鄧明旭　陸承與　樊天宇　楊振偉　陳偉　王梓懿

【摘 要】光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制是提高光伏發(fā)電效率的重要措施。以光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制算法為研究對(duì)象，對(duì)常用算法的基本原理、存在的問(wèn)題、以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，包括電導(dǎo)增量法、恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法。然后著重針對(duì)擾動(dòng)觀察法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，包括其步長(zhǎng)設(shè)定問(wèn)題、擾動(dòng)方向出錯(cuò)等局限性，并對(duì)現(xiàn)有典型改進(jìn)方法的原理、效果進(jìn)行闡述。以期為光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制的研究人員提供參考和啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】最大功率點(diǎn)跟蹤；擾動(dòng)觀察法；新能源利用

【Abstract】Photovoltaic maximum power tracking control algorithm is one of the important measures to improve the efficiency of photovoltaic power generation. In this paper， maximum power tracking control algorithms of photovoltaic were researched， including the basic principle of some algorithms， the existence question， and a review of current researches. The algorithms mentioned above include incremental conductance method， constant voltage method， and the disturbance & observation method. Then the advantages and disadvantages of disturbance & observation method were analyzed， especially the disadvantages which may cause defects of disturbance direction when change step length. Finally， the existing typical principle and the effects of improved method are concluded in this paper and reference and inspiration are provided for researchers focused on the topic of maximum power point tracking control of photovoltaic.

【Key words】Photovoltaic power generation； Perturbation and observation method； New-energy utilization

0 緒論

1）光伏發(fā)電研究的意義

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，而現(xiàn)今運(yùn)用最廣泛的化石能源因其不可再生的特性使其總量在人類(lèi)不斷地開(kāi)采下越來(lái)越少。尋找新能源成為了人類(lèi)必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。太陽(yáng)能作為現(xiàn)今自然界中最為理想的新能源之一，收到越來(lái)越普遍的重視。太陽(yáng)能與其他綠色可再生新能源相比有儲(chǔ)量豐富；分布范圍廣泛；能源清潔的特性。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電在可再生能源和新能源中占有很大的比例，被全社會(huì)公認(rèn)為當(dāng)前世界最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）光伏發(fā)電設(shè)備操作維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

（2）光伏發(fā)電污染小，不排放有害氣體，不發(fā)出噪音；

（3）太陽(yáng)能資源豐富且便于獲得；

（4）太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小重量輕，便于運(yùn)輸和安裝。

2）最大功率點(diǎn)跟蹤控制的意義

為了使光伏電池板能夠隨著溫度、光照強(qiáng)度變化始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)處，光伏發(fā)電系統(tǒng)常采用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)。它是提高光伏發(fā)電效率的重要措施。常用MPPT算法有電導(dǎo)增量法、恒定電壓法和擾動(dòng)觀察法。由于算法自身特點(diǎn)，上述算法均有其局限性和優(yōu)越性。

本文對(duì)MPPT常見(jiàn)算法及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。特別是對(duì)擾動(dòng)觀察法的步長(zhǎng)變化、擾動(dòng)方向出錯(cuò)的局限性以及針對(duì)這些問(wèn)題的現(xiàn)有改進(jìn)方法進(jìn)行了歸納分析。

1 光伏發(fā)電MPPT算法

1.1 MPPT原理

根據(jù)光伏電池的輸出特性，光伏電池在不同溫度和光照強(qiáng)度下的輸出功率-電壓曲線P-U曲線分別如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，在給定的光照強(qiáng)度和溫度下，輸出的功率值存在一個(gè)最大值并且對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓，此點(diǎn)即最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP），對(duì)應(yīng)電壓為最優(yōu)電壓。這個(gè)最大功率點(diǎn)會(huì)隨著溫度和光照的變化而變化。

因此，光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤的原理為，跟隨不同的光照和溫度條件，控制光伏電池的電壓，使其始終運(yùn)行于最優(yōu)電壓下，即可獲得最大功率輸出。

1.2 MPPT算法

1.2.1 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法[1-2]是從光伏系統(tǒng)輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。通過(guò)光伏陣列的dP/dU-U曲線可以得到式（1）所示的判據(jù)：

dP/dU=0，運(yùn)行點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)dP/dU>0，運(yùn)行點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)dP/dU<0，運(yùn)行點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè) （1）

