太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)及仿真

金劍JIN Jian

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 412200）

0 引言

太陽能光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言的，因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)綜合考慮進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合光伏發(fā)電組件的整體功率進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)配置，所以說太陽能光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)就是組件的單塊功率相加之和。

傳統(tǒng)模式下，相關(guān)人員需要耗費(fèi)大量時(shí)間對光伏發(fā)電系統(tǒng)等設(shè)備裝置進(jìn)行處理，即使相關(guān)太陽能通過特殊的半導(dǎo)體材料逐步轉(zhuǎn)化為電力能源。然而，此種電能轉(zhuǎn)換方式容易受到自然環(huán)境（氣溫）、光照強(qiáng)度等外界客觀因素的影響，不利于長期使用，而最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的普及推廣與應(yīng)用，能夠在較短時(shí)間內(nèi)對太陽能光伏電池的電壓和輸出電壓進(jìn)行綜合管控，全面促使了光電轉(zhuǎn)換效率的管理水平全面提升。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

通過查閱相關(guān)資料可以得知，光伏發(fā)電電池組陣列、電力電子變換器（逆變器）、負(fù)載和蓄電池構(gòu)成了一個(gè)完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]，各系統(tǒng)重要組成零件運(yùn)行功能如下：

第一，太陽能電池板又可以被稱為光伏陣列，單個(gè)太陽能電池板每cm2輸出的電壓在4.4-4.6V 左右，在電流工作范圍為20-26mA 的基礎(chǔ)上，單個(gè)光伏電池?zé)o法滿足電池板對負(fù)載的整體電量需求。故此，在實(shí)際的光伏電池總發(fā)電量和串并聯(lián)需要的光伏板個(gè)數(shù)計(jì)算過程中，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合負(fù)載用電量的電壓、電流及功率情況來確定實(shí)際的電流工作范圍，并采用特定方式保證每個(gè)光伏電池能量性能和實(shí)用功能完全一致。反之，將會(huì)對光伏板內(nèi)部的電流、電壓輸出產(chǎn)生不利影響。如果需要對光伏電池板進(jìn)行并聯(lián)操作，就應(yīng)確保每個(gè)光伏電池板電壓基本相同。針對此種現(xiàn)象，管理人員應(yīng)利用自身實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)能力對光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要零部件進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，確保整個(gè)系統(tǒng)的整體運(yùn)行功能完整，在日后管理過程中，應(yīng)派專業(yè)人員進(jìn)行維修檢驗(yàn)，定期更換受損零部件，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的運(yùn)行效果。

第二，電力電子變換器主要分為直流變換器和交流變換器兩種。針對直流變換器，內(nèi)部的重要零部件能夠?qū)€路的電流電壓進(jìn)行有效劃分；在實(shí)際的交流變換器運(yùn)行過程中，操作人員應(yīng)采用特定管控措施促使整個(gè)電壓電流調(diào)整成交流電。

第三，針對最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，通過科學(xué)合理地運(yùn)用此種設(shè)備，整個(gè)控制器內(nèi)部元器件會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)對系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的負(fù)載功率統(tǒng)籌規(guī)劃，在整個(gè)光伏陣列能夠有效連接的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮實(shí)用功能，即系統(tǒng)通過跟蹤控制器能夠使得電壓電流輸出效果良好，系統(tǒng)操作人員應(yīng)積極學(xué)習(xí)并運(yùn)用先進(jìn)的系統(tǒng)操作方法，采用不同方式對其進(jìn)行綜合管控，全面獲取最大功率點(diǎn)。與此同時(shí)，對于蓄電池控制器，其通過對輸出的電壓進(jìn)行多元調(diào)節(jié)與管控后，能夠在較短時(shí)間內(nèi)促使兩者能夠與負(fù)載進(jìn)行匹配。

簡言之，整個(gè)儲能元件的運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。例如，在光照強(qiáng)度較大的晝間，太陽能能源一般會(huì)以電能的形式存儲于蓄電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)外界氣溫和光照強(qiáng)度逐漸降低且明顯減弱，不能及時(shí)獲取大量太陽能源，在系統(tǒng)內(nèi)部的儲存元件不能促使負(fù)載發(fā)揮功能時(shí)，將會(huì)直接降低系統(tǒng)的供電效果[2]。

通過查閱資料可以得知，太陽能光伏發(fā)電可以大致分為三類，具體如下：

①獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要包括控制器、光伏陣列、變換器和蓄電池等，在實(shí)際應(yīng)用期間，可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，滿足太陽能應(yīng)用的需求，為廣大人民群眾生活提供諸多便利。

