光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究綜述

邵龍，劉觀起，胡婷

（華北電力大學(xué)，河北保定 071003）

隨著社會(huì)能源和資源的需求越來越大以及環(huán)境壓力的與日俱增，新能源發(fā)電越來越受到重視。光伏發(fā)電作為一種極具有發(fā)展前途的新能源技術(shù)，已經(jīng)成為新能源發(fā)電的一個(gè)重要組成部分。太陽能取之不盡，用之不竭，不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有噪聲等污染，對(duì)環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源[1]。然而，光伏電池的輸出電壓與電流均受到外界光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等諸多客觀因素影響，所以其輸出特性具有明顯的非線性特征，這就無法使光伏電池始終工作在高效率的狀態(tài)，進(jìn)而增加了光伏發(fā)電的成本。為了充分利用光伏電池所轉(zhuǎn)化的能量，必須在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。

本文對(duì)目前的最大功率點(diǎn)跟蹤的相關(guān)算法進(jìn)行分類，并對(duì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法

光伏電池是一種非線性的直流源，圖1和圖2分別給出了某光伏陣列不同光照強(qiáng)度和不同電池結(jié)溫下光伏陣列輸出的特性曲線。由圖1和圖2可知，當(dāng)外界自然條件改變時(shí)，光伏陣列的輸出特性將隨之改變，其輸出功率及最大功率點(diǎn)亦相應(yīng)改變。并且，光照強(qiáng)度變化主要影響陣列輸出電流，而電池結(jié)溫的變化主要影響輸出電壓。當(dāng)光伏陣列的工作電壓位于最大功率點(diǎn)電壓UMPP時(shí)，光伏陣列就輸出最大功率PMPP。

圖1 不同光照強(qiáng)度下光伏陣列的輸出特性Fig.1 Irradiance characteristics of PV array

根據(jù)光伏電池的特性，常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有如下幾種：

1）CVT法；

2）基于優(yōu)化模型的控制算法，主要有短路電流檢測(cè)法、開路電壓檢測(cè)法、電流掃描法等；

3）基于人工智能的處理算法，主要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；

圖2 不同電池結(jié)溫下光伏陣列的輸出特性Fig.2 Temperature characteristics of PV array

4）基于擾動(dòng)自尋優(yōu)的控制算法，主要有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等；

5）負(fù)載電流/電壓最大法。

1.1 CVT法

CVT[2]法是一種簡(jiǎn)化的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，這種方法實(shí)際上是一種穩(wěn)壓控制，但是這種跟蹤方法忽略了溫度對(duì)陣列輸出電壓的影響，其實(shí)質(zhì)并不是真正的最大功率點(diǎn)跟蹤，對(duì)于日溫差或日溫差比較大的地區(qū)，CVT法并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率。

采用CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。但其缺點(diǎn)是，MPPT精度差，系統(tǒng)工作電壓的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)工作效率影響大；控制的適應(yīng)性差，即當(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境條件改變時(shí)，對(duì)最大功率點(diǎn)變化適應(yīng)性差。

1.2 基于優(yōu)化模型的控制算法

這類方法是以建立優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)造求解方法及光伏陣列特性曲線，從而得出光伏陣列的最大功率輸出。

1.2.1 短路電流檢測(cè)法

從光伏陣列的輸出特性還可以看出，當(dāng)光伏陣列的短路電流ISC在環(huán)境改變而變化時(shí)，光伏陣列的最大功率點(diǎn)電流IM也近似的與ISC成線性變化。由此可得IM與該光照強(qiáng)度下光伏陣列的短路電流ISC近似為線性關(guān)系，即

式中，K為比例常數(shù)且小于1，其受溫度的影響非常小，不同的光伏陣列K的取值不同，其中文獻(xiàn)[15]中的K值為0.86，文獻(xiàn)[16]取值為0.92。

由于式（1）是一個(gè)近似的公式，所以光伏陣列并不是工作在真正的最大功率點(diǎn)上。另外測(cè)量ISC，通常需要在逆變器中添加開關(guān)來周期性的短路光伏陣列從而測(cè)得ISC[17]。

1.2.2 開路電壓檢測(cè)法

從光伏陣列的輸出特性還可以看出，當(dāng)光伏陣列的開路電壓Uoc在不同的光強(qiáng)和溫度下發(fā)生改變時(shí)，光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓UM也近似地隨之成比例變化，可知光伏陣列的UM和Uoc之間存在著近似的線性關(guān)系，即

式中，KU為比例常數(shù)且小1。文獻(xiàn)[18]給出的數(shù)值為0.71，可以通過將光伏陣列和負(fù)載斷開來測(cè)。

采用開路電壓比例系統(tǒng)法不會(huì)產(chǎn)生在最大功率點(diǎn)附近的振蕩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用廉價(jià)的模擬電路實(shí)現(xiàn)。但由于式（2）是一個(gè)近似的公式，所以光伏陣列并不是工作在真正的最大功率點(diǎn)上，同時(shí)由于測(cè)量Uoc要將負(fù)載側(cè)斷開，所以存在瞬時(shí)的功率損失[16]。

