光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究

摘 要：最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器在光伏系統(tǒng)中起著重要作用。在給定的條件下，它們可最大化PV陣列的輸出功率。對每種技術(shù)的檢測能力進(jìn)行了評估，這些技術(shù)可以檢測多個最大值，收斂速度，易于實(shí)現(xiàn)，在寬輸出功率范圍內(nèi)的效率以及實(shí)現(xiàn)成本。

關(guān)鍵詞：光伏（PV）系統(tǒng);升壓轉(zhuǎn)換器;MPPT

1 緒論

本文著重介紹獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法，旨在盡可能廣泛的工作條件下提供最佳性能。由于光伏系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性行為，因此最大功率點(diǎn)（MPP，Max Power Point）隨日光照射而變化，并且有一個獨(dú)特的光伏面板工作點(diǎn)，為了獲得最大效率，必須使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT，Max Power Point Trace）算法，以在不同的工作點(diǎn)向負(fù)載提供最佳的可用PV輸出功率。

2 MPPT技術(shù)

跟蹤光伏陣列的MPP是光伏系統(tǒng)的重要階段。已經(jīng)有了許多MPPT方法，并且已經(jīng)提出了每種方法的許多變型，以克服特定的缺點(diǎn)。應(yīng)用程序的類型可能會對MPPT算法的選擇產(chǎn)生重大影響。本文總結(jié)了當(dāng)今使用的最流行的MPPT技術(shù)。然后，在實(shí)施需要在寬范圍的輻照條件下很好應(yīng)對的系統(tǒng)時，著重考慮了兩種有希望的方法。

2.1 攝動與觀察（P&O，Perturb and Observe）方法

P&O算法通過以規(guī)則的時間間隔增加或減少陣列的電壓或電流，然后將PV輸出功率與先前采樣點(diǎn)的PV輸出功率進(jìn)行比較來進(jìn)行操作，這種算法攝動頻率應(yīng)足夠低，系統(tǒng)可以在下一個擾動之前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而且，攝動步長必須足夠大，以使控制器不會受到測量噪聲的明顯影響，并且會在光伏陣列輸出中產(chǎn)生可測量的變化。為了提高P&O方法的跟蹤速度，可采用EPP算法每兩個擾動步長使用一個估計(jì)步長。與P&O相比，EPP跟蹤速度更快，跟蹤精度與P&O算法相似。

2.2 增量電導(dǎo)（IC，Incremental Conductance）方法

增量電導(dǎo)（IC）算法試圖通過利用光伏的增量電導(dǎo)來克服攝動和觀測算法的局限性。該算法通過搜索電導(dǎo)等于增量電導(dǎo)的電壓工作點(diǎn)來工作。采用可變步長的IC技術(shù)。這種方法會自動將步長調(diào)整到太陽能電池陣列的工作點(diǎn)。當(dāng)判斷出工作點(diǎn)距離MPP較遠(yuǎn)時，該算法將增加步長，以使算法能夠快速接近MPP。通過改變步長，可以提高精度和速度。

2.3 恒壓（CV，Constant Voltage）方法

CV算法是最簡單的MPPT算法之一。通過調(diào)節(jié)太陽能輸出電壓以匹配不可移動的參考電壓Vref，將光伏陣列的工作點(diǎn)保持在MPP附近。參考電壓值設(shè)置為等于特征光伏陣列的最大功率點(diǎn)處的電壓。該算法假定PV面板的變化（例如溫度和輻射）不明顯，并且恒定的參考電壓足以實(shí)現(xiàn)接近MPP的性能。因此，在實(shí)踐中，CV算法可能永遠(yuǎn)無法準(zhǔn)確定位MPP。在安裝過程中，通常需要收集數(shù)據(jù)以建立恒定電壓基準(zhǔn)，因?yàn)檫@可能會從一個位置更改為另一個位置。在低日照條件下，可以觀察到恒壓技術(shù)比干擾觀察和增量電導(dǎo)算法更有效。

2.4 溫度（T）法

溫度方法的效率不如P&O和IC算法。此外，溫度算法需要有關(guān)PV陣列的數(shù)據(jù)表信息，并且必須對其進(jìn)行更新以確保PV系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行并補(bǔ)償由于系統(tǒng)老化而導(dǎo)致的參數(shù)變化。

2.5 開路電壓方法

開路電壓算法技術(shù)選擇開路電壓的76%作為最佳工作電壓?？梢垣@得輸出功率。在測量開路電壓時，光伏電池板的電流為零（Ipv=0），因此負(fù)載不會提供功率，因此光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量會損失。