②并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要是和不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的，從而滿足光伏發(fā)電的需求。

③混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要比發(fā)電系統(tǒng)多了一臺發(fā)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電量不夠充足的時(shí)候，或是蓄電池所存儲的電能不能滿足使用需求時(shí)，就可以啟動(dòng)這個(gè)設(shè)備，使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行。

2 太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)越性

首先，太陽能光伏發(fā)電電池的體積較小，且重量較輕，由此構(gòu)成的光伏陣列結(jié)構(gòu)也相對簡單，在占地空間較小的情況下，可以確保相關(guān)光伏陣列輸出的電功率在60W 左右，與此同時(shí)，當(dāng)?shù)卣疅o需投入大量的建設(shè)資金進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電操作，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的建立時(shí)間相對較短，管理人員按照國家規(guī)定的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)大面積的并網(wǎng)發(fā)電效果；其次，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的修理流程相對簡單、便捷，操作人員采用特定方式將太陽能電池板定期集中清理[3]后，就能夠有效將大量太陽能轉(zhuǎn)換成電能，對于那些規(guī)模較大的太陽能發(fā)電站，管理人員可以通過遠(yuǎn)程控制方式達(dá)到預(yù)設(shè)的工作效果；最后，實(shí)踐表明，采用太陽能發(fā)電清潔、安全、無污染，利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

此外，太陽能利用方便，只要在陽光照射下的區(qū)域就可以對太陽能進(jìn)行利用，不需要長距離輸電，就能達(dá)到預(yù)設(shè)的供電效果。將太陽能應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換方法相對容易，不會(huì)給周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，并且憑借設(shè)備安裝時(shí)間短、操作簡單容易等諸多優(yōu)勢，在應(yīng)用期間不需要人工值守，能夠合理壓縮管理成本。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)

進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，整個(gè)最大功率點(diǎn)會(huì)結(jié)合氣溫環(huán)境、光照強(qiáng)度的變化而不斷變化，因此，管理人員應(yīng)結(jié)合自然界環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整并合理管控太陽能光伏電池的布局狀態(tài)，采用特定方式促使最大功率點(diǎn)能夠有效被跟蹤控制，此種控制策略的機(jī)理如下：管理人員合理運(yùn)用相關(guān)監(jiān)測設(shè)備對光伏電池的輸出功率進(jìn)行智能監(jiān)測，運(yùn)用相應(yīng)的控制算法對當(dāng)前環(huán)境下光伏電池的最大輸出功率進(jìn)行全面預(yù)測，制定完整的程序指令對負(fù)載的阻抗能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大限度地促使輸出功率的最大化。

假定太陽能光伏發(fā)電輸出曲線可以構(gòu)成一個(gè)完整的特性曲線圖，曲線上方特定環(huán)境下的最大功率點(diǎn)設(shè)定為A點(diǎn)、B 點(diǎn)，在一定條件下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在A 點(diǎn)運(yùn)行，此時(shí)，整個(gè)光照強(qiáng)度逐漸變大，整個(gè)輸出曲線的變化幅度也逐步上升，如果負(fù)載不變，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)在變化后的A1 點(diǎn)上運(yùn)行，這樣就偏離了最大功率點(diǎn)[4]。針對此種現(xiàn)象，管理人員應(yīng)采用適當(dāng)方式確保系統(tǒng)運(yùn)行過程中的最大功率曲線點(diǎn)在可控范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)際的情況對系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)一安排，并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況合理調(diào)節(jié)，在一定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

據(jù)有關(guān)資料顯示，負(fù)載阻抗可以對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤與管理，然而，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，卻存在一定的困難，大量模擬試驗(yàn)和實(shí)踐表明，對最大功率點(diǎn)的跟蹤就是一個(gè)動(dòng)態(tài)自動(dòng)尋求最佳效果的過程，管理人員采用特定方式將光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電陣組內(nèi)部的電流電壓輸入至相關(guān)架構(gòu)中，通過完整的計(jì)算方法能夠?qū)Ξ?dāng)前功率和記憶功率予以確定。與此同時(shí)，管理人員通過合理運(yùn)用相應(yīng)的比較器對兩者進(jìn)行對比，堅(jiān)持“去小留大”的原則，對各種干擾條件有效去除后，結(jié)合PMW 的信號輸出結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。例如，在此期間，管理人員應(yīng)不斷優(yōu)化并改進(jìn)最大功率點(diǎn)的跟蹤模式，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)的管理模式將最大功率點(diǎn)的運(yùn)行線路進(jìn)行及時(shí)記錄，并利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及時(shí)歸檔保管，通過大量模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐探索，全面掌握有效的動(dòng)態(tài)跟蹤處理技術(shù)，與此同時(shí)，應(yīng)確保相關(guān)人員具備與時(shí)俱進(jìn)的思想，摒棄傳統(tǒng)落后的思想，確保跟蹤速度和跟蹤精度的完整性和真實(shí)性，應(yīng)妥善運(yùn)用先進(jìn)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法提升發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行水平。