1.3 基于智能的處理算法

1.3.1 模糊控制

模糊控制法[19-23]是一類人工智能，其實(shí)現(xiàn)可以分為以下3個(gè)步驟：模糊化、控制規(guī)則評(píng)價(jià)和解模糊。模糊控制器的輸入通常為誤差E和誤差變化量ΔE。由于在最大功率點(diǎn)處dP/dU=0，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中其輸入變量E和ΔE可以用以下兩式確定：

由此可知，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，誤差量E（n）為0。為了滿足計(jì)算的精度要求，輸入變量的模糊子集數(shù)量可以靈活選擇。由于最終需要的是一個(gè)精確的控制量，最后需要通過隸屬函數(shù)將模糊輸出變換為精確輸出，即解模糊的過程。模糊控制用于光伏器件最大功率點(diǎn)跟蹤控制，具有較好的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，應(yīng)用前景廣闊。

模糊控制最大的特點(diǎn)是將專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語言控制規(guī)則，再用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)，模糊控制跟蹤迅速，達(dá)到最大功率點(diǎn)后基本沒有波動(dòng)，即具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。但是定義模糊集、確定隸屬函數(shù)的形狀以及規(guī)則表的制定這些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要設(shè)計(jì)人員更多的直覺和經(jīng)驗(yàn)。

1.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[24-27]是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制算法。最普通和常用的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有3層神經(jīng)元：輸入層、隱含層和輸出層。應(yīng)用于光伏陣列時(shí)，輸入信號(hào)可以是外界環(huán)境的參數(shù)，光伏陣列的參數(shù)例如開路電壓、短路電流，可以是上述參數(shù)的合成量。輸出信號(hào)可以是經(jīng)過優(yōu)化后的輸出電壓、變流器的占空比信號(hào)等。

為了獲得光伏陣列的精確的最大功率點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練必須使用大量的輸入、輸出樣本，而大多數(shù)的光伏陣列的參數(shù)不同，因此對(duì)于不同的光伏陣列，需要進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練，而這個(gè)訓(xùn)練過程耗時(shí)很長(zhǎng)。在訓(xùn)練結(jié)束后，基于該網(wǎng)絡(luò)不僅可以使輸入輸出的訓(xùn)練樣本完全匹配，這是簡(jiǎn)單的查表功能所不能實(shí)現(xiàn)的，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢(shì)所在。

1.4 基于擾動(dòng)自尋優(yōu)的控制算法

這類算法是目前研究最廣也是應(yīng)用較為普遍的控制算法，其不直接檢測(cè)外界環(huán)境因素的變化，而是根據(jù)直接測(cè)量到的光伏陣列的電壓和電流等信息進(jìn)行最大功率跟蹤。

1.4.1 擾動(dòng)觀察法（P&O）

擾動(dòng)觀察法（Perturb&Observe，P&O）[3-7]是目前實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的常用方法之一。其原理是每隔一段時(shí)間對(duì)光伏陣列的工作點(diǎn)實(shí)施擾動(dòng)，然后測(cè)量其功率變化，與擾動(dòng)之前功率值相比較，若功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可朝同一方向擾動(dòng)；若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前，則往相反方向擾動(dòng)。

擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，跟蹤算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，被測(cè)參數(shù)少，對(duì)傳感器精度要求不高，而且是一種真正的最大功率跟蹤。

擾動(dòng)觀察法的缺點(diǎn)：

1）引入擾動(dòng)后系統(tǒng)將在最大功率點(diǎn)附近來回振蕩，造成功率損失。

2）擾動(dòng)步長(zhǎng)大小的選取要兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。步長(zhǎng)大，穩(wěn)態(tài)時(shí)來回振蕩范圍大，能量損失也大，但外界環(huán)境突變時(shí)跟蹤速度快；步長(zhǎng)小，穩(wěn)態(tài)時(shí)來回振蕩范圍小，能量損失小，但外界環(huán)境突變時(shí)跟蹤速度慢。

3）當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生較快變化時(shí)，擾動(dòng)觀察法則會(huì)損失較大的功率，并且很有可能發(fā)生誤判[3]。

目前，關(guān)于擾動(dòng)觀察法研究文獻(xiàn)非常多，針對(duì)擾動(dòng)觀察法存在的缺點(diǎn)，很多文獻(xiàn)已經(jīng)提出了一些改進(jìn)和優(yōu)化的方法，文獻(xiàn)[15]巧妙地利用經(jīng)典干擾觀察法中擾動(dòng)方向改變的時(shí)刻來控制步長(zhǎng)得改變，即每當(dāng)△P變?yōu)樨?fù)值就減少步長(zhǎng)；文獻(xiàn)[16]采用了一種自適應(yīng)的變步長(zhǎng)干擾觀察法；文獻(xiàn)[17]提出一種基于占空比的變步長(zhǎng)的干擾觀察法；文獻(xiàn)[18]提出了模糊控制的擾動(dòng)觀察法；文獻(xiàn)[19]采用了3點(diǎn)加權(quán)比較來避免外部環(huán)境發(fā)生突變發(fā)生的誤判。