通過(guò)判斷dP/dU的符號(hào)就可以判斷光伏陣列是否工作在最大功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)處有dP/dU=0，此時(shí)保持電壓不變；在最大功率點(diǎn)左側(cè)dP/dU>0，此時(shí)應(yīng)增大輸出電壓；在最大功率點(diǎn)右側(cè)dP/dU<0，此時(shí)應(yīng)減小輸出電壓。由于不便求得dP/dU的值，所以直接判斷存在困難。因此，電導(dǎo)增量法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用如下判據(jù)：

光伏系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)情況時(shí)，系統(tǒng)輸出功率為：

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)判斷（dI/dU+I/U）的符號(hào)來(lái)判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點(diǎn)。當(dāng)其為零時(shí)，表明此時(shí)系統(tǒng)處于最大功率點(diǎn)處；當(dāng)符號(hào)為正時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的左側(cè)；當(dāng)符號(hào)為負(fù)時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，具體算法流程圖如圖3所示。圖中C為擾動(dòng)步長(zhǎng)的調(diào)整系數(shù)。

1.2.2 恒定電壓法

當(dāng)溫度不發(fā)生劇變，輻照強(qiáng)度大于某一定值時(shí)，從光伏陣列輸出曲線上看，最大功率點(diǎn)處的電壓基本位于某一豎直直線兩側(cè)，此處電壓值約為（0.7～0.9）Uoc，其中Uoc為光伏電池板開(kāi)路電壓。恒定電壓法[3-4]就是把最大功率點(diǎn)處電壓默認(rèn)在開(kāi)路電壓70%～90%，從而計(jì)算出功率。即光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓Umpp與光伏陣列的開(kāi)路電壓Uoc之間存在近似的線性關(guān)系，如式（5）所示。

Umpp=KUoc（5）

其中，K的值取決于光伏陣列的特性，一般K的取值大約在0.7～0.9。

恒定電壓法作為一種開(kāi)環(huán)的MPPT控制，算法簡(jiǎn)單，硬件實(shí)施方便，工程應(yīng)用廣泛。目前主要使用在對(duì)精度要求不高，氣溫變化不劇烈的場(chǎng)所。在實(shí)際應(yīng)用中，恒定電壓法一般作為前期粗略尋找的手段，以求最快速度到達(dá)最大功率點(diǎn)附近。再結(jié)合其他復(fù)雜算法進(jìn)一步精確。

1.2.3 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法（Perturbation and Observation，P&O）也稱為爬山法（Hill Climbing，HC），其工作原理與電導(dǎo)增量法思路相近，即測(cè)量當(dāng)前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓基礎(chǔ)上增加一個(gè)小電壓分量擾動(dòng)后，其輸出功率會(huì)發(fā)生改變，測(cè)量變化后的功率，與變化前的功率進(jìn)行比較，即可獲知功率變化的方向。如果功率增大就繼續(xù)按原方向擾動(dòng)電壓，如果功率減小則改變?cè)瓟_動(dòng)方向。通過(guò)反復(fù)擾動(dòng)和觀測(cè)最終使系統(tǒng)輸出功率趨于最大[5-6]，其流程如圖4所示。

2 擾動(dòng)觀察法存在問(wèn)題及研究現(xiàn)狀

2.1 擾動(dòng)觀察法存在問(wèn)題

擾動(dòng)觀察法雖然實(shí)施簡(jiǎn)單，參數(shù)測(cè)量較少，傳感器的精度要求不是特別高。但是同樣存在問(wèn)題[7-9]。

（1）在即將到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)，該算法會(huì)產(chǎn)生功率振蕩。其原因在于，在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，擾動(dòng)步長(zhǎng)極有可能大于實(shí)際所需增加電壓值，從而越過(guò)了最大功率點(diǎn)到達(dá)右側(cè)，系統(tǒng)檢測(cè)到功率值減少，判斷出擾動(dòng)方向相反，減小擾動(dòng)電壓回到之前左邊的工作點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程，系統(tǒng)始終無(wú)法恰好到達(dá)最大功率點(diǎn)，最終工作點(diǎn)總是在實(shí)際最大功率點(diǎn)附近振蕩，產(chǎn)生了能量的損耗。

（2）采用固定的搜索步長(zhǎng)時(shí)存在的矛盾。搜索步長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)使得最大功率點(diǎn)附近的振蕩幅度較大，降低了跟蹤精度，而步長(zhǎng)過(guò)短又會(huì)影響算法的搜索速度。

