滑的靠近最大功率点，并且能够减轻最大功率点附近的功率震荡，减少功率损耗。

Description

一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法

技术领域：

本发明涉及一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法。

背景技术：

近些年随着大量化石燃料的使用，给人类的生存环境带来了严重的后果，产生大量的温室效应气体，造成极为严重的大气污染。而太阳能因其取之不尽，用之不竭的特点，将在未来的能源利用上占据重要地位。

而太阳能电池输出功率受光照强度、环境温度和负载情况影响，并且其输出特性具有非线性特征。在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列模块可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压值时，光伏阵列模块的输出功率才能达到最大值，如果超过或者低于这个电压值，输出功率就会下降。为了提高系统的能量转化效率，必须采用适当的最大功率点跟踪算法控制光伏发电变换器，保证系统总是运行在光伏阵列最大功率点(MPP)。

目前常用的太阳能电池最大功率点跟踪算法是扰动观察法(P&Q)。扰动观察法(P&Q)的原理是先设定一个初始电压，然后每隔一定的时间增加或减少电压，将本次太阳能电池的输出功率和上次的输出功率进行比较，然后再确定增加或减少太阳能电池的工作电压来实现太阳能电池的最大功率点跟踪。常规的扰动观察法(P&Q)采用恒定的步长进行运算，无论实际工作点与最大功率点距离的远近，始终以固定步长进行调节，导致太阳能电池的输出功率会在最大功率点两侧发生反复，功率易产生振荡，扫描范围大，跟踪时间长，且步长不易设置，不能很好的完成最大功率点跟踪。

现有的变步长扰动观察法在常规扰动观察法(P&Q)的基础上，根据工作点距离最大功率点距离的远近，自动调整步长，与常规扰动观察法(P&Q)相比，精确性和稳定性有较大提高。中国发明专利(申请号为201010590678.1)光伏电池最大功率点跟踪控制方法，提出利用经验法设定初始电压，分工作点在最大功率点左右两种情况进行变步长功率跟踪，中国发明专利(申请号为200910184287.7)一种光伏发电最大功率点跟踪装置的跟踪方法，采用利用经验数据库设置初始工作点，然后进行全局最大功率点跟踪。尽管上述扫描方式可以跟踪到最大功率点，但是设定的初始电压多由经验确定，初始电压所对应的工作点可能位于最大功率点的两侧，扫描区间不确定，导致扫描区间过大，跟踪时间长，且不能避免在最大功率点处输出功率的反复问题。

发明内容：

本发明的目的是针对现有扰动观察法及其改进方法初始工作点电压位置不定，扫描区间大，跟踪时间长，易产生震荡等问题，提供一种自适应初始电压和变步长扰动的太阳能电池的最大功率点跟踪方法。

按此目的提供的一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法，拟采用以下技术方案：

本文提供一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法，其特征是针对任意一种环境条件下的太阳能电池，引入该环境条件下的理想上边界功率-电压曲线，得出该曲线的最大功率点处电压U_p，以该电压作为初始工作点电压，然后针对真实情况，利用电压值U_p与该电压值所对应工作点处功率-电压曲线的斜率，利用变步长公式计算步长，向左侧进行最大功率点的跟踪。不仅缩短了扫描范围，减少了跟踪时间，还能减少最大功率点附近的震荡。所述的自适应初始电压和变步长方法包括以下步骤：

步奏一：太阳电池是利用P-N结的光生伏特效应将光能转化为电能的，在光照情况下，电流的I-V特性表现为二极管的特点，即电流随电压指数变化。如果将太阳能电池视为恒流源，将半导体材料电阻、电极与半导体材料接触电阻和界面处载流子的复合电阻视为串联电阻，将太阳能电池边缘漏电流和太阳能电池金属桥漏电流等效为并联电阻，则可获得太阳能电池等效电路如图1所示，根据等效电路得出太阳能电池输出特性的电流方程表达式如公式(1)：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_o[e^{\frac{q(U+I{R}_s)}{\mathrm{AKT}}}-1]-\frac{(U+I{R}_s)}{R_p}---\left(1\right)$

