太陽能光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究

汪春生

摘 要：由于能源危機(jī)越來越影響人類的生存，因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)注如何高效利用綠色能源，其中，在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最廣泛的當(dāng)屬太陽能能源，在對(duì)太陽能能源利用是離不開太陽能光伏電池的使用，可是，因?yàn)楣夥姵鼐哂蟹蔷€性輸出的特點(diǎn)，所以怎樣提高太陽能資源利用率，怎樣使太陽能的輸出能量達(dá)到最大化成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)，進(jìn)而，最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)成為了研究和討論熱點(diǎn)。本文闡述了最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)，并提出最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，為后續(xù)研究方向提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：太陽能；最大功率點(diǎn)跟蹤；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.145

1 引言

將太陽能通過太陽能電池直接變成人類可以使用的電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。它的主要部件是太陽能電池、逆變器、控制器及蓄電池，其中太陽能電池的組成少不了具有光伏特性的特殊半導(dǎo)體材料。太陽能系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸出功率受周圍光強(qiáng)、溫度等諸多自然條件的干擾。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有獨(dú)立性強(qiáng)、可以并網(wǎng)運(yùn)行、較為環(huán)保、比較可靠且耐用性高，當(dāng)它處于自然環(huán)境中時(shí)，它的輸出特性也會(huì)受到干擾，最佳工作地及最大功率點(diǎn)的改變就是最明顯的體現(xiàn)。所以，若想高效利用太陽能可以選擇跟蹤調(diào)控太陽能光伏最大功率點(diǎn)。

通過理論研究可以看出，為實(shí)現(xiàn)高效利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)，可以采用一些控制策略，在遵照太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)律的前提下使太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定。在以前，主要通過恒壓跟蹤的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)來完成控制光伏發(fā)電系統(tǒng)工作，但是，這與最大功率的跟蹤并不相同。本文通過分析恒定電壓跟蹤控制、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列的串并聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)以及脈寬調(diào)制法這三大類最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，期待為中國(guó)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略

2.1 恒定電壓跟蹤控制

環(huán)境具有恒定溫度的情況下，無論如何改變光照強(qiáng)度，光伏電池的最大功率點(diǎn)都大致處于相同一條垂直線的兩側(cè)，所以，我們可以將一條垂直線大致當(dāng)作最大功率線，設(shè)置一個(gè)恒定電壓并讓光伏電池在此電壓下進(jìn)行工作，以上所述即為固定電壓跟蹤法控制法。在此之前，人們采用在負(fù)載與光伏陣列之間進(jìn)行阻抗變換，讓光伏發(fā)電系統(tǒng)變成穩(wěn)壓器，組成固定電壓式的MPPT的方法進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制，此法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不可以在任意溫度條件下對(duì)光電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制。可是，因?yàn)樵趯?shí)際操作時(shí)，由于周圍環(huán)境因素不穩(wěn)定，溫度會(huì)變化不定，所以這種早期技術(shù)更適合在恒溫或溫度波動(dòng)較小的環(huán)境下使用。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列的串并聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)

若固定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載，我們能夠設(shè)計(jì)或改變光伏系統(tǒng)的發(fā)電陣列，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在此固定負(fù)載下輸出最大功率。因?yàn)楫?dāng)太陽的光照強(qiáng)度等因素有了變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出阻抗就會(huì)隨之而改變，他們二者之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即太陽光照強(qiáng)度越弱，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出阻抗就會(huì)越大，同樣的，若想使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出阻抗變小，就要增強(qiáng)太陽光的光照強(qiáng)度。另外，經(jīng)過多年的研究觀察及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率達(dá)到峰值時(shí)，唯能根據(jù)太陽光照強(qiáng)度來確定光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的串并聯(lián)數(shù)。太陽光照強(qiáng)度比較弱的時(shí)候，要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)數(shù)占多數(shù)，串聯(lián)數(shù)占少數(shù)；相對(duì)的，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度比較強(qiáng)的時(shí)候，光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)數(shù)占多數(shù)，并聯(lián)數(shù)占少數(shù)。所以，在對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要先確保選用較低耗能的數(shù)據(jù)采集儀器。然后，要采用可靠、經(jīng)濟(jì)的蓄電池及太陽能發(fā)電板。在設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列時(shí)不僅要防止太陽能發(fā)電板的系統(tǒng)容量太大，出現(xiàn)浪費(fèi)的現(xiàn)象；還應(yīng)該杜絕由于太陽能發(fā)電板系統(tǒng)容量太小，在陰雨期不能進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.3 脈寬調(diào)制法

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)選擇用DC/DC變換器的方法為是脈寬調(diào)制法。當(dāng)開關(guān)處于開放狀態(tài)時(shí)，變換器通過對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行控制，將陣列的直流輸出改變成一個(gè)具有可變占空比的PWM波信號(hào)，繼而對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的等效負(fù)載進(jìn)行改變。在實(shí)際操作時(shí)，通常在對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)選擇采用脈寬調(diào)制法，它串聯(lián)與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)板，通過對(duì)PWM波的占空比進(jìn)行改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)使太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓達(dá)到最大功率跟蹤的目標(biāo)。將最大功率控制系統(tǒng)串聯(lián)到Boost變換器的電路中，同時(shí)，采用Matlab技術(shù)構(gòu)建仿真模型，將編制S函數(shù)的方法當(dāng)作最大功率控制的控制模塊，隨之追蹤控制光伏電池的最大功率點(diǎn)。

2.4 其他方法

基于粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏電池跟蹤控制技術(shù)是通過粒子群優(yōu)化技術(shù)中顯著的尋優(yōu)功能而提出的；基于模糊邏輯的MPPT技術(shù)是通過模糊控制技術(shù)針對(duì)非線性系統(tǒng)具有良好控制精度特點(diǎn)提出的，此法對(duì)響應(yīng)速度進(jìn)行了提高，但是因?yàn)樵诿鎸?duì)外界環(huán)境的變化時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有非常強(qiáng)大的自習(xí)功能，所以學(xué)者們使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊算法相互融合，提出了更為精確的MPPT控制技術(shù)，同時(shí)還有光源跟蹤控制法、擾動(dòng)觀察法、開路電壓法、負(fù)載跟蹤控制法等多種最大功率點(diǎn)跟蹤控制法。

3 結(jié)束語

綜上所述，太陽能是如今生態(tài)環(huán)境中可再生能源里面允許進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)利用、最具有發(fā)展前景、綠色程度最高的再生能源，它的潛在力量不容小覷。我們可以依照太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的規(guī)律借由一些控制措施使它自身穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最高效利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)。在科學(xué)技術(shù)持續(xù)飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，過去陳舊落后的控制方法顯然已不再符合經(jīng)濟(jì)適用的要求，太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤控制的控制器集成化、智能化必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。本文通過對(duì)幾種最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略的闡述和分析，總結(jié)歸納出脈寬調(diào)制法輸出功率既穩(wěn)定又范圍廣度大，而且具有相當(dāng)迅速的跟蹤速度，這就對(duì)最大功率跟蹤的控制效率進(jìn)行了有效的提高，所以最為推薦此法。希望本文對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)策略的分析和闡述，可以在一定程度上對(duì)各位讀者有所幫助，為我國(guó)未來的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的研究貢獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷元超，陳春根，沈駿.光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究[J].電工電能新技術(shù)，2004，23（03）：76-80.endprint