摘 要：最大功率點(diǎn)跟蹤控制是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題。介紹光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池功率電壓曲線的分析，結(jié)合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的特性和太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤原理，提出一種采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤的方法。此方法控制精確、響應(yīng)速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；電導(dǎo)增量法

中圖分類號(hào)：TM615；TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)2201802

Maximum Power Point Tracking Control Method Based on Incremental Conductance

HUANG Yao，HUANG Hongquan

(College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning，530004，China)

Abstract：Maximum Power Point Tracking(MPPT) is one of the important problems for the photovoltaic system.This paper introduces the construction of photovohaic system.A type of maximum power point tracking control method is proposed using incremental conductance based on the analysis of the photovohaic cell′s P-V curves，associating it with photovohaic grid-connected inverter′s characteristics and mechanism of MPPT.This method can make the control accurate and response pace speedy.

Keywords：solar power;photovoltaic system;maximum power point tracking;incremental conductance

能源緊缺，環(huán)境惡化是日趨嚴(yán)重的全球性問(wèn)題。人類為追求可持續(xù)性發(fā)展，正積極發(fā)展可再生能源技術(shù)，尋找新能源已經(jīng)是當(dāng)前人類面臨的迫切課題［1］。太陽(yáng)能以其清沽、無(wú)污染，并且取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。全球能源專家們一致認(rèn)定［2］：太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。最近幾十年，太陽(yáng)能的光伏利用得到了迅猛的發(fā)展，受到了各國(guó)的普遍重視。光伏并網(wǎng)發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能饋送給電網(wǎng)，是太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的必然方向。其在緩解能源危機(jī)以及保護(hù)環(huán)境等方面都具有重大意義。

光伏系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)一是初期投資比較大，二是太陽(yáng)電池陣列的光電轉(zhuǎn)換效率太低，目前最高的轉(zhuǎn)換效率在實(shí)驗(yàn)室條件下也不超過(guò)30％［3］。為了解決這些問(wèn)題，首先要研制價(jià)格低廉的并且能量轉(zhuǎn)換效率高的光電材料，其次是在控制上實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣列的最大功率輸出。目前，光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問(wèn)題已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制單元MPPT為最大功率跟蹤控制單元，其完成太陽(yáng)電池陣列最大功率點(diǎn)工作電壓Ur的確定。AVR為電壓調(diào)節(jié)控制單元，其調(diào)節(jié)輸出為并網(wǎng)電流幅值給定Ip，電流控制單元完成并網(wǎng)交流電流的跟蹤控制。

圖1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 光伏陣列輸出特性

光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響［4］。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）［4］。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。

圖2為太陽(yáng)電池陣列的輸出功率P-U曲線，由圖可知當(dāng)陣列工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，陣列輸出功率隨太陽(yáng)電池端電壓UPV上升而增加；當(dāng)陣列工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，陣列輸出功率隨UPV上升而減小。MPPT的實(shí)質(zhì)是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程［5-9］，即通過(guò)控制陣列端電壓UPV，使陣列能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能化地輸出最大功率。

圖2 太陽(yáng)電池的輸出功率P-U曲線

3 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制

光伏系統(tǒng)常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有:定電壓跟蹤、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、模糊控制法、實(shí)時(shí)監(jiān)控法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等［10］。這些方法都是根據(jù)太陽(yáng)電池的特性曲線上最大功率點(diǎn)的特點(diǎn)來(lái)搜索最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓，有的方法需要大量的計(jì)算，有的方法需要實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選用不同的控制方法。

3.1 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance）是MPPT控制常用的算法之一［4］。通過(guò)光伏陣列P-U曲線可知最大值Pmax處的斜率為零，所以有：

Pmax=U·I（1）

dP/dU=I+U·dI/dU=0（2）

dI/dU=－I/U（3）

式（3）為達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。

3.2 本文提出的電導(dǎo)增量法

本文控制方法的程序流程圖如圖3所示，Un，In為檢測(cè)到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值，Ub，Ib為上一控制周期的采樣值。程序讀進(jìn)新值后先計(jì)算其與舊值之差，再判斷電壓差值是否為零（因后面做除法時(shí)分母不得為零）；若不為零，再判斷式（3）是否成立，若成立則表示功率曲線斜率為零，達(dá)到最大功率點(diǎn)；若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，Ur值將增加；反之Ur將減少。再來(lái)討論電壓差值為零的情況，這時(shí)可以暫不處理Ur，進(jìn)行下一個(gè)周期的檢測(cè)，直到檢測(cè)到電壓差值不為零。

圖3 電導(dǎo)增量法程序

4 結(jié) 語(yǔ)

電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快。這種最大功率點(diǎn)跟蹤方法在光強(qiáng)和溫度大范圍變化的情況下具有高速、穩(wěn)定跟蹤特性。

參考文獻(xiàn)

［1］趙玉文.光伏發(fā)電是未來(lái)最重要的戰(zhàn)略能源［R］.中山大學(xué)講座，2004.

［2］林安中，王斯成.國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)電池和光伏發(fā)電的進(jìn)展與前景［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1999(增刊):68-74.

［3］王曉晶，班群.硅太陽(yáng)電池材料的研究進(jìn)展［J］.能源工程，2002(4):28-31.

［4］趙爭(zhēng)鳴.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］Reinhard Haas.The Value of Photovoltaic Electricity for Society［J］.Solar Energy，1995，54(1):25-31.

［6］Franz Trieb，Ole Langnib，Helmut Klaib.Solar Electricity Generation-A Comparative View of Technologies，Costs and Environmental Impact［J］.Solar Energy，1997(59):1-3.

［7］Chenming Hu，Richard M White.Solar Ceils［M］.McGraw-Hill Inc，1983.

［8］趙富鑫，魏彥章.太陽(yáng)電池及其應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

［9］趙玉文.21世紀(jì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展趨勢(shì)和展望［C］.北京市太陽(yáng)能研究所論文匯編\\，1999.

［10］王飛.單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的分析與研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介 黃 瑤 女，1982年出生，壯族，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

黃洪全 男，1962年出生，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、DSP原理及應(yīng)用。

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