公式(1)中：I输出电流(A)，U输出电压(V)，I_ph光生电流(A)，R_s串联电阻(Ω)，R_p并联电阻(Ω)，A二极管理想常数，I_o二极管反向饱和漏电流(A)，q电荷量1.6×10^-19C，K玻尔兹曼常数1.38×10^-23J／K；T环境温度(℃)。

短路情况下，U=0，I=I_sc，二极管上流经电流极小I_o≈0，有I_sc=I_ph-I_scR_s/R_p    (2)

开路情况下，U=U_oc，I=0，有 $I_o=(I_{\mathrm{ph}}-U_{\mathrm{oc}}/R_p)/(e^{\frac{{\mathrm{qU}}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AKT}}}-1)---\left(3\right)$

联立公式(1)-(3)解出

I_ph=I_sc(1+R_s/R_p)    (4)

$I_o=(I_{\mathrm{sc}}-\frac{U_{\mathrm{oc}}-I_{\mathrm{sc}}{R}_s}{R_p})e^{\frac{-q{U}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AKT}}}---\left(5\right)$

联立公式(1)-(5)，方程两边同乘以输出电压U，得出太阳能输出功率表达式如式(6)。

$P=\frac{I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)U-U^2-P{R}_s}{R_p}+\frac{U_{\mathrm{oc}}U-I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)U}{R_p}{e}^{\frac{q(U^2+P{R}_s-U_{\mathrm{oc}}U)}{\mathrm{AKTU}}}---\left(6\right)$

利用Lambert函数将其转化为显示表达式，并将方程两边同时乘以输出电压U，得到

$P=\frac{[U{I}_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U^2]}{R_s+R_p}-\frac{\mathrm{AKTU}}{q{R}_s}W\left(Y\right)$

$Y=\frac{q{R}_s[I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U_{\mathrm{oc}}]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\exp \left\{\frac{q(R_s+R_p)(U-U_{\mathrm{oc}})-q{R}_s[U-I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\right\}---\left(7\right)$

在最大功率点处有

解得最大功率点处电压计算公式如下：

$U_m=\frac{[q{R}_s{I}_{\mathrm{sc}}-\mathrm{AKT}](R_s+R_p)[1+W\left(Y_m\right)]}{2q{R}_s[1+W\left(Y_m\right)]+q{R}_{p}W\left(Y_m\right)}---\left(8\right)$

在环境温度和光照条件一定的情况下，同一块太阳能电池的理想上边界功率-电压曲线和上边界最大功率点处电压是唯一确定的。

步奏二：在一定的环境温度与光照条件下，利用电压检测电路和电流检测电路分别检测得到太阳能电池的开路电压U_oc与短路电流I_sc。对于不同的太阳能电池，有参数A∈[1，2]，R_s∈[0，∞]，R_P∈[∞，0]，利用参数A、R_s和R_P对太阳能电池功率-电压曲线的单调影响规律，将参数A=1，R_s=0，R_p=∞(该情况是太阳能电池的理想情况，能够得到太阳能电池的最佳曲线)代入公式(7)-(8)，得到该外界环境下太阳能电池理想上边界P-U特性曲线最大功率点处电压U_p和功率P_p。其他任意模型参数的太阳能电池功率-电压曲线上最大功率点必在P_p下方，最大功率点处对应电压必在U_p左侧。

步奏三：将U_p作为初始电压，利用电流采样电路对初始电流I_p进行采样，将采集得到的电压U_p、电流I_p传输到控制器内，计算得到初始功率P_p=I_p*U_p，记U(1)＝U_p，I(1)=I_p，P(1)＝P_p。

相对于传统方法所采用的利用经验设定初始电压值，本文方法利用求解上边界功率-电压曲线最大功率点电压U_p，并以U_p作为初始电压，真实功率-电压曲线的最大功率点处电压U_m一定位于的U_p左侧，且相比利用经验设定的初始电压值，U_p与U_m的位置关系固定，U_p一定位于U_m的左侧，且与U_m的距离较近。以U_p作为初始电压向左侧进行单向跟踪，可以缩短扫描区间，减少跟踪时间。

步奏四：利用公式 $K\left(n\right)=\frac{\mathrm{dP}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}=I\left(n\right)+U\left(n\right)\frac{\mathrm{dI}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}---\left(9\right)$

