光伏發電最大功率點跟蹤方法及控制研究

蔣兵兵

摘 要 面對新時期的大背景，在電力系統當中使用光伏發電具備非常重要的作用。本篇文章主要對光伏發電的最大功率點跟蹤方法以及控制進行詳細的研究，希望可以給大家帶去一些啟發。

關鍵詞 光伏發電 最大功率點 跟蹤方法 跟蹤控制

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

1光伏發電與最大功率點跟蹤相關概述

1.1光伏發電系統基本概述

光伏發電主要在半導體的基礎上接受光照，進而出現光生伏特效應，并且會把太陽光能進行轉化為相應的電能，屬于非常關鍵的一種技術。在光伏發電當中，太陽能電池屬于比較基本的裝置，而光伏發電系統指的就是把太陽能更好的轉變為電能的一種發電系統。由于光伏電池輸出的是具備非線性的曲線，因此，外界的條件出現一些變化時，關于光伏電池的最大功率點位置也會出現一些變化。為了在不同的條件下，使得光伏電池的功率值得到提高，要不斷的使得太陽能轉化為電能的具體效率得到改善，這時候使用最大功率跟蹤技術是非常必要的。

1.2最大功率點跟蹤相關概述

在高效光伏發電系統當中，最大功率點跟蹤屬于一種非常關鍵的技術。光伏電池具備的非線性輸出特性是比較復雜的，在一定情況下會遭受溫度以及光照強度的影響，但是輸出卻存在不同以及比較唯一的最大功率點。面對均勻的光照環境，PV陣列輸出的P-U屬于單峰曲線，MPPT控制算法包含非常多的方面，其中比較常用的有：擾動觀察法、恒定電壓跟蹤控制法以及電導增量法等。在現實的應用過程中，周圍建筑物陰影會對PV陣列具備較大的影響，進而輸出相應的多峰曲線，由此出現非常多峰下MPPT的具體算法，主要包含：代數算法以及人工智能算法，人工智能算法具備很好的適應性以及準確度，不會對陣列的具體數學模型起到依賴的作用，但是卻需要比較多的經驗積累以及運行數據，電路的實現比較復雜，MPPT過程會給負載，隨機功率振蕩或電網造成比較大的擾動。代數算法的計算量比較小，實現簡單，搜索軌跡非常明確，但是其準確度以及陣列的數學模型之間具備比較密切的關系，如果處在非均勻的光照條件下，會出現MPPT誤跟蹤的問題。為了使得上述算法當中的局限性得到更好的解決，在改進的Fibonacci搜索算法的基礎上，判斷相應的光照類型，確定陣列拓撲結構，在比較均勻的光照下，會使得全局MPP的具體區間范圍得到縮小，MPPT就會快速的實現;如果光照出現突變的情況時，需要再次的定義搜索區間實施相應的搜索，一定不可以出現誤判的情況;在非均勻的光照條件下，需要劃分多重的具體搜索區間，在改進的Fibonacci算法基礎上可以很好的算出局部極值，最終求出最大功率。

2光伏發電最大功率點跟蹤方法及控制

2.1 MPPT原理

MPPT指的PV陣列的負載阻抗以及輸出阻抗之間相互匹配的一個過程，如果兩者比較相等，PV陣列會輸出相應的MPP。如果負載阻抗RL在不變的情況下，PV陣列在輸出阻抗的過程中會遭受外界環境因素的具體影響，一直不斷的進行變化，這時候，可以在PV陣列以及負載之間增加相應的DC/DC變化器，對DC/DC變換器當中功率開關管脈沖的信號占空比進行改變來完成相應的調整、更好的控制PV陣列當中的工作電壓，保障其工作在MPP中實現相應的MPPT控制。VDC以及IDC屬于PV陣列當中的取樣電壓以及電流。控制部分會按照VDC以及IDC參數，通過MPPT算法對陣列在當前溫度以及光照下MPP對應的具體電壓值計算，并且會作為DC/DC控制的相關給定值，可以把電壓給定值以及實際值送入PI調節器來完成相應的控制，輸出DC/DC電路當中的具體功率器件（一般屬于MOSFET）的占空比，只有對脈沖信號進行不斷的調整，才可以使得PV陣列當中的MPPT以及升壓功能得到更好的實現。面對NIE這種條件，陣列輸出具備非常多的局部極值點，比較的容易陷入到局部極值點，而造成全局的MPP不能完成輸出，但是可以使用多區間的Fibonacci搜索算法對這一問題進行很好的解決。

