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太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术分析
作者：林少锐
来源：《科技创新与应用》2013年第21期
摘 要：本文对太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪控制技术进行研究。总结了太阳能最大功率控制技术的研究概况。基于恒定电压控制原理和脉宽调制控制原理，结合MATLAB软件对两种控制策略进行仿真分析，发现两种方法都能较好的实现太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪控制。
关键词：太阳能光伏发电系统；最大功率跟踪；脉宽调制法；恒定电压法 引言
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光伏发电系统是指将自然界中的太阳能通过一些特殊半导体材料的光伏特性，转变成为可以被人类利用的电能的装置。对于太阳能系统来说，其输出的功率特性随外界的气温，光照强度等自然条件的影响较多。在系统环境所处自然条件变化时，光伏发电系统的输出特性也随着外界环境的变化而变化。主要表现在系统的最大输出功率和最佳工作点等变化明显。因此在工程上，光伏系统的高效应用的方法一直是研究的难点和热点问题。因此，对太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪的研究对于太阳能的高效利用具有重要意义。
理论上讲，太阳能光伏发电系统最大功率点是可以根据其规律然后通过某些控制策略来使其稳定已达到太阳能光伏发电系统充分利用的目的的。过去，光伏发电系统的控制方法主要是设计简单的恒压跟踪，然而这并非是真正的最大功率的跟踪。本文将基于恒定电压法和脉宽调制控制法，对太阳能光伏发电系统最大功率跟踪控制技术进行研究。 1 太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制策略研究 1.1 太阳能光伏发电系统阵列的串并联数设计
在光伏发电系统中，当系统负载固定时，可以通过设计不同的光伏发电阵列，实现系统功率的最佳匹配。其原理是，系统的输出阻抗随着太阳光照强度等改变，而太阳光照强度越大其输出阻抗越小。研究发现，光伏发电故系统的输出功率最大时系统的内部串并联数只取决于太阳光照强度。太阳光照强度较大时的串联数较多并联数较少；太阳光照强度较小时系统串联数较少并联数较多。
因此，在太阳能光伏发电系统阵列设计中，首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。 1.2 恒定电压跟踪控制
太阳能光伏发电系统阵列具有如图1所示的伏安特性，在日照强度变化时，伏安特性与系统电路的负载特性曲线的交点即为系统当前的工作点。可见这些工作点不能保证系统以最大功率工作，因此此时的系统不能充分利用当前光照下的所有能量，就需要对系统进行调整和控制。现在将不同日照强度下，系统能够提供的最大功率点连成曲线，就构成了一天最大功率点轨线，如果能够控制系统，使系统的工作点总是在最大功率点曲线附近，就达到了系统的最大功率控制效果。从电路的理论上讲，实现这样的目的需要通过阻抗转换器改变系统的阻抗，就是说要把工作点转移到最大功率曲线上。研究发现，在环境温度一定的情况下，最大功率曲线的末端会形成一条垂直线，因此在实现控制时只需要保持系统输出端电压为常数，而且同时等于相应光照强度下的最大功率点电压即可。这样，通过控制方法就能就保证系统在该一温度下的最大功率。
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恒定电压控制结构如图2所示，在恒压控制的应用中，控制电路以太阳能光伏发电系统的工作电压为一个负反馈，对系统的工作点电压的进行控制。，最大功率控制的实质是在恒定电压的基础上，实时的改变太阳电池的工作点电压，使得工作点电压始终等于最大功率点处的电压，从而实现最大功率点跟踪。它的内环就是CVT，其控制框图如图3所示。通过进一步的仿真我们得到，该方法对太阳能光伏发电系统在最大功率点控制具有良好的跟踪效果。 1.3 脉宽调制法
脉宽调制法的控制原理是，通过利用DC/DC变换器对系统进行孔子。开关工作在开关状态时，变化器通过控制系统信号，把阵列的直流输出变换成一个有可变占空比的方波信号，从而改变了系统的等效负载。在实践中，一般采用脉宽调制对DC/DC变换器进行驱动，它与太阳能光伏发电系统板串联，通过改变PWM波的占空比，控制系统电压达到最大功率跟踪的目的。DC/DC变换电路来实现，通过调节PWM波的占空比控制功率的输出。在Boost变换器的电路中串入最大功率控制控制系统，利用Matlab搭建仿真模型，编写S函数作为最大功率控制的控制模块，对光伏电池的最大功率点进行追踪。
选择短路电流3.2A、开路电压22V、最大功率点电流2.94A和最大功率点电压17V的光伏电池模块组成17益1的光伏电池阵列进行仿真，即其短路电流和光伏电池阵列的开路电压分别为3.2V和374V，光伏电池阵列最大功率点电流和最大功率点电压分别为2.94A和289V。光伏阵列输入太阳光照强度为1000W/m2，温度为25益。对系统仿真结果进行分析，发现基于脉宽调制法控制的光伏电池输出功率范围很大，输出功率比较稳定，跟踪速度也比较快，提高了最大功率跟踪的效率。 3 结束语
太阳能光伏发电系统最大功率点是可以根据其规律然后通过某些控制策略来使其稳定已达到太阳能光伏发电系统充分利用的目的的。随着太阳能技术的发展，传统的控制方法已经显得很不经济。本文基于恒定电压法和脉宽调制控制法，对太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪控制技术进行研究。首先对太阳能最大功率控制技术的国内外研究概况进行总结。随后基于恒定电压控制原理和脉宽调制控制原理，基于MATLAB软件对两种控制策略进行仿真分析，发现两种方法都能较好的实现太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪控制。特别是脉宽调制法输出功率范围很大，输出功率比较稳定，跟踪速度也比较快，提高了最大功率跟踪的控制效率。本文的研究对于太阳能光伏发电系统最大功率跟踪控制的工程实践具有指导意义。 参考文献
[1]王东翔.TDB-100硅太阳能光伏发电系统仿真及P-V特性研究[J].太阳能学报，1994（3）：268-273.
[2]赵剑飞.太阳能发动车最大功率点跟踪器的设计[J].系统仿真学报，2003（5）：737-741.