计算此电压U(n)处功率-电压曲线的斜率。

公式(9)中：K(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的斜率，U(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的输出电压，I(n)是第n(n＝1，2，3...)次采样的输出电流。

采用公式：ΔU(n)＝λ*K(n)*U(n)    (10)

计算每一步的的扰动步长，以控制太阳能电池的输出功率。

公式(10)中：λ是步长因子，取值区间为[10^-4，10^-2]。

修正并进行代替U(n+1)=U(n)+ΔU(n)，根据修正后的输出电压U(n+1)，对输出电流进行重新采样，使I(n+1)=I(n)，重新计算得到的斜率K(n+1)代替K(n)。

步奏五：根据K(n)的不同值分为以下两种情况进行处理：

①|K(n)|≤δ(δ是一个定义的阈值量，取值区间为[10^-4，10^-3])，则U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压，利用固定电压法将电压稳定在在U(n)。

②|K(n)|≥δ，依据K(n)的大小步长因子λ选取不同的取值范围，

a.|K(n)|≥1时，步长因子λ取值范围设为[10^-3，10^-2]

b.|K(n)|<1时，步长因子λ取值范围设为[10^-4，10^-3]

然后返回步奏四，直到满足条件①，则步长ΔU(n)=0，得到U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压。

步奏六：如果外界环境条件发生变化，则返回步奏二，重新进行最大功率点跟踪。

本发明引用上边界功率-电压曲线最大功率点处电压U_p作为初始电压，使得初始工作点位于最大功率点右侧附近，向左侧进行跟踪，缩短了扫描区间；引入工作点处的斜率K和步长因子λ，采用变步长扰动观察法进行功率跟踪，当采样点距离最大功率点越远时，扰动步长越大，采样点距离最大功率点越近时，扰动步长越小，根据功率-电压曲线工作点处的斜率大小，分阶段定义的步长因子λ的取值区间，能够快速而又平滑的靠近最大功率点，并且能够减轻最大功率点附近的震荡，减少功率损耗。

附图说明：

图1为太阳能电池等效电路

图2为太阳能电池理想上边界功率-电压曲线与真实情况下的功率-电压曲线

图3为本发明的流程示意图

具体实施方式：

以下结合附图及实施例对本发明做进一步描述。应当理解的是，此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种太阳能电池的最大功率点跟踪方法，通过引入公式计算得到上边界功率-电压特性曲线的最大功率点电压U_p，以U_p作为初始电压，计算U_p对应于真实功率-电压曲线点处的斜率K_p，利用步长公式计算每一步的扰动步长，向左侧进行最大功率点跟踪，能够快速而又平滑的靠近最大功率点，并且可以减轻最大功率点附近的震荡，减少功率损耗。

太阳电池是利用P-N结的光伏效应将光能转化为电能的，在光照情况下，电流的电流-电压特性表现为二极管的特点，即电流随电压指数变化。如果将太阳能电池视为恒流源，将半导体材料体电阻、电极与半导体材料接触电阻和界面处载流子的复合电阻视为串联电阻，将电池边缘漏电流和电池金属桥漏电流等效为并联电阻，可获得太阳能电池等效电路参见图1。

可以得出太阳能电池输出特性的电流方程表达式如公式(1)：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_o[e^{\frac{q(U+I{R}_s)}{\mathrm{AKT}}}-1]-\frac{(U+I{R}_s)}{R_p}---\left(1\right)$

公式(1)中：I输出电流(A)，U输出电压(V)，I_ph光生电流(A)，R_s串联电阻(Ω)，R_p并联电阻(Ω)，A二极管理想常数，I_o二极管反向饱和漏电流(A)，q电荷量1.6×10^-19C，K玻尔兹曼常数1.38×10^-23J/K；T环境温度(℃)。

引入短路电流I_sc和开路电压U_oc将式(1)中光生电流I_ph和二极管反向饱和电流I_o进行替换，利用Lambert函数将其转化为显示表达式，并将方程两边同时乘以输出电压U，得到

$P=\frac{[U{I}_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U^2]}{R_s+R_p}-\frac{\mathrm{AKTU}}{q{R}_s}W\left(Y\right)$

