TW201517191A

TW201517191A - 太陽能電池最大功率點追蹤方法

Info

Publication number: TW201517191A
Application number: TW102139471A
Authority: TW
Inventors: Po-Hung Chen
Original assignee: Univ St Johns
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-01

Abstract

一種太陽能電池最大功率點追蹤方法，其利用常規化電壓增量以及常規化電流增量來判斷太陽光是否處於劇烈變化的狀態，藉以準確地決定太陽能電池工作點的移動方向。

Description

太陽能電池最大功率點追蹤方法

本發明係有關於一種太陽能電池最大功率點追蹤方法，特別是有關於一種在陽光變化劇烈時仍可準確地追蹤太陽能電池的最大功率點的方法。

由於太陽光電池的輸出功率會受到太陽光強度、溫度、環境、附加元件老化衰退及製造材料等因素的影響，讓太陽能電池在不同的條件下會產生不同的功率曲線，也使得太陽能電池的輸出電壓、電流、功率並非呈線性關係變化，如第1a、1b圖所示，因此若要使太陽能電池操作在最佳的功率點，就必須使用最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術，透過MPPT技術讓太陽能電池工作在最佳的工作點，使其有最大的功率輸出。目前常見的最大功率點追蹤技術有：電壓回授法(Voltage Feedback Method)、功率回授法(Power Feedback Method)、直線近似法、擾動觀察法(Perturb and Observe Method)、增量電導法(Incremental Conductance Method)、實際量測法及三點權位比較法(Three Points Weighting Method)等，但都是針對功率的變化做調整。

上述的七種最大功率點追蹤法，就其基本理念而言，大體上是相同的，差別僅在於最大功率點的判斷以及實現方法上。其中擾動觀察法由於其結構簡單且需要量測的參數較少，所以它被普遍地應用在最大功率點追蹤上。但擾動觀察法有一個很大的缺點就是當太陽光強度有較大幅度變化時，擾動觀察法會有錯誤判斷及誤動作，其結果會使工作點反而離最大功率點越來越遠。茲以第2圖說明如下：假設目前的工作點為A點；工作電壓為V，此時控制電路產生一電壓擾動值，使工作點電壓由V→V+△V，如果太陽光強度不變則工作點會由A點→B點，由擾動觀察法原理可知此擾動方向是錯誤的(因為輸出功率減少了)，控制電路會自動往反方向擾動。但不幸的此時太陽光強度剛好變強，使功率-電壓特性曲線由P ₁變為P ₂，因此實際的工作點是由A點→C點，輸出功率反而增加了，擾動觀察法此時會以為此擾動方向是正確的，因此就將工作電壓由V調整到V+△V，如果太陽光強度繼續增強，則此錯誤方向將持續進行，最後導致工作點離最大功率點越來越遠。

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種太陽能電池的最大功率點追蹤方法，可以判斷陽光的強度的變化是否劇烈，而準確地決定擾動的方向。

本發明的最大功率點追蹤方法的一實施例包括下列步驟：(a)提供一太陽能電池；(b)量測該太陽能電池於一第一工作點TP₁的電壓值、電流值以及功率值而得到第一電壓值V₁、第一電流值I₁以及第一功率值P₁；(c)朝一第一擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到一第二工作點TP₂；量測該太陽能電池於該第二工作點TP₂的電壓值、電流值以及功率值而得到第二電壓值V₂、第二電流值I₂以及第二功率值P₂；(d)當該第二功率值 P₂小於該第一功率值P₁，則朝與該第一擾動方向相反的一第二擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到另一第二工作點TP₂ ^’，然後量測該太陽能電池於該另一第二工作點TP₂ ^’的電壓值、電流值以及功率值；(e)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂大於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂，其中V⁺表示V₂與V₁中較大者，V^-表示V₂與V₁中較小者，I⁺表示I₂與I₁中較大者，I^-表示I₂與I₁中較小者，k為常數；(f)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂大於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池輸出電壓保持在該第一電壓值V₁；(g)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂小於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂；(h)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂小於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池輸出電壓保持在該第一電壓值V₁。