（3）在特定的情況下會(huì)出現(xiàn)搜索方向誤判的情況。當(dāng)日照強(qiáng)度變化比較大時(shí)，易發(fā)生最大功率點(diǎn)誤判。

2.2 現(xiàn)有改進(jìn)方法

2.2.1 變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法

針對(duì)上述問(wèn)題（1）和問(wèn)題（2），現(xiàn)有改進(jìn)方法主要通過(guò)變步長(zhǎng)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行改善，例如，根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)的遠(yuǎn)近不同，可以設(shè)計(jì)不同的搜索步長(zhǎng)，在此方面，典型的方法之一是設(shè)置門(mén)檻電壓。以最大功率點(diǎn)為中心設(shè)置一個(gè)常數(shù)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，采用小步長(zhǎng)追蹤，而在此區(qū)間外可進(jìn)行大步長(zhǎng)追蹤[10]；另一種典型變步長(zhǎng)算法是以？駐U=r×（dP/dU）的形式獲得動(dòng)態(tài)變步長(zhǎng)的搜索算法，其中r為步長(zhǎng)調(diào)整系數(shù)，dP/dU在恒定溫度和光照強(qiáng)度時(shí)能夠反映運(yùn)行點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的遠(yuǎn)近，當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，dP/dU趨近于0變步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)既提高了搜索的效率，又減少了最大功率點(diǎn)處功率振蕩的幅度[11]。

2.2.2 搜索方向的改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)擾動(dòng)觀察法存在的問(wèn)題（3），一般通過(guò)搜索方向的調(diào)整來(lái)避免?，F(xiàn)有改進(jìn)方法中對(duì)于搜索方向的調(diào)整具有較大差異。文獻(xiàn)[12]提出當(dāng)外界因素變化較大時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出功率P也跟著有較大變化；當(dāng)外界因素變化很小時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出功率P也跟著只有很小的變化。利用這一輸出特性，改進(jìn)方法是：先測(cè)得太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率P（i），確定一個(gè)功率值范圍？駐Pm，對(duì)其工作點(diǎn)進(jìn)行擾動(dòng)，測(cè)得擾動(dòng)后太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率P（i+1），計(jì)算？駐P=P（i+1）-P（i）數(shù)值大小，當(dāng)？駐P>0時(shí)，若？駐P>+？駐Pm，繼續(xù)原來(lái)擾動(dòng)方向，增加步長(zhǎng)；若？駐P<+？駐Pm，繼續(xù)原來(lái)擾動(dòng)方向，減小步長(zhǎng)；當(dāng)？駐P<0時(shí)，若？駐P>-？駐Pm，往相反方向擾動(dòng)，減小步長(zhǎng)；若？駐P<-？駐Pm，往相反方向擾動(dòng)，增加步長(zhǎng)。文獻(xiàn)[13]提出光伏電池產(chǎn)生的電流和光照強(qiáng)度有一定的線性關(guān)系，光照強(qiáng)度增加時(shí)，輸出電流增大；光照強(qiáng)度減小時(shí)，輸出電流減小。所以可以認(rèn)為當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，光伏電池輸出電流和電壓呈正向關(guān)系，即dI/dU>0，反之則dI/dU<0。而當(dāng)dU=0時(shí)，dI≠0，說(shuō)明光照強(qiáng)度發(fā)生了變化。因此，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，以微小步長(zhǎng)？駐Umin進(jìn)行擾動(dòng)。待環(huán)境條件穩(wěn)定后，再以正常步長(zhǎng)擾動(dòng)跟蹤，從而有效提高光伏電池的效率。

3 結(jié)論

在科技快速發(fā)展的今天，能源問(wèn)題是人類(lèi)現(xiàn)今乃至今后都要面臨的重大問(wèn)題。所以新能源開(kāi)發(fā)是一直是科學(xué)界關(guān)注的主題，而太陽(yáng)能作為新能源的一個(gè)代表性個(gè)體也成為了人們關(guān)注的對(duì)象。從前人的資料中可知，光電轉(zhuǎn)換率的較低現(xiàn)狀一直阻礙著光電事業(yè)的發(fā)展，而要改善這個(gè)問(wèn)題就要對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。本文總結(jié)了光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的研究背景，傳統(tǒng)MPPT算法的基本原理。此外，針對(duì)擾動(dòng)觀察法存在的問(wèn)題，對(duì)前人的研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為同行提供參考。

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[責(zé)任編輯：王楠]