2.6 反饋電壓（電流）法

反饋電壓（或電流）方法通過將PV電壓與恒定電壓進(jìn)行比較并調(diào)整轉(zhuǎn)換器的占空比（D）來工作，以使PV陣列在接近MPP的位置工作。該方法成本低廉，計(jì)算簡單，僅使用一個反饋控制回路。但是，它沒有考慮溫度和輻照度變化的影響。

2.7 模糊邏輯控制

模糊邏輯控制的優(yōu)點(diǎn)是它不需要系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并且能夠處理系統(tǒng)非線性。模糊邏輯控制的主要缺點(diǎn)是有效性取決于用戶的知識和能力，他們需要選擇正確的錯誤計(jì)算并根據(jù)所選的隸屬度函數(shù)開發(fā)合適的規(guī)則庫表。通常，使用的隸屬函數(shù)數(shù)量越多，控制器將越準(zhǔn)確地運(yùn)行。

2.8 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有三層：輸入層，隱藏層和輸出層。每層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量各不相同，并且取決于用戶。PV陣列開路電壓Voc和短路電流Isc用作輸入變量。輸出通常由幾個參考信號之一或用于驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換器的占空比信號表示。隱藏層用于實(shí)現(xiàn)MPP。系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于最初對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練程度。

3 分析討論

經(jīng)過對幾種MPPT技術(shù)的分析可知，各種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此選擇適合的算法可能非常困難。太陽能汽車需要快速收斂到MPP，因此最好的選擇是模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。在成本高昂的軌道站和太空衛(wèi)星中，最合適的方法是P&O和IC算法。在居民區(qū)使用太陽能電池板時，兩階段IC和優(yōu)化的P&O方法是合適的。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

仿真實(shí)驗(yàn)所采用的系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，MPPT模塊檢測光伏陣列的輸出電壓和電流，然后根據(jù)采用的不同算法輸出合適的PWM波，進(jìn)而控制DC-DC變化器工作，使負(fù)載能夠得到最大功率。該系統(tǒng)在MATLAB / Simulink中建模。升壓轉(zhuǎn)換器用于將PV陣列連接到電阻負(fù)載。升壓轉(zhuǎn)換器的電感為2mH，輸入電容為9.4uF，輸出電容器為144uF。

為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，在考慮了優(yōu)化技術(shù)的情況下，對P&O和IC算法進(jìn)行了仿真分析。通過仿真可以驗(yàn)證兩種算法在正確相同條件下的可行性和相對性能。在此，要考慮的主要方面是系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)上收斂的速度方面的動態(tài)性能，以及在穩(wěn)態(tài)條件下由于最大功率點(diǎn)附近的振蕩引起的功率波動。

下表中顯示了模擬的光伏面板的特性。太陽能電池陣列的輸出功率主要受環(huán)境溫度和輻射的影響。

間斷的云會造成PV陣列輻照快速改變，進(jìn)而導(dǎo)致太陽能電池陣列輸出功率的突然變化。因此，必須在不同的輻照度下對算法進(jìn)行測試，以驗(yàn)證跟蹤的動態(tài)性能和最大功率點(diǎn)跟蹤。圖2和圖3顯示了P&O和IC算法隨輻照度變化，負(fù)載所能獲得最大功率。圖2所示負(fù)載為195歐姆，PV模塊功率為210瓦。圖3的負(fù)載為100Ω，PV模塊大小為。圖4負(fù)載為100Ω，PV模塊為50W。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種算法均顯示出快速響應(yīng)，但是P&O算法在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后具有更快的響應(yīng)和更少的振蕩行為。

5 結(jié)語

綜上所述，通過以上幾種MPPT方法的比較研究可以看出，在實(shí)際使用太陽能電池板時，目的是減少投資回收期。為此，有必要不斷快速地跟蹤最大功率點(diǎn)。此外，MPPT應(yīng)該能夠最小化MPP周圍的紋波。通過模擬獨(dú)立的光伏系統(tǒng)，利用DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器將光伏板連接到負(fù)載。在各種不同的照射條件下考慮了每種方法的性能。結(jié)果表明，在較寬的輻照設(shè)置和負(fù)載范圍內(nèi)，增強(qiáng)的擾動和觀測算法具有更快的動態(tài)性能，并且比增量電導(dǎo)方法具有更好的穩(wěn)態(tài)水平。

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作者簡介：鄒玉東（1971-），河南安陽人。