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤的算法

在實(shí)際運(yùn)用過程中，干擾觀測算法（P&Q）的合理運(yùn)用能夠?qū)ο到y(tǒng)功率進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)與控制，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：首先，管理人員在光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓上適當(dāng)增加一個(gè)干擾輸出的電壓信號（V+Δν），隨后，每間隔一段時(shí)間采用特定方式對一次輸出的電壓和電流進(jìn)行全面收集，乘法器就會(huì)根據(jù)內(nèi)部運(yùn)行程序?qū)Λ@取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相乘計(jì)算，在最短時(shí)間內(nèi)求出系統(tǒng)的瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)信息，管理人員應(yīng)在具備相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及時(shí)調(diào)取不同周期的瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)，在與技術(shù)部門交流的基礎(chǔ)上，全面掌握系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功率的變化幅度；其次，管理人員應(yīng)合理運(yùn)用相應(yīng)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用適當(dāng)方式對轉(zhuǎn)換器的占空比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，促使整個(gè)系統(tǒng)的電壓向最大功率點(diǎn)方向移動(dòng)。一般情況下，當(dāng)功率逐漸變大，則代表干擾正確，由此可以推定功率向同一方向（+Δν）干擾，當(dāng)功率逐漸變小，由此可以推定功率向反方向（-Δν）干擾[5]。

近年來，管理人員通過不斷優(yōu)化與調(diào)整，合理運(yùn)用P&Q 算法后，即可使用簡單的操作方法對功率進(jìn)行跟蹤，與此同時(shí)，此種算法的運(yùn)用，能夠有效支持模塊化控制回路，有效地確保整個(gè)光伏發(fā)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。對此，管理人員采用適當(dāng)方式對P&Q 算法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，選擇大步長跟蹤模式對距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置實(shí)現(xiàn)跟蹤速度的加快，選擇小步長跟蹤模式對距離最大功率點(diǎn)較近的位置實(shí)現(xiàn)振蕩速度的調(diào)節(jié)。

4 最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)控制原理

管理人員應(yīng)采用特定方式對采集到的光伏電池內(nèi)部的輸入電流、電壓進(jìn)行快速收集，并以相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為整個(gè)MPPT 的輸入?yún)?shù)，例如，應(yīng)合理運(yùn)用先進(jìn)的參數(shù)控制算法，及時(shí)計(jì)算出相關(guān)周期內(nèi)利于趨向最大功率的占空比輸出信息，在應(yīng)用PWM 信號的形式對計(jì)算結(jié)果予以表示后，進(jìn)一步控制開關(guān)管的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地對光伏電池輸出電壓進(jìn)行有效控制。

為了保證最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)能夠全面推廣并應(yīng)用，需要利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計(jì)算方法。以Matlab 軟件為主要對象，采用適當(dāng)方式積極建立健全一個(gè)完整的系統(tǒng)仿真模型，整個(gè)模型主要包含太陽能光伏電池模塊、MPPT 模塊、PWM 模塊及升壓轉(zhuǎn)換器模塊等四個(gè)重要組成部分，具體的操作流程如下：首先，操作人員應(yīng)及時(shí)在光伏電池輸出側(cè)分別安設(shè)一個(gè)電流檢測單元和一個(gè)電壓檢測單元，促使兩者形成一個(gè)完整的并聯(lián)關(guān)系，能夠共用一個(gè)輸出，此時(shí)，應(yīng)保證整個(gè)輸出線能夠直接與MPPT 控制單元的輸入側(cè)有效連接，使大量數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)獲取，為后期跟蹤算法計(jì)算工作創(chuàng)設(shè)諸多有利條件。如圖1 所示，為一種光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤方法圖。

圖1 一種光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤方法研究

4.2 太陽能光伏電池的仿真

此處以太陽能光伏電池的工程模式為主要基礎(chǔ)條件，管理人員應(yīng)對氣溫條件、光照強(qiáng)度等諸多因素進(jìn)行合理調(diào)整，積極學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的方法，運(yùn)用Matlab 軟件建立相應(yīng)的仿真模型，并采用適當(dāng)方式對其輸出特性進(jìn)行仿真處理，整個(gè)工程模型計(jì)算公式如下：