2.2擾動觀察法

前面給出的方法均通過數學模型和工作特性近似得到MPP電壓和電流，因此存在一定的不準確性，進而導致太陽能利用率降低。通過擾動觀察法MPPT控制，該方法通過檢測當前時刻和上一時刻的電壓和電流，然后根據前后時刻差值來判斷擾動步長增加或者減小進而實現最大功率跟蹤控制。為了解決擾動觀察法啟動跟蹤慢的缺陷，采用開路電壓和擾動觀察結合方法和短路電流和擾動觀察結合方法，兩種方法在啟動過程中能夠迅速到達MPP點附近，增加了跟蹤速度。擾動觀察法的性能與步長緊密相關，步長過大，啟動速度增加，穩態性能較差;步長小，跟蹤速度降低，穩態性能好。

2.3恒定電壓法

通過輸出功率曲線可以得知，如果溫度比較一定，處在不同的光照強度下，在同一直線上會分布的有最大的功率點，如果使用一條垂線進行代替，可以保障恒定電壓的不變，這樣可以講明光伏電池存在的最大功率點以及某一恒定電壓存在相對應的情況，因此可以在實驗測試的基礎上得出在某一溫度以及光照條件下的光伏電池最大功率點電壓，可以把該電壓當作最大功率點的電壓Um，因此可以把輸出電壓在Um處進行穩定的控制，這樣可以得出最大的功率輸出，其屬于恒定電壓法的具體思想。該方法具備原理簡單以及便于實現的優點，但是同樣存在一定的缺點，溫度會對開路電壓造成一定的影響，這一點非常的容易忽略。

2.4模糊控制方法

擾動觀察法和電導增量法在控制過程中，均屬于線性控制策略，為電力電子變換器本身為一個強非線性的系統，為此將模糊控制理論應用于光伏最大功率跟蹤控制（見圖1），將模糊控制與傳統MPPT方法相結合，通過模糊原則在線修訂傳統PI控制器參數，以獲得更好的動態性能。

由于模糊控制對控制對象模型要求程度（下轉第286頁）（上接第284頁）低，可以根據經驗預先設計模糊規則，明確輸入和輸出變化關系，通過這種原理變模糊論域MPPT控制策略，將占空比和功率變化量作為輸入量，將占空比作為輸出量，通過三者間的關系實現最大功率跟蹤控制。

2.5人工智能控制法

第一，關于模糊控制算法，其屬于一種在模糊邏輯MPPT基礎上完成的控制方法。把模糊控制以及PID控制之間相結合，利用模糊控制對PID參數進行在線臺階，可以使得最大功率點處存在的震蕩情況降低，從而使得能量損失也大大的降低。第二，關于神經網絡控制法，神經網絡法是在MPPT控制方法的基礎上完成的。該方法具備算法精度比較高的優點，在訓練的過程當中，如果利用的光照強度以及溫度數據越多，那么精度就會越高，其同樣存在一定的缺點：學習過程比較的漫長，控制算法非常的困難，實現比較的困難。

2.6粒子群算法

如果天氣比較的晴朗，我們就可以采用相應的均勻光照跟蹤方法，也可以稱之為混合型的蟻群算法;如果存在局部的陰影情況，我們可以使用局部陰影的具體跟蹤方法，也可以稱之為非單峰的具體跟蹤方法。首先，需要對均勻的光照情況進行詳細的分析。如果光照比較的均勻，輸出功率曲線會呈現出相應的單峰圖形。可以從螞蟻的視角進行分析，可以忽略地面的高度，我們把螞蟻的活動空間看做是一種平面上的，也可以稱之為是一維的。那么其在一維活動下會出現最大功率的單峰性;其次，縱觀局部陰影下的情況，輸出功率的具體曲線屬于非單峰的具體圖形。因此在比較均勻的光照以及曲線單峰的相關情況下，可以使用一維屬性的具體蟻群算法;而如果處在局部陰影的環境下，我們可以使用相應的三維屬性的具體改進粒子群算法。

3 MPPT方法的選擇與展望

在選擇MPPT方法時，要對優缺點進行考慮，當然還需要考慮其他的一些因素，包含：實現控制方法的具體程度、傳感器類型以及應用領域等，當然最重要的是MPPT方法的效率。目前，對于MPPT方法還在進一步研究和完善中，隨著智能控制理論和電子技術的發展，其發展前景和空間巨大。

4結語

綜上所述，隨著光伏發電技術的快速法展，光伏電池仿真系統可以很好的實現有效跟蹤的最大功率點，這時候其振動比較小，輸出的最大功率、波形非常的穩定。在對光照強度以及溫度進行改變之后，可以對仿真的準確性進行驗證，這樣可以說明光伏發電系統可以在模糊控制法的基礎上實現工作效率的提高，通過科學的仿真驗證有助于光伏發電系統狀態的穩定發展。

基金項目：湖南鐵路科技職業技術學院課題“基于分布式估計算法的光伏系統最大功率點跟蹤控制研究”（HNTKY-KT2020-10）。

參考文獻

[1] 周東寶，陳淵睿.基于改進型變步長電導增量法的最大功率點跟蹤策略[J].電網技術，2015，39（06）：1491-1498.