其中該常數k的數值在3到5之間。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例並配合所附圖式作詳細說明。

11‧‧‧太陽能電池

12‧‧‧電力轉換器

13‧‧‧控制器

20‧‧‧負載

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11‧‧‧步驟

I‧‧‧電流

V‧‧‧電壓

第1a圖為一習知的太陽能電池的電壓與電流的關係圖。

第1b圖為一習知的太陽能電池的功率與電壓的關係圖。

第2圖為習知的擾動觀察法的示意圖。

第3a圖及第3b圖係依據本發明的最大功率點追蹤方法的流程圖。

第4a圖為本發明的最大功率點追蹤方法中，最大功率點左邊的電壓增量大於電流增量的示意圖。

第4b圖為本發明的最大功率點追蹤方法中，最大功率點右邊的電流增量大於電壓增量的示意圖。

第5圖為本發明的最大功率點追蹤方法與習知的擾動觀察法的差異的示意圖。

第6圖為本發明的使用最大功率點追蹤方法的太陽能電池板的系統方塊圖。

本發明的最大功率點追蹤方法主要是針對太陽光變化劇烈時，如何準確地判斷擾動方向，避免有錯誤的判斷與動作。

為方便說明，對任一擾動前的測試點稱為TP₁(第一工作點)、電壓值稱為V₁(第一電壓值)、電流值稱為I₁(第一電流)、輸出功率稱為P₁(第一功率)；擾動後的測試點稱為TP₂(第二工作點)、電壓值稱為V₂(第二電壓)、電流值稱為I₂(第二電流)、輸出功率稱為P₂(第二功率)。然後，電壓值V₁與V₂中較大的定義為V⁺；較小的定義為V^-，電流值I₁與I₂中較大的定義為I⁺；較小的定義為I^-。接著定義二個參數如下：常規化電壓增量(Normalized Incremental Voltage)：

常規化電流增量(Normalized Incremental Current)：

如第3a圖及第3b圖所示，本發明的最大功率點追蹤方法包括下列步驟：

步驟S1：提供一太陽能電池。

步驟S2：對於目前該太陽能電池的工作點，即第一工作點TP₁，量測其電壓值、電流值以及功率值而得到第一電壓值V₁、第一電流值I₁以及第一功率值P₁。

步驟S3：朝一第一擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到一第二工作點TP₂。

步驟S4：量測該第二工作點TP₂的電壓值、電流值以及功率值而得到第二電壓值V₂、第二電流值I₂以及第二功率值P₂。

步驟S5：若該第二功率值P₂小於該第一功率值P₁，代表擾動後功率變小，擾動方向錯誤，因此進行步驟S6，朝與該第一擾動方向相反的一第二擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到另一第二工作點TP₂，然後回到步驟S4。若該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁，則進行步驟S7以作進一步判斷。

步驟S7：若該第二電壓值V₂大於該第一電壓值V₁，代表目前工作點應是在V-I特性曲線的左半邊，如第4a圖所示，則進行步驟S8，以進一步判斷是否有日照變化很大造成的干擾因素。反之，若該第二電壓值V₂小於該第一電壓值V₁，代表目前工作點應是在V-I特性曲線的右半邊，如第4b圖所示，則進行步驟S10。

步驟S8：判斷是否滿足，其中k為常數，若滿足，代表日照強度並未劇烈變化，前述最新(最後)擾動方向是正確的，因此進行步驟S9，朝該最新擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓，使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂，然後令該第二工作點TP₂成為新的第一工作點TP₁，並回到步驟S3，若不滿足，代表此時有日照變化很大造成的干擾因素，因此進入步驟S11。

步驟S10：判斷是否滿足，若滿足，代表日照強度並未劇烈變化，前述最新擾動方向是正確的，則進行步驟S9，朝該最新擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓，使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂，然後令該第二工作點TP₂成為新的第一工作點TP₁，並回到步驟S3，若不滿足，代表此時有日照變化很大造成的干擾因素，因此進入步驟S11。

