張治武，付建國，徐今強，曹小龍，曹小虎，李宏偉

(1.甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅天水供電公司，甘肅 天水 741020)

1 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)成本普遍較高，因此需要充分利用光伏電池最大發(fā)電效能。這就使得MPPT技術(shù)成為光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中不可缺少的控制策略。目前的MPPT控制方法主要有固定電壓法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法。對三種算法的優(yōu)點和缺點進行分析。這3種方法單獨使用都存在一定缺陷，應(yīng)將幾種方法綜合使用。

2 光伏發(fā)電的種類

光伏發(fā)電主要分為太陽能熱發(fā)電和光發(fā)電兩種。熱發(fā)電將吸收太陽輻射的熱能轉(zhuǎn)換為電能;光發(fā)電則直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，沒有經(jīng)過熱過程。光發(fā)電包括多個種類，如光伏發(fā)電、光生物發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電等。其中，光伏發(fā)電應(yīng)用最為廣泛，是當(dāng)今太陽能光發(fā)電的主流方法。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及分類

2.1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

如圖1所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池陳列、控制器、儲能電池、直流負載、逆變器、交流負載組成。各個模塊的作用為:

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成圖

(1)光伏電池陳列。主要作用是把光能轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換輸出電流，是整個系統(tǒng)的核心模塊。電池一般是模塊化的組合，根據(jù)功率和應(yīng)用場景不一樣，往往大小、形狀不同。

(2)DC－DC控制器。光伏電池的功率輸出會隨著環(huán)境變化而變化，當(dāng)溫度或光照度變化時，電池輸出最大功率時對應(yīng)的電流和電壓會隨之變化，為了充分發(fā)揮光伏電池的發(fā)電潛力，必須用控制器通過控制算法來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作點，進行最大功率點跟蹤(maximum power point tracking簡稱MPPT)。使其不管外界環(huán)境怎樣變化，始終自動跟蹤在對應(yīng)的最大輸出點處。

(3)儲能電池。因為光伏電池的功率輸出不穩(wěn)定，受陰晴晝夜影響，有些負載如路燈，常在晚上工作，所以，在光伏電池和負載之間需加上儲能緩沖裝置，即儲能電池。鉛酸電池最為常用，另外還有鋰電池，超級電容等等。

(4)DC－AC逆變器。常用電器為交流負載，而光伏電池輸出直流電壓，一般是12VDC、24VDC、48VAC，所以需要逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流11l0VAC或220VAC，然后才能使用交流負載。若要將電能輸入電網(wǎng)，需要特殊的并網(wǎng)逆變器。

(5)直流負載和交流負載。

2.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

(1)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指，發(fā)電系統(tǒng)不與公共電網(wǎng)聯(lián)接。常用于電網(wǎng)覆蓋范圍之外的偏遠地方，或野外作業(yè)。使用情況不同也有多種形式，最常見的類型如圖2(a)所示，由光伏陳列、控制器，蓄電池、逆變器、交流負載組成。由于常用電器多數(shù)是交流負載，故這種形式最多見。

圖2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)配置圖

另外用得較多的還有如圖2(b)所示的獨立系統(tǒng)，由光伏陳列、控制器，蓄電池、直流負載組成。只使用直流負載可以省去逆變器，常見的應(yīng)用是太陽能路燈系統(tǒng)，太陽能指示燈系統(tǒng)，光伏電池輸出電壓為12VDC或24VDC，通過控制器后給蓄電池充電或直接給l2VDC或24VDC的LED路燈供電。

還有更加簡單的獨立系統(tǒng)，如圖2(c)所示，只由光伏陳列和直流負載組成。一般用于低功率的小型電器，或裝飾品，可以大大降低成本，同時由于模塊數(shù)量小，可靠性大大提高，應(yīng)用也很普遍。如計算器，電子手表等。

(2)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。與公共電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)接時，發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。如圖3所示，系統(tǒng)由光伏陳列、逆變器、配電開關(guān)、交流電網(wǎng)、交流負載組成。隨著太陽能的普遍應(yīng)用，這種系統(tǒng)有極強的生命力，正在不斷發(fā)展，最終將成為主流。光伏陳列產(chǎn)生直流電流，由并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電流，并與電網(wǎng)的電壓同頻率，同相位。在白天，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量超過用戶使用量時，配電開關(guān)在給用戶配送所需電量的同時，將多余的電量輸進公共電網(wǎng)，實現(xiàn)太陽能電力商品化的同時，充分提高了太陽能的利用率。在晚上，負載大于光伏系統(tǒng)的發(fā)電量時，電網(wǎng)自動向本地負載供電。

圖3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

3 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

圖4 光伏電池等效電路

光伏電池的等效電路如圖4所示，其數(shù)學(xué)模型為:

