基于無源控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術研究

王鵬

摘要：隨著時代的進步和社會經濟的發(fā)展，能源需求越來越大，但是地球上的能源資源是有限的，那么人們就開始利用太陽能資源。傳統(tǒng)的單級式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，因為只有一級能量變換系統(tǒng)，那么在光伏陣列輸出功率的影響，就會改變電網的功率，而很多的因素都會影響到光伏陣列的輸出功率，那么就需要對光伏陣列的工作點進行良好控制。本文簡要分析了基于無源控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術，希望可以提供一些有價值的參考意見。

關鍵詞：無源控制；光伏發(fā)電系統(tǒng)；MPPT技術

1 前言

在單級式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中，對逆變器控制系統(tǒng)提出了很高的要求，不僅需要并網控制，還需要跟蹤光伏陣列的最大功率點，以此才可以促使系統(tǒng)的整體效率得到提高，對太陽能資源進行充分的利用。本文將基于歐拉-拉格朗日模型的無源功率控制策略應用到逆變器中，以此來有效控制輸出的有功功率和無功功率。同時，為了促使光伏陣列的最大功率點跟蹤得以實現(xiàn)，也就是MPPT技術，我們有機結合了MPPT算法和無源功率控制理論。如果將開關損耗以及線路損耗給忽略掉，那么結合光伏直流側和逆變器輸出側的功率平衡原理，要想對光伏陣列的工作點進行改變，只需要對逆變器輸出側的有功功率進行調整即可。因此，為了促使跟蹤最大功率點的目的得以達到，就可以通過對MPPT模塊的輸出功率進行改變，對逆變器輸出側有功功率的期望值進行設定。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是利用光伏電池來對太陽輻射能進行轉換，使其轉換為電能。在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中，非常核心的部件就是光伏電池，它將光生伏打效應給充分利用了起來，如果光伏電池上受到了太陽光的照射，光能就會被電池所吸收，促使光生電子-空穴對產生。電池內建電場會分離光生電子和空穴，促使有異號電荷積累出現(xiàn)于電池兩端，促使光生電壓得到實現(xiàn)。如果將電極引出于內建電場兩側，并且將負載接上去，那么因為有光生電流通過于負載上，成功輸出功率，這樣就直接將太陽能轉換為了光能。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術：本文主要介紹了最大功率點跟蹤技術，這種技術指的是如果改變了光照強度和溫度等外界條件，那么為了促使陣列能夠始終在最大功率點上工作，系統(tǒng)就對光伏陣列的輸出電壓、電力以及其他物理量等進行控制和改變，這樣輸出的就可以是最大功率的光伏陣列。因為時間的不同，會改變環(huán)境參數(shù)，如光照強度等，那么光伏陣列工作就無法在最大功率點處保持下來，促使光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換效率得到降低，電能得到較大程度的建好。因此，就需要研究MPPT技術，以此來與周圍環(huán)境的變化相適應，促使光伏陣列的最大輸出功率獲取到，實現(xiàn)光伏陣列利用率提高的目的。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤

通過實踐研究表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，除了光伏電池的內部特性會影響到光伏電池的利用率，外界環(huán)境因素也會對其產生較大程度的影響，如光照強度、溫度、負載等等；那么就需要應用最大功率點跟蹤技術，以此來促使光伏電池適應不斷變化的外界環(huán)境條件，促使光伏電池在最大功率點上運行；最大限度的將光能轉換為電能，促使太陽能資源得到充分利用。

（1）光伏電池的輸出特性

設光伏電池的開爐電壓、短路電流以及最大功率點電壓和最大功率點電流等參數(shù)都是已知的，那么就可以結合相關軟件，來進行數(shù)學模型的搭建工作。如下圖所示：

對光照強度和溫度值進行改變，利用模型來進行仿真，那么就可以得出光伏電池輸出功率所受到不同光照強度和溫度的影響。如果溫度是不變的，那么光伏電池的開路電壓在光照強度的變化下，并沒有受到較大的影響，而在增強光照強度的過程中，會明顯增大短路電流。如果光照強度是固定的，那么光伏電池的開路電壓就會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，并且它對溫度之間呈反比的關系，短路電流受到溫度的影響不太顯著，但是也有一些微弱的變化存在。

（2）傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤算法

結合相關的電路原理我們可以得知，如果光伏電池有著相等的輸出阻抗和負載阻抗，那么光伏電池就可以獲得最大的輸出功率。從實質上來講，光伏電池的MPPT過程，其實就是它的輸出阻抗和負載阻抗。因為環(huán)境因素會在較大程度上影響到光伏電池的輸出阻抗，因此，要想實現(xiàn)光伏電池的MPPT控制，就可以實時調節(jié)負載阻抗，使其對光伏電池的輸出阻抗進行跟蹤。通常情況下，可以將傳統(tǒng)的MPPT方法劃分為兩大類，分別是開環(huán)和閉環(huán)，這種劃分依據(jù)是判斷方法和準則的不同，開環(huán)MPPT方法依據(jù)的是光伏電池輸出特性曲線在光照強度、溫度以及負載等因素影響下所呈現(xiàn)的規(guī)律，如恒定電壓法等。閉環(huán)MPPT方法在跟蹤最大功率點方面，則是通過實時測量光伏電池輸出電壓和電流值來實現(xiàn)的，如擾動觀察法、電導增量法等等。

（3）基于功率控制的最大功率點跟蹤算法

傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤算法，在跟蹤最大功率點時，在控制量方面，選擇的是光伏電池的輸出電壓，那么在判定的過程中，就需要將光伏電池的輸出特性給充分納入考慮范圍，以此來對控制量的變化方向進行考慮，實現(xiàn)起來存在著較大的難度。同時，如果沒有合理的設置電壓初始值，將會影響到系統(tǒng)的輸出功率。那么就需要對其進行簡化，本優(yōu)化算法的基本思想沒有改變，依然是如果關系式dp/dV=0得到了滿足，那么就說明光伏電池在最大功率點上工作，如果不滿足，就說明光伏電池沒有在最大功率點上工作，那么為了跟蹤最大功率點，就需要增加功率。具體來講，本算法的實現(xiàn)流程如下圖所示：

在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中，可以有兩種功率控制方法，一種是控制并網逆變器的輸入參數(shù)，另一種則是控制并網逆變器的輸出參數(shù)，前者指的是對逆變器輸入側光伏電池的輸出電壓和電流進行直接檢測，對光伏電池的輸出功率進行計算，在對光伏電池的最大功率點進行尋找時，采用的是功率繞道尋優(yōu)的方法。后者指的是不將逆變器開關損耗和線路損耗納入考慮范圍，將功率原理給利用起來，在對光伏電池最大功率點進行尋找時，利用的是并網逆變器網側輸出功率擾動方法。

4 結語

通過上文的敘述分析我們可以得知，在如今能源資源日趨緊張的狀況下，太陽能資源受到了社會的普遍重視；出現(xiàn)了大量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中，最為關鍵的部分就是光伏電池，要想促使系統(tǒng)的整體效率得到提高，對太陽能資源充分利用，就需要對光伏電池的工作點進行實時調節(jié)，促使其能夠工作于最大功率點，以此來向后級并網逆變器提供更多的輸出功率。本文主要研究了基于無源控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術，希望可以提供一些有價值的參考意見。

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