光伏系統的最大功率點跟蹤控制方法研究

摘 要：最大功率點跟蹤（MPPT）控制器在光伏系統中起著重要作用。在給定的條件下，它們可最大化PV陣列的輸出功率。對每種技術的檢測能力進行了評估，這些技術可以檢測多個最大值，收斂速度，易于實現，在寬輸出功率范圍內的效率以及實現成本。

關鍵詞：光伏（PV）系統;升壓轉換器;MPPT

1 緒論

本文著重介紹獨立光伏系統的最大功率點跟蹤控制算法，旨在盡可能廣泛的工作條件下提供最佳性能。由于光伏系統表現出非線性行為，因此最大功率點（MPP，Max Power Point）隨日光照射而變化，并且有一個獨特的光伏面板工作點，為了獲得最大效率，必須使用最大功率點跟蹤（MPPT，Max Power Point Trace）算法，以在不同的工作點向負載提供最佳的可用PV輸出功率。

2 MPPT技術

跟蹤光伏陣列的MPP是光伏系統的重要階段。已經有了許多MPPT方法，并且已經提出了每種方法的許多變型，以克服特定的缺點。應用程序的類型可能會對MPPT算法的選擇產生重大影響。本文總結了當今使用的最流行的MPPT技術。然后，在實施需要在寬范圍的輻照條件下很好應對的系統時，著重考慮了兩種有希望的方法。

2.1 攝動與觀察（P&O，Perturb and Observe）方法

P&O算法通過以規則的時間間隔增加或減少陣列的電壓或電流，然后將PV輸出功率與先前采樣點的PV輸出功率進行比較來進行操作，這種算法攝動頻率應足夠低，系統可以在下一個擾動之前達到穩定狀態。而且，攝動步長必須足夠大，以使控制器不會受到測量噪聲的明顯影響，并且會在光伏陣列輸出中產生可測量的變化。為了提高P&O方法的跟蹤速度，可采用EPP算法每兩個擾動步長使用一個估計步長。與P&O相比，EPP跟蹤速度更快，跟蹤精度與P&O算法相似。

2.2 增量電導（IC，Incremental Conductance）方法

增量電導（IC）算法試圖通過利用光伏的增量電導來克服攝動和觀測算法的局限性。該算法通過搜索電導等于增量電導的電壓工作點來工作。采用可變步長的IC技術。這種方法會自動將步長調整到太陽能電池陣列的工作點。當判斷出工作點距離MPP較遠時，該算法將增加步長，以使算法能夠快速接近MPP。通過改變步長，可以提高精度和速度。

2.3 恒壓（CV，Constant Voltage）方法

CV算法是最簡單的MPPT算法之一。通過調節太陽能輸出電壓以匹配不可移動的參考電壓Vref，將光伏陣列的工作點保持在MPP附近。參考電壓值設置為等于特征光伏陣列的最大功率點處的電壓。該算法假定PV面板的變化（例如溫度和輻射）不明顯，并且恒定的參考電壓足以實現接近MPP的性能。因此，在實踐中，CV算法可能永遠無法準確定位MPP。在安裝過程中，通常需要收集數據以建立恒定電壓基準，因為這可能會從一個位置更改為另一個位置。在低日照條件下，可以觀察到恒壓技術比干擾觀察和增量電導算法更有效。

2.4 溫度（T）法

溫度方法的效率不如P&O和IC算法。此外，溫度算法需要有關PV陣列的數據表信息，并且必須對其進行更新以確保PV系統的準確運行并補償由于系統老化而導致的參數變化。

2.5 開路電壓方法

開路電壓算法技術選擇開路電壓的76%作為最佳工作電壓?？梢垣@得輸出功率。在測量開路電壓時，光伏電池板的電流為零（Ipv=0），因此負載不會提供功率，因此光伏系統產生的能量會損失。

2.6 反饋電壓（電流）法

反饋電壓（或電流）方法通過將PV電壓與恒定電壓進行比較并調整轉換器的占空比（D）來工作，以使PV陣列在接近MPP的位置工作。該方法成本低廉，計算簡單，僅使用一個反饋控制回路。但是，它沒有考慮溫度和輻照度變化的影響。

