光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制算法綜述

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象，對常用算法的基本原理、存在的問題、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、擾動觀察法。然后著重針對擾動觀察法的優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)，包括其步長設(shè)定問題、擾動方向出錯等局限性，并對現(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】最大功率點跟蹤；擾動觀察法；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，人們對能源的需求也越來越大，而現(xiàn)今運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不斷地開采下越來越少。尋找新能源成為了人類必須面對的現(xiàn)實。太陽能作為現(xiàn)今自然界中最為理想的新能源之一，收到越來越普遍的重視。太陽能與其他綠色可再生新能源相比有儲量豐富；分布范圍廣泛；能源清潔的特性。

太陽能光伏發(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)。太陽能光伏發(fā)電有如下優(yōu)點：

（1）光伏發(fā)電設(shè)備操作維護(hù)簡單，運行穩(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）太陽能資源豐富且便于獲得；

（4）太陽能電池組件結(jié)構(gòu)簡單，體積小重量輕，便于運輸和安裝。

2）最大功率點跟蹤控制的意義

為了使光伏電池板能夠隨著溫度、光照強度變化始終運行于最大功率點處，光伏發(fā)電系統(tǒng)常采用最大功率點跟蹤（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、恒定電壓法和擾動觀察法。由于算法自身特點，上述算法均有其局限性和優(yōu)越性。

本文對MPPT常見算法及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。特別是對擾動觀察法的步長變化、擾動方向出錯的局限性以及針對這些問題的現(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，在給定的光照強度和溫度下，輸出的功率值存在一個最大值并且對應(yīng)一個電壓，此點即最大功率點（Maximum Power Point，MPP），對應(yīng)電壓為最優(yōu)電壓。這個最大功率點會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實現(xiàn)最大功率跟蹤。通過光伏陣列的dP/dU-U曲線可以得到式（1）所示的判據(jù)：

dP/dU=0，運行點位于最大功率點dP/dU>0，運行點在最大功率點左側(cè)dP/dU<0，運行點在最大功率點右側(cè) （1）

通過判斷dP/dU的符號就可以判斷光伏陣列是否工作在最大功率點。在最大功率點處有dP/dU=0，此時保持電壓不變；在最大功率點左側(cè)dP/dU>0，此時應(yīng)增大輸出電壓；在最大功率點右側(cè)dP/dU<0，此時應(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)增量法在實際應(yīng)用時采用如下判據(jù)：

光伏系統(tǒng)工作在最大功率點情況時，系統(tǒng)輸出功率為：

在實際應(yīng)用中，可以通過判斷（dI/dU+I/U）的符號來判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點。當(dāng)其為零時，表明此時系統(tǒng)處于最大功率點處；當(dāng)符號為正時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的左側(cè)；當(dāng)符號為負(fù)時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的右側(cè)，具體算法流程圖如圖3所示。圖中C為擾動步長的調(diào)整系數(shù)。

1.2.2 恒定電壓法

當(dāng)溫度不發(fā)生劇變，輻照強度大于某一定值時，從光伏陣列輸出曲線上看，最大功率點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為光伏電池板開路電壓。恒定電壓法[3-4]就是把最大功率點處電壓默認(rèn)在開路電壓70%～90%，從而計算出功率。即光伏陣列的最大功率點電壓Umpp與光伏陣列的開路電壓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環(huán)的MPPT控制，算法簡單，硬件實施方便，工程應(yīng)用廣泛。目前主要使用在對精度要求不高，氣溫變化不劇烈的場所。在實際應(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)最大功率點附近。再結(jié)合其他復(fù)雜算法進(jìn)一步精確。

1.2.3 擾動觀察法

擾動觀察法（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)上增加一個小電壓分量擾動后，其輸出功率會發(fā)生改變，測量變化后的功率，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)按原方向擾動電壓，如果功率減小則改變原擾動方向。通過反復(fù)擾動和觀測最終使系統(tǒng)輸出功率趨于最大[5-6]，其流程如圖4所示。

2 擾動觀察法存在問題及研究現(xiàn)狀

2.1 擾動觀察法存在問題

擾動觀察法雖然實施簡單，參數(shù)測量較少，傳感器的精度要求不是特別高。但是同樣存在問題[7-9]。

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

（2）采用固定的搜索步長時存在的矛盾。搜索步長過長使得最大功率點附近的振蕩幅度較大，降低了跟蹤精度，而步長過短又會影響算法的搜索速度。

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

2.2 現(xiàn)有改進(jìn)方法

2.2.1 變步長的擾動觀察法

針對上述問題（1）和問題（2），現(xiàn)有改進(jìn)方法主要通過變步長設(shè)計來進(jìn)行改善，例如，根據(jù)運行點距離最大功率點的遠(yuǎn)近不同，可以設(shè)計不同的搜索步長，在此方面，典型的方法之一是設(shè)置門檻電壓。以最大功率點為中心設(shè)置一個常數(shù)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，采用小步長追蹤，而在此區(qū)間外可進(jìn)行大步長追蹤[10]；另一種典型變步長算法是以？駐U=r×（dP/dU）的形式獲得動態(tài)變步長的搜索算法，其中r為步長調(diào)整系數(shù)，dP/dU在恒定溫度和光照強度時能夠反映運行點與最大功率點的遠(yuǎn)近，當(dāng)接近最大功率點時，dP/dU趨近于0變步長的設(shè)計既提高了搜索的效率，又減少了最大功率點處功率振蕩的幅度[11]。

2.2.2 搜索方向的改進(jìn)設(shè)計

針對擾動觀察法存在的問題（3），一般通過搜索方向的調(diào)整來避免。現(xiàn)有改進(jìn)方法中對于搜索方向的調(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，太陽能電池的輸出功率P也跟著有較大變化；當(dāng)外界因素變化很小時，太陽能電池的輸出功率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：先測得太陽能電池陣列的輸出功率P（i），確定一個功率值范圍？駐Pm，對其工作點進(jìn)行擾動，測得擾動后太陽能電池陣列的輸出功率P（i+1），計算？駐P=P（i+1）-P（i）數(shù)值大小，當(dāng)？駐P>0時，若？駐P>+？駐Pm，繼續(xù)原來擾動方向，增加步長；若？駐P<+？駐Pm，繼續(xù)原來擾動方向，減小步長；當(dāng)？駐P<0時，若？駐P>-？駐Pm，往相反方向擾動，減小步長；若？駐P<-？駐Pm，往相反方向擾動，增加步長。文獻(xiàn)[13]提出光伏電池產(chǎn)生的電流和光照強度有一定的線性關(guān)系，光照強度增加時，輸出電流增大；光照強度減小時，輸出電流減小。所以可以認(rèn)為當(dāng)光照強度變化時，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，dI≠0，說明光照強度發(fā)生了變化。因此，當(dāng)光照強度發(fā)生變化時，以微小步長？駐Umin進(jìn)行擾動。待環(huán)境條件穩(wěn)定后，再以正常步長擾動跟蹤，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，能源問題是人類現(xiàn)今乃至今后都要面臨的重大問題。所以新能源開發(fā)是一直是科學(xué)界關(guān)注的主題，而太陽能作為新能源的一個代表性個體也成為了人們關(guān)注的對象。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，而要改善這個問題就要對光伏發(fā)電最大功率點進(jìn)行追蹤。本文總結(jié)了光伏發(fā)電最大功率點追蹤技術(shù)的研究背景，傳統(tǒng)MPPT算法的基本原理。此外，針對擾動觀察法存在的問題，對前人的研究成果進(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]