上式是光伏電池等效電路的解釋表達式，是光伏電池數(shù)學(xué)模型，廣泛用于理論分析。但數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用中，需要確定模型中的五個參數(shù)，即 Iph，Isat，Rs和Rsh。這些參數(shù)的確定往往比較困難，光伏電池廠家常提供的四個參數(shù)是短路電流Is，開路電壓v0，最大工作電流Im，最大工作電壓Vrm。

3.1 光伏電池的仿真模型

根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)軟件Matlab/Simulink建立光伏電池仿真模型如圖5所示，模型使用模塊化子系統(tǒng)的封裝。

3.2 光伏電池的仿真特性曲線

通過對以上光伏電池的特性曲線的分析可得出，在進行光電轉(zhuǎn)換時，光伏電池的輸出電壓和電流除與電池本身特性有關(guān)外，還與環(huán)境因素有關(guān)。外界環(huán)境因素中影響最大的是溫度和光照度。光照和溫度變化時，光伏電池輸出電壓和輸出電流也隨之非線性變化。但不同光照度和溫度條件下，輸出功率隨輸出電壓變化的曲線都有唯一極大值點。

圖5 光伏電池的仿真模型

如果負載工作點落在偏離系統(tǒng)最大功率點處，光伏電池的發(fā)電潛能得不到充分發(fā)揮，造成能源和材料浪費。要充分利用發(fā)電潛能，提高光電轉(zhuǎn)換率，則必須實時對最大功率輸出點跟蹤。

4 光伏發(fā)電最大功率跟蹤算法

在外界環(huán)境變化時，光伏電池的輸出特性曲線也隨之變化，同時，曲線的極值點也在變化。為了讓光伏電池輸出最大功率，必須研究MPPT算法。如圖9所示，要光伏電池發(fā)電系統(tǒng)達到最大功率輸出，則必須使系統(tǒng)工作在最大功率點(Pm，Um)附近。最大功率跟蹤算法一般可分為4類:

(1)基于數(shù)學(xué)模型的算法，如固定電壓法和固定電流法。

圖6 光伏電池輸出特性仿真曲線

圖7 環(huán)境溫度不變，光照度變化時的輸出特性曲線

圖8 環(huán)境溫度變化，光照度不變時的輸出特性曲線

(2)擾動自動尋優(yōu)算法，如擾動觀測法和增量電導(dǎo)法。

(3)智能化控制算法如模糊邏輯控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(4)基于輸出端控制算法，如負載電流/電壓最大法。

這些算法都具有各自的優(yōu)點和缺點，而應(yīng)用最廣泛的算法是擾動自動尋優(yōu)算法，如擾動觀測法、增量電導(dǎo)法。另外，基于數(shù)學(xué)模型的算法中，固定電壓法有其獨到之處。

圖9 光伏電池I－U曲線中的系統(tǒng)最大功率輸出點

4.1 固定電壓法和固定電流法

4.1.1 固定電壓法(CV)

從光伏電池輸出特性曲線可以看出，在外界環(huán)境變化時，即溫度和光照度變化，開路電壓會產(chǎn)生變化，同時最大功率點也會隨著與之成近似正比例變化。如圖10所示，系統(tǒng)最大功率輸出點所對應(yīng)的電壓值和開路電壓存在近似正比關(guān)系:

Um≈k×Uoc

式中，Um為系統(tǒng)最大功率輸出點所對應(yīng)的電壓值，Uoc為系統(tǒng)開路電壓值，k是比例系數(shù)，取值在0.71～0.8之間。

圖10 光伏電池最大功率輸出電壓與開路電壓的關(guān)系

固定電壓法非常簡單易行，在系統(tǒng)開啟電流為零時或斷開負載即可測得當(dāng)時的外界環(huán)境下的開路電壓，使系統(tǒng)工作在開路電壓的0.75左右，即可找到近似的最大功率工作點。該方法簡便，不需要復(fù)雜的算法和復(fù)雜的電路元件設(shè)備即可實現(xiàn)。因為系統(tǒng)工作電壓固定，所輸出功率穩(wěn)定，無波動。但是，工作點開非具止的最大功率輸出點，且當(dāng)外界環(huán)境變化時，系統(tǒng)工作點也不能隨之靈活響應(yīng)。另外，要測得開路電壓，必須斷開負載，使輸出功率不連續(xù)給負載帶來影響。

4.1.2 固定電流法

固定電流法與開路電壓法相似。如圖11所示，最大功率點Pm(Um，Im)對應(yīng)的電流值Im和短路電流值Isc有一定的比例關(guān)系。

Im≈k'×Isc

其中，Im為最大功率點Pm(Um，Im)對應(yīng)的電流值，k，為比例常數(shù)，常取0.85，Isc為光伏電池輸出的短路電流。

短路電流法存在和開路電壓法一樣的缺點。即比例常數(shù)會隨光伏電池板不同廠家而有所變化，開路電壓和短路電流的實時測量都比較麻煩，而且工作點并非系統(tǒng)真正最大功率點。

