電導增量法實現光伏系統的最大功率點跟蹤控制

摘 要：最大功率點跟蹤控制是光伏并網發電系統中經常遇見的問題。介紹光伏并網系統的結構，通過對太陽能電池功率電壓曲線的分析，結合光伏并網系統的特性和太陽能電池的最大功率點的跟蹤原理，提出一種采用電導增量法來實現光伏系統的最大功率點跟蹤的方法。此方法控制精確、響應速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場合。

關鍵詞：太陽能；光伏系統；最大功率點跟蹤；電導增量法

中圖分類號：TM615；TP274文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2201802

Maximum Power Point Tracking Control Method Based on Incremental Conductance

HUANG Yao，HUANG Hongquan

(College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning，530004，China)

Abstract：Maximum Power Point Tracking(MPPT) is one of the important problems for the photovoltaic system.This paper introduces the construction of photovohaic system.A type of maximum power point tracking control method is proposed using incremental conductance based on the analysis of the photovohaic cell′s P-V curves，associating it with photovohaic grid-connected inverter′s characteristics and mechanism of MPPT.This method can make the control accurate and response pace speedy.

Keywords：solar power;photovoltaic system;maximum power point tracking;incremental conductance

能源緊缺，環境惡化是日趨嚴重的全球性問題。人類為追求可持續性發展，正積極發展可再生能源技術，尋找新能源已經是當前人類面臨的迫切課題［1］。太陽能以其清沽、無污染，并且取之不盡、用之不竭等優點越來越得到人們的關注。全球能源專家們一致認定［2］：太陽能將成為21世紀最重要的能源之一。最近幾十年，太陽能的光伏利用得到了迅猛的發展，受到了各國的普遍重視。光伏并網發電將太陽能轉化為電能饋送給電網，是太陽能發電規模化發展的必然方向。其在緩解能源危機以及保護環境等方面都具有重大意義。

光伏系統的主要缺點一是初期投資比較大，二是太陽電池陣列的光電轉換效率太低，目前最高的轉換效率在實驗室條件下也不超過30％［3］。為了解決這些問題，首先要研制價格低廉的并且能量轉換效率高的光電材料，其次是在控制上實現太陽電池陣列的最大功率輸出。目前，光伏系統的最大功率點跟蹤問題已成為學術界研究的熱點。

1 光伏并網系統的結構

光伏并網系統的結構如圖1所示，控制單元MPPT為最大功率跟蹤控制單元，其完成太陽電池陣列最大功率點工作電壓Ur的確定。AVR為電壓調節控制單元，其調節輸出為并網電流幅值給定Ip，電流控制單元完成并網交流電流的跟蹤控制。

圖1 并網光伏系統結構圖

2 光伏陣列輸出特性

光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環境溫度和負載情況影響［4］。在一定的光照強度和環境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏電池的輸出功率才達到最大值，這時光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）［4］。因此，在光伏發電系統中，要提高系統的整體效率，一個重要的途徑就是實時調整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。

圖2為太陽電池陣列的輸出功率P-U曲線，由圖可知當陣列工作電壓小于最大功率點電壓Umax時，陣列輸出功率隨太陽電池端電壓UPV上升而增加；當陣列工作電壓大于最大功率點電壓Umax時，陣列輸出功率隨UPV上升而減小。MPPT的實質是一個自尋優過程［5-9］，即通過控制陣列端電壓UPV，使陣列能在各種不同的日照和溫度環境下智能化地輸出最大功率。

圖2 太陽電池的輸出功率P-U曲線

3 最大功率點跟蹤（MPPT）控制

光伏系統常用的最大功率點跟蹤方法有:定電壓跟蹤、擾動觀察法、電導增量法、最優梯度法、滯環比較法、間歇掃描法、模糊控制法、實時監控法、神經網絡預測法等［10］。這些方法都是根據太陽電池的特性曲線上最大功率點的特點來搜索最大功率點對應的電壓，有的方法需要大量的計算，有的方法需要實時采樣數據并進行分析。這些方法各有優缺點，可以根據不同的系統要求選用不同的控制方法。

3.1 電導增量法

電導增量法（Incremental Conductance）是MPPT控制常用的算法之一［4］。通過光伏陣列P-U曲線可知最大值Pmax處的斜率為零，所以有：

Pmax=U·I（1）

dP/dU=I+U·dI/dU=0（2）

dI/dU=－I/U（3）

式（3）為達到最大功率點的條件，當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，光伏陣列工作在最大功率點。

3.2 本文提出的電導增量法

本文控制方法的程序流程圖如圖3所示，Un，In為檢測到光伏陣列當前電壓、電流值，Ub，Ib為上一控制周期的采樣值。程序讀進新值后先計算其與舊值之差，再判斷電壓差值是否為零（因后面做除法時分母不得為零）；若不為零，再判斷式（3）是否成立，若成立則表示功率曲線斜率為零，達到最大功率點；若電導變化量大于負電導值，則表示功率曲線斜率為正，Ur值將增加；反之Ur將減少。再來討論電壓差值為零的情況，這時可以暫不處理Ur，進行下一個周期的檢測，直到檢測到電壓差值不為零。

圖3 電導增量法程序

4 結 語

電導增量法控制精確，響應速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場合。但是對硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統各個部分響應速度都要求比較快。這種最大功率點跟蹤方法在光強和溫度大范圍變化的情況下具有高速、穩定跟蹤特性。

參考文獻

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［9］趙玉文.21世紀太陽能光伏發電發展趨勢和展望［C］.北京市太陽能研究所論文匯編\\，1999.

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作者簡介 黃 瑤 女，1982年出生，壯族，碩士研究生。主要研究方向為控制理論與控制工程。

黃洪全 男，1962年出生，副教授，碩士研究生導師。主要研究方向為控制理論與控制工程、DSP原理及應用。

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