以上等式中，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下太陽能電池的短路電流由Isc表示，計(jì)量單位為A，C1和C2代表兩個(gè)電容，計(jì)量單位為μF，同時(shí)，輸入電壓由V 代表，開路電壓由Voc表示，在某種模式下，會(huì)形成一個(gè)完整的太陽能光伏電池輸出特性曲線圖。進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，利用整個(gè)仿真系統(tǒng)形成的輸出特性曲線圖主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第一，太陽能光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓為78V，此時(shí)開路電壓在97.5V 左右，此時(shí)最大功率點(diǎn)電壓是開路電壓的0.8 倍；第二，太陽能短路電流與光照強(qiáng)度為正相關(guān)，而開路電壓與電池溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；第三，整個(gè)太陽能電電池輸出功率在78V 時(shí)達(dá)到最大值，此點(diǎn)位為最大功率點(diǎn)。

從整個(gè)仿真模型在不同氣溫環(huán)境、光照強(qiáng)度條件下的變化曲線分析，光照強(qiáng)度越大，此時(shí)太陽能電池的輸出功率就越強(qiáng)。例如，當(dāng)光照強(qiáng)度在200W/m2左右時(shí)，最大輸出功率可以達(dá)到36.3W，當(dāng)光照強(qiáng)度在600W/m2左右時(shí)，最大輸出功率可以達(dá)到70.8W，當(dāng)光照強(qiáng)度在1000W/m2左右時(shí)，最大輸出功率可以達(dá)到104.6W，而環(huán)境溫度越高，太陽能電池的輸出功率越低，例如，當(dāng)溫度環(huán)境在0℃左右，最大輸出功率為136.6W，當(dāng)溫度環(huán)境在25℃左右，最大輸出功率為133.1W，當(dāng)溫度環(huán)境在50℃左右，最大輸出功率為130.9W，此種模式的最大功率變化不明顯。

4.3 最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的實(shí)現(xiàn)

完整的P&Q 算法下整個(gè)變步長計(jì)算公式如下：

以上等式中，變步長由L 表示，功率導(dǎo)數(shù)由dP 代表，電壓導(dǎo)數(shù)由dV 代表。如果變步長的計(jì)算數(shù)值超過1.8，就應(yīng)使用大步長，此時(shí)占空比變化值為0.01，有利于對跟蹤速度的調(diào)節(jié)控制，如果變步長的計(jì)算數(shù)值低于1.8，就應(yīng)使用較小步長，此時(shí)占空比變化值為0.01，為跟蹤精度的獲取工作奠定基礎(chǔ)。

值得重點(diǎn)說明的是，管理人員應(yīng)采用特定模式對P&Q 算法和改進(jìn)的P&Q 算法進(jìn)行合理運(yùn)用，當(dāng)外界自然氣候、光照強(qiáng)度及其他水文條件在系統(tǒng)可承受的范圍時(shí)，應(yīng)排除外界各種干擾因素，及時(shí)根據(jù)各類算法的具體運(yùn)行機(jī)理統(tǒng)一繪制科學(xué)合理的跟蹤曲線平面圖。通過兩種算法跟蹤曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，其都能夠真實(shí)反映出光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。大量實(shí)踐表明，理想狀態(tài)下的輸出功率在135W 左右，基于P&Q 算法和改進(jìn)的P&Q 算法系統(tǒng)最大輸出功率可達(dá)133.7W，經(jīng)過0.1s 的跟蹤后，2 種算法能夠有效地在此種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

最后，以某地太陽能系統(tǒng)應(yīng)用情況為例，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)及仿真進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃后，能夠有效對太陽能資源進(jìn)行開發(fā)與綜合利用，利用恒電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法進(jìn)行精確計(jì)算后，促使太陽能能夠滿足實(shí)際工作的需求，進(jìn)一步推動(dòng)太陽能的服務(wù)能力，人們生活品質(zhì)得到改善。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)及仿真工作涉及的內(nèi)容是相對較多的。發(fā)電企業(yè)管理人員還要利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及云計(jì)算處理方法，積極更新并學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的太陽能光伏發(fā)電管理模式，建立健全科學(xué)完整的仿真模型，合理運(yùn)用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，進(jìn)一步對最大功率點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)受到氣溫、光照強(qiáng)度的影響，達(dá)到預(yù)設(shè)的跟蹤效果，最后促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。