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光伏发电在农业照明中的应用夏小会，李正明（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013 ）摘要提出了一种改进算法，并对此进行了仿真。仿真结果表明，与传统的 MPPT 控制方法比较，该方法跟踪速度快，跟踪精度高，且在最大功率点处具有较高的稳定性。该方法实现了恒定电压法和滞环比较法的有效结合。关键词农业照明；光伏发电；最大功率跟踪；改进算法中图分类号 TM914． 4 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2011） 26 － 16402 － 03Application of Photovoltaic Power Generation in Agriculture LightingXIA Xiao- hui et al （ School of Electrical and Information Engineering， JiangsuUniversity， Zhenjiang， Jiangsu212013）Abstract An improved algorithm waspresentedand simulated ．As indicated by the simulation results， the improvedalgorithm had quicker track-ing speed， higher tracking accuracy and stability compared with the traditional MPPT method． It achieved the effective combination of constantvoltage processand hysteresiscomparisonmethod．Key words Agricultural lighting ； Photovoltaic powergeneration； Maximum power tracking； Improved algorithm基金项目国家自然科学基金项目（ 60904053）。作者简介夏小会（ 1987 －），男，安徽巢湖人，硕士研究生，研究方向控制理论与控制工程。收稿日期 2011- 05-31由于边远地区地域广阔，架设输电线路难，农业照明一直是当地人们关注的焦点。光伏发电由于能量质量高，不受地域限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便，可以无人职守和无需架设输电线路等优点［ 1］，受到各国的广泛关注。但是，外界环境是不断变化的（如温度、日照等），为了最大效率的利用太阳能，必须对光伏阵列进行最大功率点跟踪。目前，最大功率点跟踪（ Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）的方法很多，如恒定电压法，扰动观察法，增量电导法，模糊控制法，滞环比较法［ 2 － 6］等，但不同控制方法在实际应用中存在不同的优缺点。在对几种常见的 MPPT 方法进行分析的基础上，综合恒定电压法和滞环比较法的优点，提出一种改进启动特性的 MPPT 方法。利用这种方法，能显著提高跟踪速度和精度。1 光伏电池的等效模型及特性1． 1 光伏电池等效模型光伏电池单元的等效电路模型见图 1。其中， Isc为光生电流，正比于光伏电池的面积和入射光的强度。 Id 为无光照下类似于二极管的暗电流。 Rs 为串联电阻， Rsh为并联电阻， Rs 一般很小，而 Rsh 很大［ 7］。图 1 光伏电池等效模型Fig ． 1 Equivalent model of photovoltaic cells光伏电池工作电压电流关系为 Ipv I sc － I 0［ eqU pv/AKT － 1］－ Upv Ipv RsRsh（ 1）式中， Isc为光生电流， I0 为二极管饱和电流， I pv 为光伏电池工作电流， q 为电子电荷 1． 6 10 － 19 C， U pv 为光伏电池工作电压， K 为波尔兹曼常数 1． 38 10 － 23 J/K ， T 为绝对温度， A 为二极管特性因子。理想情况下， Rs 为零， Rsh 为无穷大， A 1，则式（ 1）简化为 Ipv I sc － I 0［ eqU pv/KT － 1］（ 2）当 I pv 0 时，可以得到太阳能电池的开路电压 Voc kTq In（I scI 0 1）（ 3）1． 2 光伏电池的特性光伏电池的输出电压和电流受光照强度和温度的变化而变化。一定光照强度下，光伏电池的 I-V 特性曲线和 P-V 曲线分别见图 2 和 3。图 2 光伏电池的 I- V 特性曲线Fig ． 