光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤技術(shù)

楊思俊

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

為了提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)成本，最大可能的提高光伏電池的利用率，必須使光伏電池始終保持最大功率輸出。采用最大功率跟蹤（簡(jiǎn)稱MPPT）技術(shù)可在同樣的硬件成本上采用軟件控制來提高發(fā)電效率。

1 光伏電池的伏安特性曲線

1.1 伏安特性曲線

通過曲線圖1可以看到，光伏電池在光照下的輸出電流和輸出電壓均與太陽輻射的通量密度成正比的關(guān)系。也就是說，不同的光照強(qiáng)度條件下可得到不同的特性曲線。光伏電池輸出伏安特性曲線與電流軸的交點(diǎn)為短路電流ISC；與電壓軸的交點(diǎn)為開路電壓UOC。在較高電壓區(qū)域內(nèi)，該電源具有低內(nèi)阻特性，可以視為一系列不同等級(jí)的電壓源；而在較低電壓區(qū)域內(nèi)，該電源又具有高電阻特性，可以視為一系列不同等級(jí)的電流源。

在光照強(qiáng)度不變的情況下，它的功率輸出具有極大值，出現(xiàn)在電壓源與電流源的交點(diǎn)處，并且如果假設(shè)電池溫度不變，這個(gè)極大值將隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)或降低而增加或降低[1-3]。在這個(gè)極大值點(diǎn)的兩側(cè)，光伏電池的功率輸出都在零與極大值之間連續(xù)變化。換言之，對(duì)于同樣的功率輸出，電源可以用作電壓源，接電壓型的負(fù)載，也可以用作電流源，接電流型的負(fù)載。

圖1 光伏電池輸出伏安特性曲線Fig.1 Output current-voltage curve of photovoltaic battery

1.2 輸出功率

根據(jù)功率定義式P=UI，設(shè)定P為不同的常數(shù)，代入U(xiǎn)和I，便可在光伏電池輸出伏安特性曲線圖上做出一系列的等功率曲線，如圖2（a）所示，圖中右上角的三條曲線在實(shí)際中，必有唯一的一條功率曲線與光伏電池輸出伏安特性曲線相切，該功率曲線便代表著光伏電池在當(dāng)前照強(qiáng)度下的最大輸出功率，該切點(diǎn)稱為最佳工作點(diǎn)M。從原點(diǎn)引出的交于M點(diǎn)的直線為最佳負(fù)載線，RL=RM；M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值為最佳輸出電流IM，對(duì)應(yīng)的電壓值為最佳輸出電壓UM；由UM和IM得到的矩形幾何面積也是該特性曲線所能包攬的最大面積，成為光伏電池的最佳輸出功率或最大輸出功率PM，如圖2（b）所示。

圖2 特性曲線Fig.2 Characteristic curve

2 最大功率根據(jù)技術(shù)的硬件電路

最大功率根據(jù)技術(shù)的硬件電路如圖3所示，用BUCK電路可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。BUCK電路（也稱為斬波電路或斬波器）是接在光伏陣列和負(fù)載之間，通過控制電壓將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。BUCK電路中開關(guān)管導(dǎo)通的占空比的改變，對(duì)光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化，輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT技術(shù)即是通過調(diào)節(jié)BUCK電路的占空比而改變光伏陣列的輸出阻抗，從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。由BUCK電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)時(shí)，光伏陣列的輸出電壓高于蓄電池的端電壓時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)。當(dāng)光伏陣列的輸出電壓低于蓄電池端電壓時(shí)，BUCK電路的控制失去作用[4]。

圖3 最大功率根據(jù)技術(shù)的硬件電路Fig.3 Circuit of MPPT

3 軟件控制原理

3.1 主程序分析及流程

MPPT控制使工作電壓在每隔一定時(shí)間稍微變動(dòng)，然后測(cè)量此時(shí)的太陽電池的輸出功率與前一次進(jìn)行比較，就這樣反復(fù)進(jìn)行比較使輸出始終跟蹤太陽電池的最大功率點(diǎn)。MPPT控制的一個(gè)例子如圖4所示。假定圖中曲線1和曲線2為兩不同光照強(qiáng)度下太陽電池的輸出特性曲線，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)；并假定某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在A點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化，即太陽電池的輸出特性由曲線2上升為曲線1。此時(shí)如果保持負(fù)載1不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在D點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了繼續(xù)追蹤最大功率點(diǎn)，應(yīng)將系統(tǒng)的負(fù)載特性由負(fù)載1變化至負(fù)載2，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn)B。同樣，如果光照強(qiáng)度變化使得太陽電池的輸出特性由曲線1減至曲線2，則相應(yīng)的工作點(diǎn)由B點(diǎn)變化到C點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的調(diào)整負(fù)載2至負(fù)載1以保證系統(tǒng)在光照強(qiáng)度減小的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn)A。

圖4 MPPT控制示例Fig.4 Control example of MPPT

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的算法有：干擾觀測(cè)法（Perturbation and observation，簡(jiǎn)稱 P&O法）、增量電導(dǎo)法（Incremental conductance，簡(jiǎn)稱 IncCond法）、模糊邏輯控制法等[5]。

增量電導(dǎo)法是MPPT控制常用的方法之一。通過光伏陣列P-U曲線可知最大值Pmax處的斜率為零，即尋求在斜率為零的這一最大功率點(diǎn)處工作。通過調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。而增量電導(dǎo)法避免了微擾觀察法的盲目性，它能夠判斷出工作點(diǎn)電壓于最大功率點(diǎn)電壓之間的關(guān)系。Un、In為檢測(cè)到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值，Ub、Ib為上一控制周期的采樣值，Umax為最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓。這種MPPT控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動(dòng)觀測(cè)小。其中，d U=Un－Ub，d I=In－Ib。