圖11 光伏電池最大功率輸出電流與短路電流的關(guān)系

4.1.3 擾動觀測法

擾動觀測法是一種自動尋優(yōu)的MPPT控制方法，是研究最為廣泛的算法之一，也稱爬山法或登山法，通過檢測光伏電池的輸出電流和輸出電壓這兩個參數(shù)值便可實現(xiàn)，不用檢測環(huán)境參數(shù)如溫度和光照度等。

如圖12所示，擾動觀測法以一定的周期檢測光伏電池的輸出電流和電壓，算出功率Pn，并與上一次檢測的功率 Pn－1對比，如果功率變化量△P=Pn－Pn－1＞0，則按原來的跟蹤方向增加電壓，如果功率變化量△P=Pn－Pn－1＜0，則按相反方向增加電壓。工作電壓在多次擾動后向最大功率點的電壓靠近。

圖12 擾動觀測法原理示意圖

擾動觀測法不需要復(fù)雜的運算，無除法、求導(dǎo)等過程，且只需檢測光伏電池輸出電流和電壓這兩個參數(shù)即可。能適應(yīng)環(huán)境的變化，自動跟蹤最大功率點，跟蹤精度較高。但也存在缺點，跟蹤的步長和周期的大小對跟蹤速度和輸出穩(wěn)定性影響很大，步長大和周期小會使跟蹤速度提高，但是也會在最大功率點附近產(chǎn)生較大的波動，影響電壓輸出穩(wěn)定性。在環(huán)境急劇變化時，可能會產(chǎn)生誤判。

4.1.4 增量電導(dǎo)法

由光伏電池P－U功率特性曲線如圖13(a)可知，P－U曲線是單峰曲線，函數(shù)P=f(U)在唯一極大值點(Pmax，Ummax)處滿足 dP/dU=d(UI)/dU=I+U×dI/dU=0，即I/U=－dI/dU。在極大值左邊dP/dU＞0，在極值點右邊dP/dU＜0，由此得出電壓追蹤方向判據(jù):

通過對比I/U和－dI/dU的大小，可確定輸出電壓U的調(diào)整方向。其幾何意義如圖13(b)所示，在①點(最大功率點)處有I/U=－dI/dU即tan(A)=tan(B)(A，B≤90)即角A和角B相等A=B。同理在最大功率點右邊時，如在②點處有A＜B，tan(A)＜tan(B)A，B≤90 I/U＜－dI/dU，同理③點處有I/U＞－dI/dU。因此，如果當(dāng)前工作點處A＜B，應(yīng)減小電壓，反之則增加。在電壓增加△u，延時T時間后，讀取新的電壓值和電流值，進行新一次比較，確定新的步長和周期并做新一次追蹤，一直循環(huán)直至dP/dU≤ξ，認為達到了最大功率點，電壓擾動暫停，其中ξ為閥值。當(dāng)環(huán)境變化，工作點偏離最大功率點較遠時dP/dU≥ξ，電壓調(diào)整恢復(fù)。閥值的使用可減小電壓輸出波動。

固定電壓法和增量電導(dǎo)法的結(jié)合是最常用的方式。系統(tǒng)啟動時，電流為零，可以很方便地測到光伏電池在當(dāng)時環(huán)境條件下的開路電壓，故在啟動系統(tǒng)時可以用固定電壓法進行啟動，啟動后使用自動尋優(yōu)算法比較合適，選用增量電導(dǎo)法。為了提高跟蹤速度和輸出穩(wěn)定性，對跟蹤步長和周期進行優(yōu)化。

5 結(jié)束語

為了充分利用電池的發(fā)電潛能，提高利用率，減少材料、空間等資源浪費，必須在光伏發(fā)電系統(tǒng)中加入控制器，對輸出進行最大功率點跟蹤，使得光伏電池始終處在最大功率輸出的狀態(tài)，無論環(huán)境發(fā)生怎樣的變化。

圖13 增量電導(dǎo)法示意圖

[1]蘇建徽，于世杰，趙為.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽能學(xué)報，2001:4.

[2]王麗萍，張建成.光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011:2.

[3]汪海寧，蘇建徽，張國榮，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005:9.

[4]張歡.LCL濾波的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制及孤島檢測[B].華中科技大學(xué).

[5]戴訓(xùn)江，晁勤.基于LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器電流滯環(huán)控制[J].電力電子技術(shù)，2009:7.

[6]任碧瑩，孫向東，鐘彥儒，等.用于單相分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的新型電流擾動方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009:7.

[7]陳衛(wèi)民，陳國呈，吳春華，等.基于分布式并網(wǎng)發(fā)電的新型孤島檢測研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007:8.

[8]黃克亞.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤原理分析及仿真研究[J].電工電氣，2011:2.

[9]彭龍祥.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制策略優(yōu)化研究[D].華北電力大學(xué).

[10]廖紅偉，林永君.光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島的檢測[J].電力科學(xué)與工程，2010:10.