2.7 模糊邏輯控制

模糊邏輯控制的優點是它不需要系統的精確數學模型，并且能夠處理系統非線性。模糊邏輯控制的主要缺點是有效性取決于用戶的知識和能力，他們需要選擇正確的錯誤計算并根據所選的隸屬度函數開發合適的規則庫表。通常，使用的隸屬函數數量越多，控制器將越準確地運行。

2.8 神經網絡

神經網絡具有三層：輸入層，隱藏層和輸出層。每層中的節點數量各不相同，并且取決于用戶。PV陣列開路電壓Voc和短路電流Isc用作輸入變量。輸出通常由幾個參考信號之一或用于驅動功率轉換器的占空比信號表示。隱藏層用于實現MPP。系統的性能在很大程度上取決于最初對神經網絡的訓練程度。

3 分析討論

經過對幾種MPPT技術的分析可知，各種算法各有優缺點，因此選擇適合的算法可能非常困難。太陽能汽車需要快速收斂到MPP，因此最好的選擇是模糊邏輯控制和神經網絡算法。在成本高昂的軌道站和太空衛星中，最合適的方法是P&O和IC算法。在居民區使用太陽能電池板時，兩階段IC和優化的P&O方法是合適的。

4 仿真實驗分析

仿真實驗所采用的系統如圖1所示。圖1中，MPPT模塊檢測光伏陣列的輸出電壓和電流，然后根據采用的不同算法輸出合適的PWM波，進而控制DC-DC變化器工作，使負載能夠得到最大功率。該系統在MATLAB / Simulink中建模。升壓轉換器用于將PV陣列連接到電阻負載。升壓轉換器的電感為2mH，輸入電容為9.4uF，輸出電容器為144uF。

為了實現最大功率點跟蹤，在考慮了優化技術的情況下，對P&O和IC算法進行了仿真分析。通過仿真可以驗證兩種算法在正確相同條件下的可行性和相對性能。在此，要考慮的主要方面是系統在最大功率點上收斂的速度方面的動態性能，以及在穩態條件下由于最大功率點附近的振蕩引起的功率波動。

下表中顯示了模擬的光伏面板的特性。太陽能電池陣列的輸出功率主要受環境溫度和輻射的影響。

間斷的云會造成PV陣列輻照快速改變，進而導致太陽能電池陣列輸出功率的突然變化。因此，必須在不同的輻照度下對算法進行測試，以驗證跟蹤的動態性能和最大功率點跟蹤。圖2和圖3顯示了P&O和IC算法隨輻照度變化，負載所能獲得最大功率。圖2所示負載為195歐姆，PV模塊功率為210瓦。圖3的負載為100Ω，PV模塊大小為。圖4負載為100Ω，PV模塊為50W。仿真實驗結果表明，這兩種算法均顯示出快速響應，但是P&O算法在達到穩態后具有更快的響應和更少的振蕩行為。

5 結語

綜上所述，通過以上幾種MPPT方法的比較研究可以看出，在實際使用太陽能電池板時，目的是減少投資回收期。為此，有必要不斷快速地跟蹤最大功率點。此外，MPPT應該能夠最小化MPP周圍的紋波。通過模擬獨立的光伏系統，利用DC-DC升壓轉換器將光伏板連接到負載。在各種不同的照射條件下考慮了每種方法的性能。結果表明，在較寬的輻照設置和負載范圍內，增強的擾動和觀測算法具有更快的動態性能，并且比增量電導方法具有更好的穩態水平。

參考文獻：

[1]栗秋華，周林，劉強，等.光伏并網發電系統最大功率跟蹤新算法及其仿真[J].電力自動化設備，2008，28（7）：21-24.

[2]井天軍，楊明皓.農村戶用風/光/水互補發電與供電系統的可行性[J].農業工程學報，2008（08）：188-191.

[3]溫嘉斌，劉密富.光伏系統最大功率點追蹤方法的改進[J].電力自動化設備，2009，29（6）：81-84.

[4]楊春來，陳文穎，林永君，等.基于改進擾動觀察法的光伏陣列最大功率跟蹤器的研究[J].電子質量，2011（12）：62-65.

[5]趙冉.太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤技術研究[D].西安電子科技大學，2012.

作者簡介：鄒玉東（1971-），河南安陽人。