當(dāng)d U≠0時(shí)：

若 Un＜Umax，＞0即=I+U＞0可得：。要尋求最大功率點(diǎn)則要增加電壓。

若 Un＞Umax，＜0即=I+U＜0可得：。要尋求最大功率點(diǎn)則要減小電壓。

若 Un=Umax，=0即=I+U=0可得：。則Un即為最大功率點(diǎn)的電壓。

當(dāng)d U=0時(shí)：

若d I=0，則Un即為最大功率點(diǎn)的電壓。

若d I＞0，由圖5可知要尋求最大功率點(diǎn)則要減小電壓。

若d I＜0，由圖5可知要尋求最大功率點(diǎn)則要增加電壓。

電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號(hào)。這種控制算法同樣需要對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也會(huì)比較高[6]。電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖5所示。

圖5 電導(dǎo)增量法的流程圖Fig.5 Flow diagram of Incremental conductance

3.2 濾波程序

采樣的電壓電流信號(hào)是單片機(jī)控制的參考，也是最大功率跟蹤的關(guān)鍵依據(jù)，所以要對(duì)所采樣的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確處理，以防止路燈的誤接入和MPPT跟蹤技術(shù)中的可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤跟蹤[7]。

其濾波過程如下，在2 s內(nèi)分別取電壓、電流的采樣的信號(hào)20次，然后依照大小冒泡排序，在排完序的數(shù)組中依次去掉5個(gè)最大的值和5個(gè)最小的值，再將其求平均，得到一個(gè)可靠性較高的數(shù)，并以此來作為占空比或路燈的接入與否的依據(jù)。作實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇2 s取一個(gè)有效信號(hào)，可以明顯看到電壓表電流表的表針在來回?cái)[動(dòng)尋優(yōu)。濾波后的數(shù)值產(chǎn)生MPPT誤調(diào)的可能性將大大減小。程序?qū)崿F(xiàn)如圖6所示。

圖6 濾波程序流程Fig.6 Filter processes

其中對(duì)采樣數(shù)值的排序采用冒泡排序法。將尚未排序的各元素從頭到尾依次比較相鄰的兩個(gè)元素是否逆序（與欲排順序相反），若逆序就交換這兩元素，經(jīng)過第一輪比較排序后便可把最大（或最小）的元素排好，然后再用同樣的方法把剩下的元素逐個(gè)進(jìn)行比較，就得到了所要的順序。可以看出如果有20個(gè)元素，那么一共要進(jìn)行19輪比較，第i輪要進(jìn)行j=20－i次比較。

4 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了提高發(fā)電效率，對(duì)于太陽能光電池轉(zhuǎn)換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)來提高太陽能電池的利用率。分別采集了帶MPPT技術(shù)的太陽能基站電源的控制器與不帶MPPT技術(shù)的控制器的電壓、電流，并將發(fā)電功率進(jìn)行了比較，在設(shè)計(jì)中作了大量的實(shí)驗(yàn)，并形成了圖表予以分析。以下是日光強(qiáng)度逐漸減弱時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)試。實(shí)際采集過程是每5 s采集一次，這里將簡(jiǎn)單將每隔1 min的數(shù)據(jù)進(jìn)行列表分析。

在同樣的外界條件下，日光逐漸減弱時(shí)引入MPPT技術(shù)的太陽能發(fā)電技術(shù)和無MPPT技術(shù)的情況下，由表1的數(shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)，在引入MPPT技術(shù)的太陽能發(fā)電技術(shù)后，發(fā)電功率增長(zhǎng)了25.9%。

表1 日光強(qiáng)度逐漸減弱時(shí)數(shù)據(jù)表Tab.1 Sun light gradually decreased data

5 結(jié)束語

對(duì)于太陽能光電池轉(zhuǎn)換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)來提高太陽能電池的利用率。在利用同樣的參數(shù)的太陽能電池板，對(duì)帶MPPT技術(shù)的控制器與不帶MPPT技術(shù)的控制器發(fā)電功率進(jìn)行了比較，在設(shè)計(jì)中作了大量的實(shí)驗(yàn)，采集了輸出電壓、電流，并形成了圖表予以分析。但實(shí)驗(yàn)圖表亦存在一些局限性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程中，是采用太陽能電池板通過控制器直接接負(fù)載（即電阻絲）來測(cè)量控制器的輸出功率的。而實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)為太陽能電池板通過控制器向蓄電池充電。電阻絲只吸收功率，而蓄電池（本設(shè)計(jì)中采用額定電壓為24 V）會(huì)將控制器的輸出電壓鉗位在21.6～26.4 V之間，當(dāng)輸出電壓在這之間時(shí)，帶MPPT技術(shù)的控制器的輸出功率將比此時(shí)此刻不接蓄電池而接電阻絲的輸出功率要低。沒有采用給蓄電池充電的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較是因?yàn)闊o法一直獲得電量等同的蓄電池，帶MPPT技術(shù)的控制器對(duì)蓄電池充電較快，所以無法使兩種控制器一直在同等條件下工作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，即太陽能電池板通過帶MPPT技術(shù)的控制器對(duì)蓄電池充電比太陽能電池板通過不帶MPPT技術(shù)的控制器對(duì)蓄電池充電高的效率將小于20%。但并不是說引入MPPT技術(shù)沒有必要，論文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是有效的證明。在光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行中，由于電網(wǎng)的負(fù)載性質(zhì)，引入MPPT技術(shù)后，效率的提高將大于本設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，意義重大。在本設(shè)計(jì)中，引入MPPT技術(shù)后功率的提高所費(fèi)的成本與增加太陽能電池板來提高功率相比將占有絕對(duì)大的優(yōu)勢(shì)。

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