最大功率跟踪技术在光伏发电系统中的研究

侯聪玲

摘要：本文针对光伏发电系统中最大功率跟踪技术，提出了5种方法，并对每种方法进行了详细分析和比较。

关键词：先伏发电；最大功率跟踪；温度；光强

中图分类号：TM615 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2018）012-0361-01

一、引言

随着环境问题越来越受到重视，使用新型能源已经成为发展的必然趋势。太阳能取之不尽、用之不竭，无污染等优点在新型绿色能源中得到了快速发展。光伏发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势。但光伏发电系统的费用较高，发电效率低成为制约其发展的重要因素。目前，最大功率跟踪技术（Maximum Power Point Tracking（MPPT））成为研究领域的热点，是提高效率的最有效方式之一。

二、光伏发电中太阳能电池的特性

太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件，其发电受气候条件影响，输出功率随温度、太阳光强变化而变化，具有非线性特点。

太阳能电池的电路和等效电路如图（1），其中，太阳能电池等效电路由4部分组成：I_SC代表电池的光电流，R_j代表p-n结的非线性电阻，串联电阻Rs和并联电阻R_sh。R_L是电池的外负载电阻，当R_L=0时，所测的电流是电池的短路电流I_SC一般来说，短路电流密度随照射到硅太阳能板上的光强的增加成正比例的增加。

图（2）分別是太阳能电池的电流-电压特性（I-V特性），图（3）是功率-电压（P-V特性）。图（2）显示了通过太阳能电池阵列传送的电流和电压在特定的太阳辐照度条件下的关系。L代表负载曲线，与太阳电池阵列的伏安特性曲线的交点A即为光伏系统的工作点。曲线与横坐标的交点为太阳能电池阵列的开路电压，与纵坐标的交点为太阳能电池的短路电流。Pm太阳能电池阵列在一定的温度和辐射条件下，输出的最大功率。这点对应的横坐标Vm，纵坐标Im分别为在最大功率输出时的最佳工作电流和最佳工作电压。只有当外电路的电阻和太阳能电池阵列的内阻相等时，负载上才能获得最大功率。

三、光伏发电中最大功率跟踪技术

（一）最大功率跟踪技术的必要性

太阳能发电的低效率、高成本依旧是制约人们开展大规模太阳能发电的主要原因。其中一个原因是光伏发电的输出特性是非线性，其输出功率的大小会随着光照条件、温环境度情况变化而变化。如果没有控制器专门跟随最大功率，系统效率将会较低。

（二）最大功率跟踪技术的方法研究

1.恒定电压法

恒定电压法比较容易实现，具有较高的实际应用和研究价值。由于光伏电池板输出功率在不同光照下的最大功率点对应的电压相差很小，可以设定光伏电池输出电压为一个固定电压值进行发电，通过调节DC-DC电压变换电路的PWM，使光伏电池近似工作在最大功率点。这种方法缺点是没有考虑温度改变和光照强度的改变对光伏电池最大功率点产生的不同结果。

2.扰动观察法

扰动观察法的主要原理：首先测量当前光伏阵列的输出功率，然后在输出电压上叠加一个较小的变化，增加或者减少输出电压。这种较小的变化成为“扰动”。经过不断扰动，光伏阵列的工作电压逐渐逼近最大功率点，从而最终工作在最大功率点附近。

扰动观察法的优点：结构简单，检测参数较少，实现方式简单等优点。缺点：扰动步长的选取很关键，如果扰动步长太小，寻找最大功率点速度较慢；扰动步长太大，跟踪误差随之增加，同时功率损耗也将变大。

3.电导增量法

电导增量法是研究和应用较为广泛的方法。光伏系统输出功率公式P=VI，对其微分可得

当dP/dV=0时，即可以找到最大功率点。当dP/dV>0时，光伏系统工作在最大功率点左侧；当dP/dV<0时，光伏系统工作在最大功率点右侧。电导增量法算法实现比较复杂，对硬件要求较高，特别是处理器的速度和传感器的精度，增加了硬件电路的复杂性和系统的成本。

4.模糊控制法

光伏电池输出特性就是非线性的，其输出电压和电流都随着光照强度的改变和温度的变化而随之改变。而模糊控制法是一种针对非线性系统提出的控制算法。因此，将模糊控制算法应用于光伏发电系统，可以较好地跟踪最大功率。

模糊控制法主要分为模糊化、模糊推理、反模糊化这三个步骤。第一步：模糊化，将系统的输入输出变量转换成模糊控制器所能识别的输入量；第二步：模糊规则运算，将专业人士所得的经验和实际应用程序转换成模糊控制器的规则，用来判断、运算的规则；第三步：反模糊化，将模糊控制所得到的模糊运算值转换成系统的输出控制信号。

5.神经网络控制法

神经网络法也是一种比较新颖的高级人工智能算法，是在现代生物学研究人类大脑成果的前提下，提出让非生物设备模拟人脑思维方式进行活动的智能算法。光伏发电系统开路电压、短路电流、温度、光照强度都可以作为输入信号，系统输出信号则是经过计算得出的最优解，如输出电压、输出电流、或者PWM占空比大小等。

四、结语

最大功率跟踪（MPPT）技术一直是光伏发电系统研究的热点问题。本文介绍的5种方法具有一定的参考价值和研究意义。