光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制方法探討

劉金山，劉啟航

（1.國(guó)能青海黃河瑪爾擋水電開(kāi)發(fā)有限公司，青海 西寧 810000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是種可再生能源發(fā)電技術(shù)，具備資源豐富、無(wú)污染、無(wú)噪聲以及簡(jiǎn)易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域。為提高太陽(yáng)能的利用效率，降低發(fā)電成本，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)成為改善光伏系統(tǒng)性能的有效途徑。因此，文章深入分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、輸出特性及最大功率點(diǎn)跟蹤機(jī)理，全面探討最大功率點(diǎn)追蹤控制方法存在的問(wèn)題，并提出一系列針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤控制的優(yōu)化策略，以解決現(xiàn)有控制方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能發(fā)電以光伏發(fā)電為主，即利用太陽(yáng)能電池直接將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池基于光生伏特效應(yīng)工作，當(dāng)晶體硅吸收光線后，會(huì)在PN 結(jié)區(qū)域中產(chǎn)生正負(fù)電荷對(duì)。這些電荷分離后，會(huì)形成外電流場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流。電流經(jīng)過(guò)負(fù)載后流至電池的負(fù)端，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、逆變器以及蓄電池組組成。光伏發(fā)電技術(shù)具有綠色、無(wú)污染、無(wú)噪聲等特點(diǎn)，是當(dāng)前能源領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)不斷改進(jìn)與優(yōu)化，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將更好地滿足清潔、可再生能源需求。光伏發(fā)電系統(tǒng)的等效電路模型如圖1 表示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)等效電路模型

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性

光伏電池的輸出受外部環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的雙重影響，呈現(xiàn)出明顯的非線性特性。在相同溫度下改變光照強(qiáng)度時(shí)，光伏電池的輸出功率通常光照強(qiáng)度之間近似呈線性關(guān)系。類似地，對(duì)于相同光照強(qiáng)度而言，光伏電池的輸出功率與溫度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在較低溫度條件下，輸出功率相對(duì)較高。同時(shí)，在特定的溫度和光照條件下，電壓與功率（U-P）之間的關(guān)系表現(xiàn)為二次函數(shù)[1]。在U-P關(guān)系圖中，每一條曲線都清晰地展示了光伏電池的輸出功率與輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這些曲線中均存在一個(gè)明確的最大功率點(diǎn)，且最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓是唯一的。因此，最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的引入至關(guān)重要，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn)，確保在不同光照條件下系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，從而最大限度地提升光伏系統(tǒng)的整體性能。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤

太陽(yáng)能電池板的輸出特性受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度及負(fù)載等多因素的綜合影響。在特定光照和溫度條件下，電池板可采用不同的輸出電壓工作，但最大功率點(diǎn)的位置會(huì)因受到外界因素的影響而發(fā)生變化。因此，為最大限度地利用電池板輸出，提升系統(tǒng)效率，需要實(shí)時(shí)調(diào)整工作點(diǎn)，使其保持在最大功率點(diǎn)附近[2]。最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)通過(guò)調(diào)整電池板電壓或電流，使系統(tǒng)在不同光照下均達(dá)到最大功率點(diǎn)，如擾動(dòng)觀察法、模糊控制法等。這些方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光照和電池輸出，自動(dòng)調(diào)整電壓或電流，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制分析

2.1 常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)追蹤控制方法

常見(jiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤控制方法包括擾動(dòng)觀察法、導(dǎo)納增量法、間歇掃描法、模糊控制法以及斐波那契搜索法等，對(duì)于確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[3-4]。

2.1.1 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法是光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的最大功率點(diǎn)追蹤方法，即通過(guò)微小擾動(dòng)調(diào)整光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)，使其保持在最大功率點(diǎn)附近。通過(guò)對(duì)光伏陣列輸出電壓或電流進(jìn)行微小調(diào)整，并觀察輸出功率的變化情況，以確定調(diào)整方向。盡管該方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但在光照變化過(guò)快或存在陰影的情況下可能出現(xiàn)振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，在選擇最大功率點(diǎn)追蹤方法時(shí)需要綜合考慮方法的優(yōu)勢(shì)和局限性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2 導(dǎo)納增量法

導(dǎo)納增量法是一種用于追蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的先進(jìn)控制策略。其工作原理是基于對(duì)導(dǎo)納變化率的比較結(jié)果判斷光伏系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)相對(duì)于最大功率點(diǎn)的位置，通過(guò)調(diào)整光伏電池的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的精準(zhǔn)跟蹤。導(dǎo)納通常指光伏系統(tǒng)的微分導(dǎo)數(shù)，即對(duì)電壓的微分除以對(duì)電流的微分。導(dǎo)納增量法利用導(dǎo)納與最大功率點(diǎn)相關(guān)的特性，實(shí)現(xiàn)在不同光照和溫度條件下的高效跟蹤。

2.1.3 間歇掃描法

間歇掃描法是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤方法，即采用間歇性脈沖的方式改變電池電壓，通過(guò)觀察功率變化來(lái)尋找最大功率點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、成本低廉，但可能因間歇性脈沖而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。盡管間歇掃描法存在局限性，但在某些特定條件下仍具有一定應(yīng)用潛力。因此，在選擇最大功率點(diǎn)追蹤方法時(shí)，需綜合考慮系統(tǒng)要求、環(huán)境條件和成本因素。

