摘 要并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT跟蹤裝置使光伏陣列持續(xù)工作在MPP上。MPPT隨著外界因素條件發(fā)生改變?nèi)フ{(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)以控制光伏陣列始終工作在MPP點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng) MPP MPPT

在傳統(tǒng)化石能源短缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，開發(fā)低污染、安全、環(huán)保的光伏發(fā)電系統(tǒng)是迫切所需。光伏電池是一種不穩(wěn)定的電源，光伏陣列的輸出功率受太陽(yáng)光輻照度、溫度、元器件老化一起光伏電池材料等因素影響很大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流和輸出電壓間呈非線性關(guān)系，運(yùn)用光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤技術(shù)來提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體效率。在一定光照與溫度的外界條件下，光伏組件在不同的電壓下工作，但只有在某一個(gè)電壓值時(shí)，光伏陣列可以達(dá)到最大輸出功率，那么這個(gè)點(diǎn)就叫做最大功率點(diǎn)，簡(jiǎn)稱MPP。那么在不同光照與溫度的外界條件下不斷調(diào)整光伏組件的工作點(diǎn)，讓其始終工作在MPP上，這一技術(shù)稱之為最大功率點(diǎn)的跟蹤，英文簡(jiǎn)稱MPPT。

1 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤原理

MPPT跟蹤裝置是一種高效的DC-DC變換器，為太陽(yáng)能面板產(chǎn)生合適的電壓并提供一個(gè)最優(yōu)的電力負(fù)荷。MPPT的目標(biāo)是讓光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率達(dá)到最大值，發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大效率，因此MPPT是光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制中的一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。

當(dāng)光伏陣列的電壓值V 和電流值I 的乘積得到最大值，那么這個(gè)工作點(diǎn)即為MPP，它所對(duì)應(yīng)的V/I值是一個(gè)特殊的阻值。光伏陣列的V和I成指數(shù)關(guān)系，功率曲線的拐點(diǎn)就是MPP，該點(diǎn)的阻值等于V/I=-dV/dI電阻微分的負(fù)數(shù)。

在傳統(tǒng)系統(tǒng)中每塊光伏電池流過的電流相同，電流的大小由逆變器來控制。由于生產(chǎn)時(shí)的誤差、部分被遮擋等原因，不同的光伏發(fā)電板I-V特性有不同，所以它們的最大功率點(diǎn)也不一樣，一些光伏發(fā)電板達(dá)不到MPP，導(dǎo)致了能量的損失。一些太陽(yáng)能研發(fā)公司將峰值功率點(diǎn)轉(zhuǎn)換器植入到每塊光伏發(fā)電板中，這樣不管形狀是否平整、是否有遮擋都能使每塊光伏發(fā)電板工作在MPP。

對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，公共電網(wǎng)就相當(dāng)于是一個(gè)無線容量的電池，電網(wǎng)可以吸收掉富余的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，而且能在陰雨天或是晚上等光伏發(fā)電量不足的時(shí)候補(bǔ)充電量，儲(chǔ)能電池的作用是在電網(wǎng)停電時(shí)作備用。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT跟蹤裝置使光伏陣列持續(xù)工作在MPP上，如果儲(chǔ)能元件充滿電或電網(wǎng)停電同時(shí)光伏發(fā)電量大于負(fù)載的需求量，此時(shí)光伏陣列就不能工作在MPP，與未接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)一樣。

MPPT技術(shù)考慮的問題是在一定的輻照度和溫度的條件下自動(dòng)找到Vmpp或者Impp，在這個(gè)電壓或者電流下的光伏陣列可以獲得最大輸出功率Pmpp。在有陰影的環(huán)境條件下，可能會(huì)有多個(gè)局部最大值，但總體來說還是會(huì)有一個(gè)MPP。

2 光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展MPPT技術(shù)多種多樣，其中增量電導(dǎo)法和微擾觀察法這兩種基于功率測(cè)量的MPPT技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 增量電導(dǎo)法

根據(jù)dI/dU和-I/U之間的關(guān)系來調(diào)整工作電壓實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。通過測(cè)量增量值與電導(dǎo)值滿足符合公式時(shí)，說明已達(dá)到MPP，即不繼續(xù)擾動(dòng)，以上是增量電導(dǎo)法的工作原理。

