光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究

溫利民

摘 要：當(dāng)今世界，能源短缺與環(huán)境污染已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的阻礙，大力發(fā)展綠色再生能源成為發(fā)展的趨勢，光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為未來最具潛能的替代能源。最大功率點(diǎn)跟蹤是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，此技術(shù)可最大限度提升光伏發(fā)電效率。為此，本文在全面了解光伏發(fā)電重要性的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤控制工作原理，對當(dāng)前常用的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法進(jìn)行闡述，并提出了改進(jìn)優(yōu)化方法，以期更好地保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);最大功率點(diǎn)跟蹤;恒定電壓法

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）29-0138-03

Research on Maximum Power Point Tracking

Technology of Photovoltaic Power System

WEN Limin

（Henan Engineering Co.， Ltd. of POWERCHINA，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Nowadays， energy shortage and environmental pollution in the world have become obstacles to the sustainable development of human society， and the development of green renewable energy has become the development trend. Photovoltaic power generation， with its unique advantages， has become the most potential alternative energy in the future. Maximum power point tracking is the key technology of photovoltaic power generation system. The application of this technology can maximize the efficiency of photovoltaic power generation. Therefore， based on a comprehensive understanding of the importance of photovoltaic power generation， combined with the principle of maximum power point tracking control， this paper expounded the current common maximum power point tracking algorithm of photovoltaic power generation system， and proposed an improved optimization method， in order to better ensure the operation stability of photovoltaic power generation system.

Keywords： photovoltaic power generation system;maximum power point tracking;constant voltage method

工業(yè)革命以后，煤炭、石油、天然氣等資源大規(guī)模地涌入人們的視野。能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與改變將對世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。但與此同時，人類長期不規(guī)范的開采活動，促使傳統(tǒng)能源環(huán)境問題愈演愈烈，如何在能源問題上謀求新的出路，如何合理開發(fā)和利用可持續(xù)新型環(huán)保性能源成為當(dāng)前亟待解決的難題。太陽能作為一種可再生能源，資源極為豐富，光伏發(fā)電是一種直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的新型技術(shù)，相比火力發(fā)電等方式，光伏發(fā)電優(yōu)點(diǎn)較多，如清潔、安全、經(jīng)濟(jì)等[1，2]。預(yù)計2020年，在世界總能源需求量中，光伏發(fā)電量將占據(jù)1%，到了21世紀(jì)晚期，占比將達(dá)到50%。

1 光伏發(fā)電的重要性

據(jù)不完全統(tǒng)計，基于太陽能資源的豐富性，我國太陽能年輻照總量在502萬kJ/m2，在國土面積中，年日照時數(shù)在2 200h以上的地區(qū)就超過75%，具體如表1所示。由此可見，在太陽能資源利用與開發(fā)中，我國具有良好的適用性。但相比西方發(fā)達(dá)國家，我國分布式光伏發(fā)電的普及還存在很多差距，仍屬于初步階段，但后續(xù)發(fā)展勁頭強(qiáng)大。2013—2018年，我國光伏產(chǎn)業(yè)鏈成本下降幅度較大，已顯現(xiàn)出可觀的經(jīng)濟(jì)收益，因此，光伏發(fā)電具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，在未來長期能源戰(zhàn)略中將占據(jù)至關(guān)重要的地位。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其供需關(guān)系也發(fā)生了諸多改變，利用先進(jìn)的技術(shù)可進(jìn)一步減少成本、提升效率，這也是當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，特別是最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)的應(yīng)用，為改善光伏系統(tǒng)效率問題提供了技術(shù)支撐。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制工作原理

最大功率點(diǎn)跟蹤是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)之一，也就是說，可通過跟蹤最大功率點(diǎn)工作狀態(tài)，利用一系列調(diào)節(jié)與設(shè)置方法，將狀態(tài)調(diào)至最佳化，從而取得最大輸出功率。按照電路內(nèi)最大功率傳輸定理，可利用合理化操作，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與最大輸出功率接近或一致，以此提升整個系統(tǒng)的工作效率。若光照與溫度恒定不變，那么電流和電壓之間將形成一種非線性的關(guān)系。伴隨電壓的變化，輸出功率自身也會出現(xiàn)改變，這時并不能完全顯示最大功率，為了獲取最佳效果，可采用調(diào)節(jié)開關(guān)器件占空比的方法來設(shè)置。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法