2 I- V characteristic curve of photovoltaic cells图 3 光伏电池的 P-V 特性曲线Fig ． 3 P-V characteristic curve of photovoltaic cells由图 2、 3 可知，太阳能光伏电池具有明显的非线性。光伏电池在同一温度（ T）不同日照（ S）下的 I-V 和 P-V 特性曲线分别见图 4 和 5。由图 4、 5 可知，光伏电池的输出功率随光强增加而增大（ S1 ＜ S2 ＜ S3）。光伏电池在同一日照（ S）不同温度（ T）下的 I- V 和 P- V特性曲线分别见图 6、 7。由图 6、 7 可知，光伏电池的输出功率随温度的增加而降低［ 8 － 10］（ T1 ＜ T2 ＜ T3）。责任编辑李占东责任校对李岩安徽农业科学， Journal of Anhui Agri ． Sci ． 2011， 39 （ 26 ） 16402 － 16404图 4 不同日照下的 I- V 曲线Fig ． 4 I- V curve under different sunlight intensities图 5 不同日照下的 P-V 曲线Fig ． 5 P-V curve under different sunlight intensities图 6 不同温度下的 I- V 曲线Fig ． 6 I- V curve under different temperature图 7 不同温度下的 P-V 曲线Fig ． 7 P-V curve under different temperature2 改进算法的原理及仿真2． 1 改进算法的原理滞环比较法能够消除振荡现象和电压崩溃现象，但要求 A、 B、 C 3 点都在最大功率点附近。而固定电压法结构简单，成本低，能够快速找到最大功率点，但跟踪精度不够。一种更好的算法是综合这 2 种方法的优点，前期使用固定电压法迅速找到最大功率点，后期使用滞环比较法提高控制精度。这样系统具有最优的启动特性，启动速度快而平稳，功率单调增加，不会出现波动现象。具体原理见图 8。图 8 双重算法示意Fig ． 8 Schematic diagram of the dual algorithm图 9 扰动观察法功率输出波形Fig ． 9 Power output waveform of perturbation and observationmethod图 10 改进算法功率输出波形Fig ． 10 Power output waveform of improved algorithm改进算法先测量光伏阵列的开路电压 Uoc，乘以系数0． 8，得到一个参考电压 Uref 。首先让系统以恒定电压法启动，扰动量为 Δ U1，并不断记录当前光伏阵列的工作电压，并与参考电压 Uref 比较，当当前工作电压与参考电压误差绝对值大于设定参数 ε 时，则继续以 Δ U1 的扰动量增大电压，直到当前工作电压与参考电压误差绝对值小于设定参数 ε ，如图 8 中的 D 点，系统即认为恒定电压法控制结束，系统已经到达了最大功率点附近。这就是第 1 阶段的恒定电压法控制。当系统到达 D 点，改用滞环比较法控制，并记录此时的电压值和电流值，计算出相应的功率。系统改用较小扰动量Δ U2 ，以提高跟踪精度。此时图 8 中 D 点功率即为滞环比较法中的 PA，连续 2 次增加扰动，并分别记录相应的电压值和3046139 卷 26 期夏小会等光伏发电在农业照明中的应用电流值，计算出各自的功率，其值分别为滞环比较法中的 PB和 PC 。再通过滞环比较法中 PA、 PB 、 PC 3 点功率的比较确定具体的扰动方向，直到系统工作在最大功率点。这是第 2 阶段的滞环比较法控制。若此时始终让系统工作在第 2 阶段，则当外界光照和温度发生变化时，系统仍以滞环比较法进行控制，由于设定的滞环比较法步长较小，所以很难快速跟踪到新的最大功率点。为能够适应外界环境的变化，需要重新启用恒定电压法迅速找到最大功率点的近似位置，再转至滞环比较法。为此，为系统设置了定时器。当定时时间到时，系统重新采集光伏阵列的开路电压 U oc，得到新的参考电压 Uref ，并重新运用恒定电压法快速跟踪新的最大功率点。为避免因不断切换控制算法而带来较大的功率损失，定时器定时时间可为分钟级别。这是第 3 阶段的定时跳转阶段。改进算法前期使用恒定电压法及较大步长大大提高了跟踪速度，后期使用滞环比较法及较小步长，旨在提高控制精度，减少功率损失。2． 2 仿真结果在 Matlab /Simulink 环境下分别对改进算法及常用的扰动观察法进行了仿真研究。 2 种算法的功率输出波形见图 9、 10。由图 9、 10 可知，扰动观察法在最大功率点处上下波动，稳定后输出功率平均值为 248 W，稳定时间为0． 045 s。而改进算法稳定后为一条平滑的直线，稳定时间为0． 