當(dāng)傳感器的精確度有限時(shí)，滿足dI/dU=-I/U的概率是很有限的，不可避免的產(chǎn)生誤差，實(shí)現(xiàn)有困難。電導(dǎo)增量法是通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列電壓的控制，以實(shí)現(xiàn)MPPT。

2.2 恒定電壓控制法

恒定電壓控制法CVT的控制原理是將光伏陣列的輸出電壓控制在功率-電壓曲線上MPP附近的Umax處，這時(shí)光伏陣列相當(dāng)于工作在MPP，從生產(chǎn)廠家處得到Umax的值，使光伏陣列的輸出鉗位電壓在Umax值，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

CVT不是真正意義上的MPPT，它屬于固定電壓控制，且局限性較大，氣候、溫度等外界因素變化較大時(shí)會(huì)引起光伏陣列無法做到實(shí)時(shí)輸出最大功率，光伏陣列工作效率不高，可通過手工調(diào)節(jié)、根據(jù)溫度表查詢調(diào)節(jié)以及參考電池法來輔助調(diào)整光伏陣列的最佳工作點(diǎn)。

2.3 微擾觀察法

微擾觀察法又稱爬山法，測(cè)試的項(xiàng)目參數(shù)不多，因此該方法的應(yīng)用度最廣。循環(huán)增大或是降低負(fù)載的數(shù)值，以此來調(diào)整光伏陣列輸出P和U，進(jìn)一步比較負(fù)載變化前與變化后的輸出P和U的數(shù)值，通過DSP計(jì)算出結(jié)果，決定接下來如何調(diào)整負(fù)載。如果P較之前變大，則負(fù)載按現(xiàn)行方向調(diào)整，這樣保證了太陽(yáng)能輸出功率朝升高的趨勢(shì)調(diào)整；反之亦然，若P較之前要小，則負(fù)載按現(xiàn)行的反向調(diào)整，即需要在下一周期改變負(fù)載變動(dòng)的方向。通過周期性的擾動(dòng)、觀察和對(duì)比，使光伏陣列工作在MPP點(diǎn)處，這是微擾觀察法的基本動(dòng)作原理。

微擾觀察法是通過循環(huán)調(diào)整光伏陣列輸出的U和P來跟蹤MPP，當(dāng)達(dá)到Pmax后，擾動(dòng)繼續(xù)在Pmax點(diǎn)附近波動(dòng)，這樣會(huì)降低光伏光伏陣列的工作效率，損耗電能，在氣候等外界因素條件變化不大時(shí)，電能的損耗越大。

2.4 三點(diǎn)比較法

三點(diǎn)比較法利用軟件編程通過不斷調(diào)整電壓步長(zhǎng)ΔU對(duì)MPP進(jìn)行控制，利用閾值ε判斷是否在最佳工作點(diǎn)。這種方法在光伏組件P-U特性曲線峰值周圍按順序取參考點(diǎn)A、B、C，UA、UB、UC和PA、PB、PC分別對(duì)應(yīng)各個(gè)參考點(diǎn)，假設(shè)UB為初始MPP處的Umax，UD是預(yù)設(shè)常量，取值UD=0.3ΔU，用來調(diào)整電壓步長(zhǎng)。

當(dāng)PA

當(dāng)PAPC或者當(dāng)PA≥PB、PB≤PC時(shí)，執(zhí)行程序{UA=UB-ΔU，ΔU =ΔU-UD，UC=UB+ΔU}，參考點(diǎn)工作在在MPP處，此時(shí)則要采用變步長(zhǎng)調(diào)節(jié)縮短三個(gè)參考點(diǎn)間的長(zhǎng)度，將參考點(diǎn)間的差值控制在某一值ε內(nèi)，從而近似的得到最大功率點(diǎn)。

當(dāng)PA≥PB、PB>PC時(shí)，執(zhí)行程序{UA=UB-ΔU，UB=UA， UC=UB+ΔU}，參考點(diǎn)工作在MPP右邊，此時(shí)將參考點(diǎn)沿X軸反向移動(dòng)，重新比較，如此重復(fù)以求得MPP處的Umax。

