光伏發電中MPPT控制方法綜述

摘要：在光伏發電系統里，為了能充分利用光伏發電功率，最大功率點跟蹤（MPPT）起著無法替代的作用。本文將進行具體的分析，以供參考。

關鍵詞：光伏發電；MPPT；控制；應用

1、前言

光伏產業是當今世界上增速最快的行業之一。為了實現環境和能源的可持續發展，光伏發電已成為很多國家發展新能源的重點，光伏發電將是未來主要的能量來源。為了充分利用太陽能源，通過最大功率點跟蹤（MPPT）的控制方法來使能量最大化以逐漸成為發展趨勢。

2、常見的MPPT控制方法

2.1 擾動觀測法

擾動觀測法是最大功率跟蹤算法中使用最廣泛的一種算法，基本思想是：首先增加或減小光伏電池板的輸出電壓（或電流），然后觀測光伏電池輸出功率的變化，根據功率變化再連續改變電壓（或電流）的幅值，使光伏電池輸出功率最終工作于最大功率點。擾動觀察法由于簡單易行而被廣泛用于MPPT控制中，但隨著研究的深入，該方法存在的不足之處逐漸顯現出來，即存在震蕩和誤判的問題。

在實際應用過程中，由于檢測精度和計算速度的限制，電壓擾動的步長一般是一個定值，在這種情況下，就會產生震蕩。當步長越小時，震蕩就越小，跟蹤的速度就越慢。要想達到理想的狀態，就要在速度和精度做權衡考慮。在擾動觀察算法運行過程中，當工作電壓達到最大功率點附近時，由于步長恒定，有些情況下，工作電壓會跨過最大功率點，改變擾動方向后，工作電壓再一次反向跨過最大功率點，如此往復循環，即出現了震蕩，即擾動觀察法的震蕩問題。當日照，溫度等外界條件發生變化時，光伏陣列的特性缺陷也會跟著發生變化。而擾動算法卻無法察覺到，算法還認為是在一條曲線上進行擾動觀察，此時就會出現擾動方向誤判的情況，即擾動觀測法的誤判問題。

定步長的擾動觀測法存在震蕩和誤判的問題，使系統不能準確的跟蹤到最大功率點，造成了能量損失，因此需要對上述定步長的擾動觀測法進行改進。其中，基于變步長的擾動觀測法可以在減小震蕩的同時，使系統更快的跟蹤到最大功率點；基于功率預測的擾動觀測法可以解決外部環境劇烈變化時所產生的誤判現象；基于滯環比較的擾動觀測法在最大功率點跟蹤過程中的震蕩和誤判這兩方面均有較好的性能。

2.2 雙步長擾動觀察法

擾動觀察法可通過減小占空比變化量DD改善光伏器件在MPP附近的功率振蕩現象，但DD較小會降低系統對日照變化的響應速度，當外界環境變化較大的時候，跟蹤速度會比較慢，但較大的DD又會使其跟蹤的精度降低，可考慮根據光伏器件工作點調整MPPT控制中的DD從而兼顧MPPT的快速性和精度。模糊控制也是普遍使用的變步長MPP控制方法，它雖具有較佳的快速性和穩定性，但該方法實現復雜，工程應用較為困難。此雙變步長MPPT控制方法是在控制過程中Dd共有兩個等級，較大者用于日照突變時MPPT控制；較小者用于光伏器件工作在MPP附近，以降低功率振蕩。

2.3常規MPPT控制方法

恒電壓跟蹤法（CVT）依靠光伏陣列在不同的日照強度和相同的溫度下最大功率點電壓基本不變的原理，控制光伏陣列的輸出電壓Uv恒定工作在電壓Vm來完成對最大功率的追蹤。開路電壓法是其最大功率點工作電壓V1與開路電壓V2的比值約為0.76，將其工作電壓設定為0.76倍的開路電壓，此時光伏陣列即近似工作在最大功率點。短路電流法是其最大功率點輸出電流Im與短路電流Is的比值近似等于0.91而設計的算法。這些方法較實用，但它們只是近似的MPPT方法，在環境條件快速變化的時候，會帶來較大的能量損失。擾動觀察法是初設一個光伏陣列工作電壓，通過調節功率管的占空比給光伏陣列輸出電壓周期性擾動，比較擾動前后的輸出功率，如果增加，則光伏電池工作于MPP左側，保持當前的擾動方向，增大光伏陣列輸出端電壓；反之亦然。該方法簡單，但會導致輸出在MPP附近振蕩，造成一定的功率損失，并且當環境變化劇烈時有可能導致跟蹤失敗。

增量電導法是依據光伏陣列在最大功率點處dP/dU=0，所以有：dP/dU=I+U×dI/dU=0，即dI/dU=-I/U，則當系統輸出電導的變化量等于輸出電導變化量的負值時，光伏電池工作在MPP附近。增量電導法控制相對精確、跟蹤速度較快，基本可以消除在MPP振蕩現象，與擾動法相比，他們都存在跟蹤速度與跟蹤精度矛盾的問題，該方法對硬件的要求特別是傳感器要求較高，成本也相對較高。此外還有神經網絡法、模糊控制法等，這些方法在一定程度上能夠較好地緩解跟蹤速度與跟蹤精度的矛盾，但在實際的工程應用中運用較少，也很難實現。

3、本文提出的MPPT方法

3.1 基本思想

在第一階段，以一個較大電壓間隔△D把U值可能的取值范圍分為很多段，并分別得到對應段上的P值，然后比較各P值大小，找到P值最大的點；只要△D選取合適，最大功率點Pmax肯定就在P1點附近；第二階段，再以P1點為中心，△D為半徑，P2、P3點為界組成的區域內以較小的電壓間隔△d細分為更小的小段，然后同理得到各小段上的P值并比較得出最大值，此時的最大值點已經是真正的最大功率值Pmax了。

3.2 MPPT方法的優點

（1）方法簡單且成本較低。主要需要做的就是各分段上的電壓采集，再通過計算得到相應的電流值，從而得到各點處的輸出功率P。該方法不需要微分器、積分器等復雜設備，在成本控制上也有優勢。

（2）值得一提的是，傳統方法基本都假設了P-U曲線是光滑的單峰曲線，而事實上光伏電池板會因為所處環境的變化而時刻發生變化，從而造成P-U曲線并非如此光滑，也并非真正的單峰。如光伏板上有陰影出現時，P-U曲線會形成明顯的局部峰值，成為多峰狀。

4、結束語

在實際應用過程中針對不同控制方法存在的實際問題還需要做進一步研究。隨著新興能源的不斷發展和各國政府的不斷支持下，光伏陣列最大功率跟蹤算法精度和速度的提高將是未來的發展趨勢。

參考文獻：

[1]喬興宏，吳必軍，王坤林，等.基于模糊控制的光伏發電系統[J]2017（2）；35

[2]王夏楠.獨立光伏發電系統及其MPPT的研究[D].南京：南京航空航天大學，2016