2.1.4 模糊控制法

模糊控制法是一種先進(jìn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤控制方法，借助模糊邏輯系統(tǒng)綜合分析多個(gè)影響因素，通過(guò)調(diào)整電池電壓以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。該方法的優(yōu)勢(shì)在于適應(yīng)性強(qiáng)，能有效處理非線性和復(fù)雜系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和健壯性。但其性能高度依賴于規(guī)則設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，如果設(shè)置不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。

2.1.5 斐波那契搜索法

斐波那契搜索法是一種用于確定光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的方法，通過(guò)斐波那契數(shù)列的比例關(guān)系來(lái)逐步縮小搜索范圍，以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的精確搜索。該方法具有收斂速度快、準(zhǔn)確定位最大功率點(diǎn)、能夠處理功率突變情況等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)靈活調(diào)整搜索范圍，能夠有效地適應(yīng)光照輻射變化，因此具有高效性。

2.2 追蹤控制方法存在的問(wèn)題

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤控制方法具有優(yōu)勢(shì)，也具有劣勢(shì)[5]。例如，擾動(dòng)觀察法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但在光照變化過(guò)快或存在陰影的環(huán)境中可能產(chǎn)生振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；導(dǎo)納增量法適用于光照和溫度變化較大的環(huán)境，但使用過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，可能引入過(guò)多計(jì)算；間歇掃描法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但存在振蕩，適用性受限；模糊控制法適用于非線性和復(fù)雜系統(tǒng)，但相對(duì)復(fù)雜，需要調(diào)整較多的參數(shù)；斐波那契搜索法收斂速度相對(duì)較快，能夠準(zhǔn)確定位最大功率點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算成本較高。這些方法的共同問(wèn)題是在特定環(huán)境下難以綜合考慮光照、溫度等多個(gè)因素的影響，且某些方法可能會(huì)在特定條件下產(chǎn)生振蕩，或收斂速度不理想。

3 伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制優(yōu)化策略

3.1 控制方法優(yōu)化

為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制效能，可以采用混合型控制方法，即綜合利用不同的最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)，使系統(tǒng)能夠在多樣的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)健性。通過(guò)設(shè)計(jì)智能控制器，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)環(huán)境因素（如光照、溫度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和調(diào)整，使系統(tǒng)可以靈活地選擇最適合當(dāng)前條件的最大功率點(diǎn)追蹤方法，從而獲得最佳性能。針對(duì)振蕩或收斂速度不理想的問(wèn)題，引入先進(jìn)的控制算法成為一種有效途徑。強(qiáng)化學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠更好地捕捉系統(tǒng)的非線性特性，提供更準(zhǔn)確的建模和優(yōu)化能力。這些算法通過(guò)不斷學(xué)習(xí)環(huán)境變化和系統(tǒng)響應(yīng)，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整最大功率點(diǎn)追蹤策略，從而在復(fù)雜的光伏系統(tǒng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)和高效的最大功率點(diǎn)追蹤。因此，通過(guò)混合型控制方法和先進(jìn)的算法優(yōu)化，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在多變的工作條件下更為靈活、智能地選擇和調(diào)整最大功率點(diǎn)追蹤策略，提高整體系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。

3.2 系統(tǒng)集成優(yōu)化

借助優(yōu)化算法能夠解決最大功率點(diǎn)追蹤方法復(fù)雜度和計(jì)算成本較高的問(wèn)題，如引入硬件加速技術(shù)或優(yōu)化編程語(yǔ)言，以提高系統(tǒng)的計(jì)算性能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化，可以在不降低準(zhǔn)確性的前提下減少計(jì)算成本，使最大功率點(diǎn)追蹤方法更為實(shí)用。此外，可以制定更高效益的硬件方案，如專門設(shè)計(jì)的節(jié)能型處理器，以提高最大功率點(diǎn)追蹤方法的實(shí)際應(yīng)用效果。節(jié)能型處理器在執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤算法時(shí)能夠以更高的能效運(yùn)行，從而降低系統(tǒng)的整體功耗。通過(guò)采用專門設(shè)計(jì)的硬件，系統(tǒng)可以更有效地執(zhí)行復(fù)雜的最大功率點(diǎn)追蹤算法，滿足用戶對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高性能要求，并降低計(jì)算成本。因此，從系統(tǒng)集成優(yōu)化角度出發(fā)，采用節(jié)能型處理器等成本效益高的解決方案，可以有效解決系統(tǒng)復(fù)雜度和計(jì)算成本高的問(wèn)題，從而提高最大功率點(diǎn)追蹤方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

文章深入探討了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制，通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)原理、輸出特性及最大功率點(diǎn)跟蹤機(jī)理的詳細(xì)分析，系統(tǒng)地介紹了幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)追蹤控制方法，包括擾動(dòng)觀察法、導(dǎo)納增量法、間歇掃描法、模糊控制法及斐波那契搜索法。同時(shí)，對(duì)每種方法的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析，提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。通過(guò)采取控制方法優(yōu)化和系統(tǒng)集成優(yōu)化等策略，可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，更好地滿足人類對(duì)清潔、可持續(xù)能源的需求，并為環(huán)境問(wèn)題提供切實(shí)可行的解決方案。