$Y=\frac{q{R}_s[I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U_{\mathrm{oc}}]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\exp \left\{\frac{q(R_s+R_p)(U-U_{\mathrm{oc}})-q{R}_s[U-I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\right\}---\left(2\right)$

在最大功率点处有解得最大功率点处电压如式：

$U_m=\frac{[q{R}_s{I}_{\mathrm{sc}}-\mathrm{AKT}](R_s+R_p)[1+W\left(Y_m\right)]}{2q{R}_s[1+W\left(Y_m\right)]+q{R}_{p}W\left(Y_m\right)}---\left(3\right)$

在环境温度与光照条件确定的情况下，利用电压检测电路和电流检测电路分别检测得到太阳能电池的开路电压U_oc与短路电流I_sc。对于不同模型参数的太阳能电池，有参数A∈[1，2]，R_s∈[0，∞]，R_P∈[∞，0]，利用参数A、R_s和R_P对太阳能电池功率-电压曲线的单调影响规律，将参数A=1，R_s=0，R_p=∞代入公式(2)-(3)，得到该外界环境下太阳能电池理想上边界功率-电压特性曲线最大功率点处电压U_p和功率P_p。其他任意模型参数太阳能电池功率-电压曲线上最大功率点必在上边界功率-电压曲线最大功率点的下方，任意模型参数太阳能电池最大功率点处对应电压必在U_p左侧。

在具体操作时，包括以下步奏：

步奏一：参见图2，曲线1为太阳能电池在一确定外界条件下的上边界功率-电压特性曲线；曲线2为对应于此外界条件下的真实功率-电压特性曲线；P为上边界功率-电压特性曲线的最大功率点；M(U_m，P_m)为真实功率-电压特性曲线的最大功率点；T(U_p，I_p)为点P处电压在真实功率-电压曲线的对应点；K_p为T点处的斜率。

利用电压检测电路和电流检测电路分别检测得到太阳能电池的开路电压U_oc与短路电流I_sc。计算得到上边界功率-电压曲线最大功率点电压U_p，将U_p作为初始电压，利用电流采样电路对初始电流I_p进行采样，将采集得到的电压电流值传输到控制器内，计算得到初始功率P_p=I_p*U_p，记U(1)=U_p，I(1)＝I_p，P(1)=P_p。

步骤二：利用公式 $K\left(n\right)=\frac{\mathrm{dP}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}=I\left(n\right)+U\left(n\right)\frac{\mathrm{dI}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}---\left(4\right)$

计算此电压处功率-电压曲线的斜率。

公式(4)中：K(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的斜率，U(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的输出电压，I(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的输出电流。

采用公式：ΔU(n)＝λ*K(n)*U(n)    (5)

计算扰动步长，以控制太阳能电池的输出功率。

公式(5)中：λ是步长因子，取值区间为[10^-4，10^-2]。

步奏三：以上边界功率-电压曲线最大功率点P处电压U(1)在真实功率-电压曲线的对应点T(U_p，I_p)作为作为初始工作点，以该点处电压U(1)作为初始工作点电压向左侧进行最大功率点跟踪，修正并进行替代U(n+1)=U(n)+ΔU(n)，根据修正后的输出电压U(n+1)，对输出电流进行重新采样，使I(n+1)=I(n)，重新计算得到的斜率K(n+1)代替K(n)。

根据K(n)的不同值分为以下两种情况进行处理：

①|K(n)|≤δ(δ是一个定义的阈值量，取值区间为[10^-4，10^-3])，则U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压U_m，所在点即为功率-电压曲线最大功率点M，利用固定电压法将电压稳定在U(n)。

②|K(n)|≥δ，依据K(n)的大小步长因子λ选取不同的取值范围，

a.|K(n)|≥1时，步长因子λ取值范围设为[10^-3，10^-2]

b.|K(n)|<1时，步长因子λ取值范围设为[10^-4，10^-3]

然后返回步奏二，直到满足条件①，则步长ΔU(n)=0，得到U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压。

步奏四：如果外界环境条件发生变化，则返回步奏一，重新进行最大功率点跟踪。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。由于本发明的范围由所附权利要求书定义，而非由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包含。

Claims (2)