1.4.2 電導(dǎo)增量法

1）原理

由光伏電池的P-U曲線可以看出，在最大功率點(diǎn)處有dP/dU=0，通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出在最大功率點(diǎn)處有下式成立：

因此，將式（5）作為判定光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)的依據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。在實(shí)際應(yīng)用中增量電導(dǎo)法需要給一個(gè)合適的閾值E，并認(rèn)為dP/dU=±E時(shí)系統(tǒng)就工作在最大功率點(diǎn)。當(dāng)變化小于這個(gè)閾值的時(shí)候就不再改變電壓工作點(diǎn)，理論上閾值越小越好，越小則最后的工作點(diǎn)越接近最大功率點(diǎn)，但實(shí)際中如果閾值設(shè)置太小，則系統(tǒng)永遠(yuǎn)達(dá)不到穩(wěn)定，最后導(dǎo)致在一定的范圍內(nèi)振蕩。

2）優(yōu)缺點(diǎn)分析

采用IncCond法的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，控制穩(wěn)定度高，不受功率時(shí)間曲線的影響。但其缺點(diǎn)是控制算法復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求高。

目前，針對(duì)電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)，許多文獻(xiàn)提出了改進(jìn)和優(yōu)化的方法，文獻(xiàn)[23]提出了以dP/dU為變步長(zhǎng)直接調(diào)節(jié)占空比的電導(dǎo)增量控制法；文獻(xiàn)[24]根據(jù)U-I特性曲線，把區(qū)域分為恒流源區(qū)和恒壓源區(qū)，提出了通過檢測(cè)電流變化率的大小來變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法；文獻(xiàn)[25]在傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上提出了基于變步長(zhǎng)的占空比的功率檢測(cè)法。

1.5 負(fù)載電流/電壓最大法

MPPT的目的是使光伏陣列的輸出功率最大化，當(dāng)光伏陣列與變流器相連接的時(shí)候，這個(gè)問題可以轉(zhuǎn)化為使變流器輸出端即負(fù)載上的功率最大化[28-29]。

絕大多數(shù)的線性負(fù)載都可以分為以下4類:電壓源型負(fù)載、電流源型負(fù)載、電阻型負(fù)載以及電阻和電壓源組合的負(fù)載，對(duì)大多數(shù)線性負(fù)載來說，都可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載的電壓和電流來使負(fù)載功率最大。而對(duì)于非線性負(fù)載，當(dāng)其阻抗非負(fù)時(shí)，這種單輸出變量的控制同樣適用。

傳統(tǒng)的控制方法是通過控制變流器等輸入端的電壓或電流來獲得最大功率點(diǎn)，而對(duì)于負(fù)載電流/電壓最大法來講，只需要獲得輸出電壓或者電流值中的一個(gè)即可完成最大功率點(diǎn)的跟蹤，因此在功能的實(shí)現(xiàn)上更加簡(jiǎn)單。由于這種方法是把變流器假設(shè)為理想變流器為前提的，負(fù)載電流/電壓最大法并不是真正的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法。

2 結(jié)語

綜上所述，各種跟蹤控制方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，我們?cè)谶x擇具體方法時(shí)，應(yīng)該綜合全面考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量、成本、需求等因素，選擇出合適的方法。由于各種方法都具有一定的局限性，而且對(duì)各個(gè)方法的改進(jìn)往往需要進(jìn)行大量的投入，增加了成本。所以，我們可以考慮將多種方法組合起來使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這樣就可以發(fā)揮各種方法自身的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)前面的論述可以看出，各種跟蹤控制方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，應(yīng)該結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量、成本、需求權(quán)衡來選擇一種方法，由于光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的發(fā)展很不完善，其技術(shù)手段尚未完全成熟，因此光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法還具有廣泛的研究前景和發(fā)展空間。

本文已經(jīng)介紹了基于模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MPPT控制方法，盡管人工智能還有很多缺陷，但是它在某些方面還是更勝于人類思維。隨著光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究的逐漸深入，數(shù)學(xué)模型的逐步優(yōu)化將會(huì)簡(jiǎn)化求解方法，智能處理方法的應(yīng)用也會(huì)得到越來越多的應(yīng)用[17]。

由于各種MPPT方法均存在著一定的缺點(diǎn)或者局限性，并且對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)又要付出實(shí)現(xiàn)難易度以及成本上的代價(jià)，因此對(duì)各種方法有機(jī)結(jié)合則可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點(diǎn)。例如：文獻(xiàn)[30]提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與電導(dǎo)增量法相結(jié)合的方法，文獻(xiàn)[31]提出了CVT法與小步長(zhǎng)干擾觀察法相結(jié)合的方法。

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