步驟S11：因為日照強度劇烈變化造成可能之誤判，此時不宜作任何改變，因此使該太陽能電池保持在該第一電壓值V₁，並回到步驟S2。

上述k值為一比例常數，合理的k值(經驗值)約在3~5之間，k值太大或太小會使調整到最大功率點的時間較長，但不會產生任何誤動作。在太陽光強度激烈變化的時段由步驟S8、步驟S10即可判斷，不會產生錯誤判斷及誤動作，因此工作點電壓可維持不變，工作點會由A點移到D點，如第5圖所示，等待太陽光變化和緩後再進行工作點調整。

在本發明的最大功率點追蹤方法的控制演算法中，步驟S7係用於判斷目前工作點是在V-I特性曲線的左半邊或是右半邊；步驟S8的判別式成立時代表在最大功率點左半邊電壓增量大於電流增量，如第4a圖所示；步驟S10的判別式成立時代表在最大功率點右半邊電流增量大於電壓增量，如第4b圖所示。由步驟S8及步驟S10可判斷是否處於太陽光強度激烈變化的時段，不會產生錯誤判斷及誤動作。本發明的最大功率點追蹤方法與習知的擾動觀察法的差異如第5圖所示，在太陽光強度激烈變化時，本發明的最大功率點追蹤方法中，工作點電壓可維持不變(如保持在第一電壓值V₁)，而工作點會由第5圖的A點移到D點，等待太陽光變化和緩後再進行工作點調整。

第6圖表示本發明的使用最大功率點追蹤方法的太陽能電池的系統方塊圖，其中電力轉換器12將太陽能電池11的輸出電力做穩壓後，提供至負載20，控制器13耦接於電力轉換器12，偵測太陽能電池11輸出的電壓值V及電流值I，並根據第3a圖及第3b圖所示的本發明的最大功率點追蹤方法進行運算及判斷，來控制電力轉換器12輸出電壓的改變，以得到最大功率輸出。

本發明的最大功率點追蹤方法可以在不同日照、溫度及負載情況下自動將太陽能電池的輸出電壓及電流調整在最大功率點附近，在太陽光強度激烈變化的時段可由常規化的電壓及電流增量變化差異值即可判斷，不會產生錯誤判斷及誤動作，因此可以提高發電效率增加發電量，減少太陽能電池的採購，並提高系統可靠度。

本發明雖以實施例揭露如上，然其非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明的精神範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S1、S2、S3、S4、S5、S7、S10、S11‧‧‧步驟

Claims

一種太陽能電池最大功率點追蹤方法，包括：(a)提供一太陽能電池；(b)量測該太陽能電池於一第一工作點TP₁的電壓值、電流值以及功率值而得到第一電壓值V₁、第一電流值I₁以及第一功率值P₁；(c)朝一第一擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到一第二工作點TP₂；量測該太陽能電池於該第二工作點TP₂的電壓值、電流值以及功率值而得到第二電壓值V₂、第二電流值I₂以及第二功率值P₂；(d)當該第二功率值P₂小於該第一功率值P₁，則朝與該第一擾動方向相反的一第二擾動方向改變該太陽能電池的輸出電壓而得到另一第二工作點，然後量測該太陽能電池於該另一第二工作點的電壓值、電流值以及功率值；(e)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂大於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂，其中V⁺表示V₂與V₁中較大者，V^-表示V₂與V₁中較小者，I⁺表示I₂與I₁中較大者，I^-表示I₂與I₁中較小者，k為常數；(f)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂大於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池輸出電壓保持在該第一電壓值V₁；(g)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂小於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池的工作點自該第一工作點TP₁移動至該第二工作點TP₂； (h)當該第二功率值P₂大於該第一功率值P₁且該第二電壓值V₂小於該第一電壓值V₁且時，則使該太陽能電池輸出電壓保持在該第一電壓值V₁。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池最大功率點追蹤方法，其中該常數k的數值在3到5之間。