1.一种用于太阳能电池的最大功率点电压跟踪方法，通过引入公式计算得到太阳能电池上边界功率-电压曲线的最大功率点电压U_p，以U_p作为初始工作点电压，向左侧利用变步长扰动观察法寻得最大功率点，其特征在于包括以下步骤：

步奏一：由太阳能电池等效电路，引出太阳能电池输出特性曲线方程

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_o[e^{\frac{q(U+I{R}_s)}{\mathrm{AKT}}}-1]-\frac{(U+I{R}_s)}{R_p}---\left(1\right)$

公式(1)中：I输出电流，U输出电压，I_ph光生电流，R_s串联电阻，R_p并联电阻，A二极管理想常数，I_o二极管反向饱和漏电流，q电荷量，K玻尔兹曼常数，T环境温度；

引入短路电流I_sc和开路电压U_oc将式(1)中光生电流I_ph和二极管反向饱和电流I_o进行替换，利用Lambert函数将其转化为显示表达式，并将方程两边同时乘以输出电压U，得到

$P=\frac{[U{I}_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U^2]}{R_s+R_p}-\frac{\mathrm{AKTU}}{q{R}_s}W\left(Y\right)$

$Y=\frac{q{R}_s[I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)-U_{\mathrm{oc}}]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\exp \left\{\frac{q(R_s+R_p)(U-U_{\mathrm{oc}})-q{R}_s[U-I_{\mathrm{sc}}(R_s+R_p)]}{\mathrm{AKT}(R_s+R_p)}\right\}---\left(2\right)$

在最大功率点处有

解得最大功率点处电压如式：

$U_m=\frac{[q{R}_s{I}_{\mathrm{sc}}-\mathrm{AKT}](R_s+R_p)[1+W\left(Y_m\right)]}{2q{R}_s[1+W\left(Y_m\right)]+q{R}_{p}W\left(Y_m\right)}---\left(3\right)$

检测太阳能电池的开路电压U_oc与短路电流I_sc；对于不同的太阳能电池，有参数A∈[1，2]，R_s∈[0，∞]，R_P∈[∞，0]，利用参数A、R_s和R_P对太阳能电池功率-电压曲线的单调影响规律，将参数A=1，R_s=0，R_p=∞代入公式(2)-(3)，计算得到上边界功率-电压曲线最大功率点电压U_p，将U_p作为初始电压；

步奏二：测量初始电流I_p，将采集得到的电压U_p与电流I_p传输到控制器内，计算得到初始点功率P_p=U_p*I_p，向U_p左侧进行最大功率点跟踪，记U(1)=U_p，I(1)=I_p，P(1)=P_p；

步奏三：利用公式 $K\left(n\right)=\frac{\mathrm{dP}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}=I\left(n\right)+U\left(n\right)\frac{\mathrm{dI}\left(n\right)}{\mathrm{dU}\left(n\right)}---\left(4\right)$

计算此电压U(n)处功率-电压曲线的斜率；

公式(4)中：K(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的斜率，U(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的输出电压，I(n)是第n(n=1，2，3...)次采样的输出电流；

采用公式：ΔU(n)=λ*K(n)*U(n)    (5)

计算每一步的的扰动步长，以控制太阳能电池的输出功率；

公式(5)中：λ是步长因子，取值区间为[10^-4，10^-2]；

步奏四：利用公式U(n+1)=U(n)+ΔU(n)(6)得到修正后的输出电压U(n+1)，测量电压U(n+1)对应的输出电流I(n+1)，使I(n+1)代替I(n)，重新计算得到斜率K(n+1)代替K(n)；

步奏五：根据K(n)的大小分为以下两种情况进行处理：

①|K(n)|≤δ(δ是一个定义的阈值量，取值区间为[10^-4，10^-3])，则U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压，利用固定电压法将电压固定在U(n)；

②|K(n)|≥δ，依据K(n)的大小步长因子λ选取不同的取值范围，

i.|K(n)|≥1时，步长因子λ取值范围设为[10^-3，10^-2]

ii.|K(n)|<1时，步长因子λ取值范围设为[10^-4，10^-3]

然后返回步奏三，直到满足条件①，则步长ΔU(n)=0，得到U(n)即为功率-电压曲线最大功率点处电压。

2.如果外界环境条件发生变化，则返回权利要求1中的步骤二，重新进行最大功率点跟踪。

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