陳公興

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院，廣東 廣州 510540）

隨著能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，世界各國對能源尤其是再生能源越來越重視，不斷加大對再生能源研究的資金投入。光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有機(jī)械運(yùn)動部件，具有無污染、無噪音、清潔、安全、壽命長、資源永不枯竭等特點(diǎn)，特別是由于其獨(dú)特的模塊化結(jié)構(gòu)，太陽能被廣泛的運(yùn)用到各個領(lǐng)域中。光伏產(chǎn)業(yè)在不斷的興起，它將成為將來的主導(dǎo)能源之一，在再生能源中有著不可替代的重要作用。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏陣列、DC/DC變換器、負(fù)載和MPPT控制器組成的。MPPT控制器通過分析太陽能陣列的輸出參數(shù)以及負(fù)載處的工作參數(shù)來改變DC－DC變換器的輸出來完成對最大功率點(diǎn)（MPP）的跟蹤，這些參數(shù)包括電壓、電流和功率。

1.2 太陽能電池的光伏特性

影響太陽能電池光伏特性的因素很多，主要因素是溫度和日照，從而它的輸出具有非線性特性，圖1和圖2分別給出了太陽能電池的伏安特性和伏瓦特性。

圖1 太陽能的伏安特性

圖2 太陽能的伏瓦特性

從圖中可以看出，太陽能的最大功率點(diǎn)隨著日照和太陽能電池自身溫度的改變而變化的，而這兩個外在因素存在著極大的不確定性、無規(guī)律性，因此為太陽能光伏系統(tǒng)建立一個精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型相當(dāng)難。最大功率跟蹤的方法有擾動觀測法和模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等等。

2 MPPT控制算法原理

MPPT算法最大特點(diǎn)是能獨(dú)立于光伏特性之外，即無需考慮外界氣候環(huán)境等因素對光伏陣列的影響，控制系統(tǒng)總能找到相應(yīng)的MPP，是一種在數(shù)學(xué)意義上追蹤最大功率點(diǎn)的方法。下面對MPPT算法進(jìn)行敘述。

擾動觀測法是絕大多數(shù) MPPT控制系統(tǒng)所采用的“爬山法”，通常對電壓進(jìn)行擾動，稱為電壓擾動觀測法。其基本原理是通過不斷改變光伏陣列的輸出電壓VPV來判斷獨(dú)立光伏系統(tǒng)的輸出功率是否達(dá)到最大點(diǎn)?？刂频幕具^程：t1時刻，控制系統(tǒng)采樣，獨(dú)立光伏系統(tǒng)輸出電壓VPV（t1）和電流IPV（t1），計算出t1時刻的光伏陣列的輸出功率P（t1）并保存，然后對光伏陣列的輸出電壓VPV（t1）施加△V的擾動，在t2時刻同樣采樣、計算得到 P（t2），然后比較 P（t1）和 P（t2）的大小。如果P（t1）＞P（t2），則繼續(xù)按照原來的擾動方式，否則按照相反的方向擾動。系統(tǒng)最終的工作點(diǎn)在MPP處小幅振蕩，會有一定的能量損耗。但是在如下情況下系統(tǒng)會出現(xiàn)一些誤判，雖然最終也能追蹤到MPP，但損耗和振蕩將加大，如圖3所示。

圖3 光伏陣列的輸出電壓與光伏系統(tǒng)的輸出功率之間關(guān)系

假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定時在A1和A之間振蕩，當(dāng)前工作點(diǎn)在A點(diǎn)，其電壓為VA，那么系統(tǒng)到達(dá)A點(diǎn)時所應(yīng)施加的擾動電壓增量△V應(yīng)小于0，假設(shè)此時光照突然加強(qiáng)了，工作點(diǎn)直接從曲線1跳到曲線2上，那么對應(yīng)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)跳到B1點(diǎn)，顯然B1點(diǎn)的功率PB1大于PA，那么系統(tǒng)仍要根據(jù)原來的擾動方式繼續(xù)施加同方向的電壓增量△V，使得光伏陣列的輸出電壓繼續(xù)變小到B點(diǎn)，同樣，如果光照再繼續(xù)加強(qiáng)，那么經(jīng)過再次擾動后，就會到達(dá)如圖所示的C點(diǎn)，離MPP更遠(yuǎn)了，雖然系統(tǒng)最終會調(diào)整至MPP附近，但這樣增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，也消耗了更多的能量。此外，當(dāng)外界因素溫度或者日照發(fā)生突變時，控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)誤判，造成系統(tǒng)的大幅振蕩和不穩(wěn)定。

3 MPPT控制算法仿真設(shè)計

MPPT控制算法仿真總體設(shè)計如圖4所示，利用已經(jīng)建立的光伏陣列計算機(jī)仿真模型以及實(shí)測光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)MPPT控制算法的原理進(jìn)行計算機(jī)仿真，建立MPPT控制算法仿真界面如圖5所示。在保持溫度為25 ℃不變的情況下，根據(jù)選擇的已采集到的某一天光強(qiáng)數(shù)據(jù)和輸入的算法參數(shù)進(jìn)行計算仿真，計算所選算法的跟蹤效率，繪制跟蹤曲線。

圖4 MPPT控制算法仿真總體設(shè)計

圖5 MPPT控制算法仿真界面

4 結(jié)束語

根據(jù)MPPT控制算法，對MPPT控制算法和基本原理進(jìn)行了闡述，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的要求和場合來選擇相應(yīng)的MPPT算法。隨著未來光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，MPPT控制器將朝著結(jié)構(gòu)簡單輕便、低功耗、可靠性高、抗干擾強(qiáng)、適應(yīng)性廣的方向發(fā)展。

1 崔巖、蔡炳煌、李大勇等.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究［J］.太陽能學(xué)報，2006（6）：535～539

2 趙劍飛、曹秉剛、廉龍云等.太陽能電動車最大功率點(diǎn)跟蹤器的設(shè)計［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2003（5）：737～741

3 張超、何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2005（10）：71～75