開路電壓比例系數(shù)法、恒定電壓法、擾動觀察法等均為常見的傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法[3-5]，每一種算法的特點(diǎn)各有不同，同時也存在一定問題，因此，在具體應(yīng)用中，若使用不當(dāng)，極易對實(shí)際使用效率造成嚴(yán)重影響?；诖?，人們結(jié)合實(shí)際工作，合理選擇算法。

3.1 開路電壓比例系數(shù)法

溫度、光照強(qiáng)度等均會對光伏發(fā)電系統(tǒng)造成影響，其中影響最大的為光照。為此，在最大功率輸出點(diǎn)，光伏電池陳列的電壓與開路電壓之間存在一定關(guān)系，可用式（1）表示。

[Um=K×Uoc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Um]為光伏電池最大功率點(diǎn)位置的電壓;[Uoc]為光伏電池的開路電壓;[K]為比例常數(shù)，一般小于1（0.71～0.80）。

通常，光伏電池型號各異，其[K]值大小也存在區(qū)別。為此，可通過開路電壓比例系數(shù)法測算出光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率輸出點(diǎn)。相比其他算法，該算法具有兩大優(yōu)勢。其一，測算穩(wěn)定性較高，產(chǎn)生的振動不大，結(jié)果可靠性高;其二，便于操作。其缺點(diǎn)主要是結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確，僅屬于一個相似點(diǎn)，精確度不高。若想要獲取精確值，必須將外電路所帶負(fù)載斷開，但這種方式極易造成功率損耗，因此，在具體應(yīng)用中必須做好全面思考。

3.2 恒定電壓法

通過電壓控制，保證電壓始終處于一個恒定狀態(tài)從而跟蹤最大功率輸出點(diǎn)，這種方法被稱為恒定電壓法。在最高點(diǎn)位置或其周圍控制最大功率輸出點(diǎn)，恒定電壓跟蹤法可以保證以最大效率運(yùn)轉(zhuǎn)光伏陣列，最大化輸出電流。

3.3 擾動觀察法

最大功率點(diǎn)兩側(cè)光伏器件的[dpdv]具有相反符號（[dp]為設(shè)定的功率浮動范圍;[dv]為電壓擾動量），在最大功率點(diǎn)兩側(cè)，擾動觀察法就是通過光伏器件[dpdv]符號的不同特點(diǎn)進(jìn)行測定的。此算法可對光伏器件的MPPT電路工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整。

3.4 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法通過分析及觀測光伏發(fā)電中動態(tài)電導(dǎo)與瞬時電導(dǎo)之間的關(guān)系，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。最大功率點(diǎn)兩側(cè)電池工作點(diǎn)位置不同，則工作效率也不盡相同，如兩者重疊，則[dpdv]=0，若位置不同，則等式前后不等。因此，通過此算法，人們可以對光伏電池工作點(diǎn)不同位置的具體情況進(jìn)行觀測，并找出變化規(guī)律。

4 常規(guī)MPPT控制方法的改進(jìn)優(yōu)化

每一種算法都具有不同的優(yōu)勢，在最大功率點(diǎn)跟蹤控制中，算法使用情況不同，則側(cè)重點(diǎn)也有所不同。為了彌補(bǔ)算法中的不足之處，可針對常規(guī)MPPT控制方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，如采用復(fù)合型算法對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。本文針對兩種復(fù)合型算法進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上探討了改進(jìn)優(yōu)化方法的建模及仿真情況。

4.1 恒定電壓法結(jié)合擾動觀察法

擾動觀察法是常規(guī)MPPT算法的一種，其特點(diǎn)為需對擾動步長進(jìn)行固定，然而固定之后無法改變整個擾動步長。該算法具有穩(wěn)定性，但很難有效兼顧跟蹤速度等方面。若擾動步長設(shè)置較長，則會加快跟蹤速度，此時將大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并產(chǎn)生明顯的震動。反之，則速度受影響。為了解決此算法速度與穩(wěn)定性之間的矛盾，其可以結(jié)合恒定電壓法。在確保光伏電池工作狀態(tài)良好的前提下，按照電池狀態(tài)進(jìn)行擾動步長設(shè)定，此時可對最大功率點(diǎn)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的跟蹤，若電池工作狀態(tài)還無法達(dá)到最大功率點(diǎn)輸出，則需適當(dāng)增加步長，此時將加快速度，保證最大功率點(diǎn)跟蹤的速度。若即將達(dá)到最大功率輸出，步長設(shè)置可適當(dāng)減短，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，以便跟蹤到最大功率。