038 s，稳定后输出功率为 249 ． 2 W。3 结论该研究采用改进算法对光伏系统中最大功率跟踪进行了研究，并通过与传统算法进行仿真比较。由仿真比较可知，改进算法启动过程平稳，具有跟踪速度快、跟踪精度高的特点。它完全消除了扰动观察法固有的振荡现象和电压崩溃现象，具有较大的优越性。参考文献［ 1］车孝轩．太阳能光伏系统概论［ M］．武汉武汉大学出版社， 2006．［ 2］ PARK S S， JINDAL A K， et al ． An optimized sensorlessMPPT methodforPV generationsystem［ C］ / /Canadian Conferenceon Electrical and Com-puter Engineering， CCECE ＇09． Delta St． John＇s Hotel and ConferenceCen-tre， St． John＇s， Newfoundland， Canada IEEE， 2009 720 － 724．［ 3］赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究［ D］．合肥合肥工业大学，2003 25 － 44．［ 4］ NICOLA FEMIA ， GIOVANNI PETRONE， GIOVANNI SPAGN-UOLO， etal ． Optimization Tracking Method［ J］． IEEE Transactionson Power Elec-tronics， 2005， 7 963－ 973．［ 5］ NOBUYOSHI MUTOH， TAKATOSHI MATUO， KAZUHITO OKADA， et al ．Predicion－ Data － Based Maximum － Power－ Point － Tracking － Methodfor PhotovoltaicPower GenerationSystems［ J］． Power Electronics Special-ists Conference， 2002， 3 1489－ 1494．［ 6］ WON C Y， KIM D H， KIM S 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页）对其投入的研究也正在快速的增多。其中对拖拉机等农用车辆的自动引导行走机理的研究已被广泛关注，并取得了长足的进展，虽然还未达到实用化程度，但可以预计将来会被投入到农业生产之中。目前有关农用车辆的自动引导行走功能的研究多是车辆本身行走的无人化，而将行走与通过机械手进行对物体的操作相结合的研究很少。因此，不论从未来的农用自动引导行走车辆应当具有重量物的装卸功能，还是提高与拖拉机配套的装载机械化功能，都有必要研究为农用车辆配备机械手式装卸机构。3 结语随着国家对农业机械化发展的重视，特别是在资金和政策上的大力支持下，我国农业机械化必将在当前形势下取得快速发展。农业机械装备科研单位和生产企业应发挥自己的优势，深入调查，对农用装卸机技术的研究开发给予相应投入。特别是近年农用拖拉机的普及得到很大的发展，而与拖拉机配套的农机具的发展却严重滞后，做好拖拉机配套农机具的研发与推广工作，已成为农机行业迫切需要解决的问题。为解决上述问题，有必要对农用拖拉机配置装卸机构进行研究，从而提高我国农业机械化总体水平，加速我国农业机械化进程。参考文献［ 1］张桃林．转变方式提升质量努力推动农业机械化科学发展［ R］．北京全国农业机械化工作会议， 2009．［ 2］张本领，陆志伟，孟繁浧，等．浅析大中型拖拉机与农具配套问题［ J］．机械与电子， 2008（ 26） 90．［ 3］李勇，曾志新，林颖，等． JLZ03 小型农用装载机的研制［ J］．工程机械，2004（ 7） 9 － 12．［ 4］ OGAWA M， KUBOTA T， TAKAMOTO H． Developmentof a fruits harvestwork laborsavingsystem（ part 4）（ in Japanese）［ C］ / /58th JSAM AnnualMeeting Lecture Abstract ．Saca JSAM， 1999 33 － 34．［ 5］ HACHIYA M， YAMAGATA M， KOJIMA M． Handling technology for themachineharvestsystemof a cabbage（ in Japanese）［ C］ / /60 th JSAM Annu-al Meeting Lecture Abstract ．Toriki JSAM， 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