通過以上分析，該程序終止條件是閾值ε達(dá)到一定值即找到最大功率點(diǎn)。從實(shí)際的控制過程來看，一開始的調(diào)節(jié)是粗調(diào)的定步長(zhǎng)調(diào)節(jié)，可以加快調(diào)節(jié)速度，當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)調(diào)節(jié)變?yōu)榧?xì)調(diào)的變步長(zhǎng)調(diào)節(jié)，可以提高系統(tǒng)的精確度。選取參數(shù)要先確定UB、UD、ΔU、ε的取值，UB的取定是為了使它在MPP周圍。

三點(diǎn)比較法采用三個(gè)參考點(diǎn)電導(dǎo)功率作比較來實(shí)現(xiàn)快速追蹤，能夠準(zhǔn)確、平穩(wěn)、快速的追蹤到Pmax，防止在MPP周圍振蕩而造成能量的損耗。三點(diǎn)比較法是采用程序追蹤，在數(shù)學(xué)模型中將PA≥PB、PB≤PC的情況歸入系統(tǒng)已達(dá)到最大功率點(diǎn)，做相同的操作，不隨著輻照強(qiáng)度急速的變化而沒有目標(biāo)的調(diào)整工作點(diǎn)，防止系統(tǒng)過快過繁的來回波動(dòng)。

2.5 二次插值法

光伏陣列在溫度和光照較大變化時(shí)輸出功率曲線屬非線性，在一個(gè)值時(shí)P輸出對(duì)于占空比是連續(xù)可導(dǎo)的，極值點(diǎn)是唯一的。采用二次插值法最重要的是對(duì)于初始值的設(shè)定。假設(shè)D1、D2、D3為初始值，P1、P2、P3分別為對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)。DX為插值點(diǎn)，PX為DX對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)。

當(dāng)DX≥D2且PX≤P2時(shí)，表示MPP在DX與D1之間，下一次的插值在[D1、DX]，起始值D1=D1，P1=P1； D2=D2，P2=P2；D3=DX，P3=PX。

當(dāng)DX≤D2且PX≤P2時(shí)，表示MPP在DX與D3之間，下一次的插值在[DX、D3]，起始值D1=DX，P1=PX；D2=D2，P2=P2；D3=D3，P3=P3。

當(dāng)DX≤D2且PX≥P2時(shí)，表示MPP在D1與D2之間，下一次的插值在[D1、D2]，起始值為D1=D2，P1=P2；D2=DX，P2=PX； D3=D3，P3=P3。

當(dāng)DX≥D2且PX≥P2時(shí)，表示MPP在D2與D3之間，下一次的插值在[D2、D3]，起始值D1=D2，P1=P2；D2=DX，P2=PX；D3=D3，P3=P3。

若|D2-DX|≤ε時(shí)，表示光伏陣列工作在MPP，若PX >P2，則PMAX=PX，占空比=DX。若PX

3 幾種MPPT方法的比較

MPPT跟蹤法的探討已有很多參考述及，它們的基本原理大體而言都是相通的，各自的差別僅僅在于對(duì)最大功率點(diǎn)的判斷和實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的方法上，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。以微擾觀察法為例，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的特征，對(duì)于在最大功率點(diǎn)周圍波動(dòng)的弊端，這就需要使用者在跟蹤速度和擾動(dòng)幅度上做出取舍，針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，已有不少文獻(xiàn)提出在這種方法的基礎(chǔ)上加入模糊控制理論來改善能量損耗的問題。恒定電壓控制法、電導(dǎo)增量法和干擾觀測(cè)法均使用模糊控制原理，隨著外界因素條件發(fā)生改變?nèi)フ{(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)以控制光伏陣列始終工作在MPP點(diǎn)。模糊控制不需要精準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)和電池特性，具有穩(wěn)態(tài)精度高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。綜上所述，沒有完美的方法，選擇何種最大功率點(diǎn)跟蹤法取決于應(yīng)用場(chǎng)所的實(shí)際情況和使用者的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1]萬莉.基于Z源逆變器光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].江蘇大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介

萬莉（1981-）女，江蘇省張家港市人。碩士研究生。研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)。

作者單位

江蘇省張家港市第二職業(yè)高級(jí)中學(xué) 江蘇省張家港市