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1、光伏电池及其最大功率点跟踪1 光伏电池1.1 光伏电池简介太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太能即时转化为电能的器件。 当太 照在半导体 p-n 结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子 - 空穴对，在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，这使得相应区 域的主载流子的浓度在靠近 p-n 结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得 主载流子朝着外部接触面的方向扩散， 导致外部端子上产生电压， 接通电路后就 形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有 0.5V 左右，常 见的单体电池输出功率一般在 1W 左右，一般不能直接作为电源使用。 单体
2、电池 除了容量小以外， 其机械强度也较差。 因此在实际应用中， 将若干光伏电池单体 串并联并封装起来成为有比较大的输出功率 （几瓦到几百瓦不等） 的太阳能电池 组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列， 可以作为大型光伏并 网逆变器的功率输入图2.1太阳能电池单体、组件、方阵示意图1.2光伏电池数学模型光伏电池的数学模型12可以由图2.2所示的单二极管等效电路13来描述。图中Rl为光伏电池的外接负载，负载电压为Ul，负载电流为Il o Rs和Rsh为 光伏电池阻。Rs为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散 电阻以及电极电阻等；Rsh为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池
3、表面污染和 半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层的复合电流等。Ivd为通过p-n结的总扩散电流。Isc代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积 和本体温度T|LRLqE(2.1)IvdlDo(eAKT 1)式中Id0为光伏电池在无光照时的饱和电流。旁路电阻两端电压Ush Ul IlRs，流过旁路电阻的电流为1 sh U L 1 L Rs / Rsh 0由以上各式可得负载电流为：q(UL IlRs)l L l sc I DO e AKT1Ul IlRsRsh(2.2)般Rs很小，Rsh很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性:qUL(2.3)Il lsc lDo(eAKT 1)由
4、式2.3可得UlAKTIn1 sc 1 Ll D0(2.4)光伏电池常用的5个参数为开路电压Uoc、短路电流Isc、最佳工作电压U（最大功率点电压）、最佳工作电流Im最大功率点电流）和最大输出功率 Pm O 本设计所用光伏模块的最大输出功率为 265W，开路电压为39V，短路电 流为8.93A，最佳工作电压为31V，最佳工作电流为8.55A。1.3光伏电池输出特性+ JQOOWWlOCOWAn1800WnJ图2.3光伏电池在不同照度下的输出特性曲线族图2.4光伏电池在不同照度下的输出特性曲线族光伏电池的输出特性可以由 I-U 特性曲线表示，输出特性取决于温度和照 度。固定温度和照度两个参数中的
5、一个，改变另一个，就可以得到相应的 I-U 和 P-U 特性曲线。保持温度不变，改变照度，可以得到如图 2.3 所示的输出特性曲线族。由图 中曲线族可知，随着辐照度的变化，开路电压没有明显变化， 短路电流变化明显， 最大功率点功率也大幅变化。保持照度不变，改变温度，可以得到如图 2.4 所示的输出特性曲线族。由图 中曲线族可知，随着温度的变化，短路电流变化很小，开路电压变化明显，最大 功率点功率变化也较为明显。2 最大功率点跟踪2.1 最大功率点跟踪简介由光伏电池的输出特性知， 在不同的外部条件下， 光伏电池可运行在不同且 唯一的最大功率点 (Maximum Power Point ，MPP)
6、 上。对于光伏发电系统，我 们希望光伏电池工作在最大功率点上， 以最大限度的将光能转化为电能。 利用控 制方法实现光伏电池的最大功率运行的技术被称为最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking ， MPPT) 14技术。依据判断方法和准则的不同可将传统的 MPPT 方法分为开环和闭环 MPPT 方法。开环 MPPT 方法基于光伏电池的输出特性曲线的基本规律，通过简单的开 环控制来实现 MPPT ，主要有定电压跟踪法、 短路电流比例系数法和插值计算法。以定电压跟踪法为例， 由图 2-4 可知，在辐照度大于一定值且温度变化不大时，光伏电池的P-U输出特性曲线上最大功率
7、点几乎分布在一条垂直的直线两 侧。所以，如果能够将光伏电池的输出电压稳定在最大功率点附近的某一电压处，光伏电池就可以获得近似的最大功率输出， 这种方法就称为定电压跟踪法。研究表明，光伏电池的最大功率点电压 Umpp与其开路电压之间近似为线性关系。U mppkUoc(2.5)其中k的值取决于光伏电池特性，一般在 0.8左右。定电压跟踪法尽管不能精确跟踪最大功率点， 却可以实现快速跟踪。可以考 虑在启动过程中采用此方法以实现快速跟踪最大功率点，然后再采用其他更精确 的方法以实现精确跟踪。总之，开环类方法简单且易于实现，可以快速将工作点稳定在近似最大功率 点附近区域，但要实现进一步的精确跟踪则需引入
8、闭环控制。闭环MPPT方法是通过对光伏电池输出电压和电流的实时测量与闭环控制 来实现MPPT，以自寻优类算法应用最为广泛。典型的自寻优类算法有扰动观测 法和电导增量法15。由图2.4可知正常光照条件下光伏电池的 P-U输出特性曲线是以最大功率 点为极值的单峰值函数，所以在最大功率点处有(2.6)dPdU由于此类算法由数字控制实现，实际中常以条件P/ U 0近似代替。无论是扰动观测法还是电导增量法，通常都采用对电压值步进搜索的方法， 即从起始 开始，每次对电压值做一有限变化（ U），计算前后两次功率差（P ）的值 由于在同一搜索过程中， U的值一般不为0，不论扰动方向如何，系统总是朝 着功率增大的方向搜索，找出满足 P/ U 0的工作点，从而实现自寻优控制。2.2扰动观测法P2P1PU U1U2(a)U”(c)(d)图2.5扰动观测法 MPPT过程示意图假定辐照度和温度等环境条件不变，并设上一次光伏电池的电压、电流检测值为U、丨，对应的输出功率为P，当前光伏电池的电压、电流检测值为6、J，对应的输出功率为R，电压调整步长为 U，电压调整前后的输出功率差为 P。
光伏电池与最大功率点跟踪