4.2 恒定電壓法結(jié)合電導(dǎo)增量法

一般在最大功率點(diǎn)右側(cè)會存有一個區(qū)域，若電池工作點(diǎn)在此區(qū)域內(nèi)，則電壓值或電流值將發(fā)生較大變化，若在此區(qū)域外，則變化小。為了解決此類情況，可采用電導(dǎo)增量法。

最大功率電壓和開路電壓之間存有一定關(guān)系，即[Um=K×Uoc]，[K]為比例常數(shù)，范圍在0.71～0.80。同時，光伏電池的恒流范圍和恒壓范圍也存有差異，一般恒流范圍至少為恒壓范圍的4倍，若恒流范圍包括電池工作點(diǎn)，此時電壓將在最大功率點(diǎn)電壓以下，這種情況下，就必須通過增大電池電壓的方法獲取最大功率點(diǎn)。此外，電壓擾動量影響電流量較小，為了快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，就必須選用較大擾動量。反之，若在恒壓范圍內(nèi)，電池電壓正常工作，與最大功率點(diǎn)電壓相比，電池電壓較大，這種情況下就需要減小電壓。電壓影響電池電壓的程度較大，此時，為了降低電壓，可設(shè)定一個較短的擾動步長進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。具體操作流程如下：開啟系統(tǒng)，采用恒定電壓法，對于采樣開路電壓，根據(jù)關(guān)系式，啟動電壓設(shè)計點(diǎn)采用0.78倍光伏電池的開路電壓值，不斷增加光伏電池電壓，并逐步接近最大功率點(diǎn)，當(dāng)兩者電壓一致后，進(jìn)入第一階段;待系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定之后，可通過擾動步長進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

4.3 改進(jìn)優(yōu)化方法的建模及仿真

在改進(jìn)優(yōu)化方法之后，可建立MPPT控制模塊子系統(tǒng)仿真模型。通過模型可知，當(dāng)采用新算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤計算時，在極短時間內(nèi)，光伏電池發(fā)電功率便可滿足最大功率輸出點(diǎn)且保持較長時間。在最大功率輸出點(diǎn)發(fā)電時，其具有相對較為穩(wěn)定的功率，產(chǎn)生的波動較小，此時表明設(shè)計中所采用的算法跟蹤控制方法效果顯著。

進(jìn)一步設(shè)置T=25℃為恒定溫度，若溫度恒定不變，僅對光照強(qiáng)度做出改變，可得出，當(dāng)t=0.1s，光照強(qiáng)度將有所增加，可由800W/m2增至1 000W/m2，這個階段波形圖也會發(fā)生較大變化，幅度也有所增加。

為了進(jìn)一步驗證結(jié)果的正確性，做了對比試驗分析，此次保證光照強(qiáng)度相同，僅對溫度變化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)光照強(qiáng)度為1 000W/m2時，t=0.1s，外部溫度將有所提升，由20℃增加到35℃。當(dāng)溫度產(chǎn)生改變時，最大輸出功率點(diǎn)也將改變，在溫度增長的同時，最大輸出功率點(diǎn)將會下降，兩者呈反比。在短時間內(nèi)利用此方法可快速跟蹤到最大輸出功率點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠保證整個輸出狀態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

在人類社會發(fā)展中，能源是最主要的動力來源。作為人類賴以生存的唯一家園，地球承載著無數(shù)人的希望與夢想。如果人類盲目地開采與使用有限的化石能源，那么人們賴以生存的環(huán)境將被嚴(yán)重破壞，甚至?xí)霈F(xiàn)化石能源枯竭的情況。當(dāng)前，能源短缺是阻礙全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，而光伏發(fā)電作為一種新的發(fā)電方式，以其無污染、無噪音、維護(hù)簡單等優(yōu)勢得到了人們的廣泛關(guān)注，是未來新能源的主要力量。于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出效率而言，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)的應(yīng)用可有效改善其輸出效率，并能顯著提升太陽能的利用率。這項技術(shù)可保證光伏發(fā)電系統(tǒng)每時每刻均在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，促使系統(tǒng)以最大功率狀態(tài)輸出。

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