摘 要：擾動觀察法和電導增量法是目前最常用的兩種閉環(huán)控制最大功率點跟蹤（MPPT）算法，文章先對光伏陣列的輸出特性進行分析，接著基于擾動觀察法和電導增量法，對這兩種閉環(huán)MPPT算法要點進行分析，最后指出存在問題并提出優(yōu)化的探討，具有一定的實踐意義。

關鍵詞：光伏系統(tǒng)；MPPT；振動觀察法；電導增量法

引言

光伏系統(tǒng)中，如何提高光伏電池的轉換效率，以使照到地面上的太陽光子的能量盡可能被吸收轉換成電能，從而對發(fā)展清潔能源、降低不可再生能源的消耗和碳排放，具有十分重要的意義，而由此產生的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking， 即MPPT）跟蹤技術也成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一個重要方向。

最大功率點跟蹤（MPPT）是指根據環(huán)境和負載的變化，采用一系列硬件設備和配套軟件控制方法，通過控制太陽能光伏發(fā)電模塊輸出電壓和輸出電流，使輸出功率始終保持在光伏模塊最大輸出功率曲線上，從而最大限度發(fā)揮太陽能光伏電池的光電轉化效率，這對提高光伏系統(tǒng)的單位面積功率密度和降低投資成本具有重要意義。

實驗表明，光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性隨環(huán)境溫度、光照強度以及負載變化而變化，為非線性關系，這些變化規(guī)律能通過PV（Photovoltaic，光伏）的系統(tǒng)狀態(tài)（PV電池端口電壓Upv和電流Ipv）形成控制信號。傳統(tǒng)的MPPT方法可分為開環(huán)和閉環(huán)MPPT方法，而最常用的閉環(huán)MPPT基本方法包括電導增量法（Incremental Conductance，INC）和擾動觀察法（Perturbation and Observation Method）?；跀_動觀察法和電導增量法的研究方法的選擇上，據國內期刊文獻顯示，有文獻[1]基于擾動觀察法和短路電流法對MPPT進行研究，文獻[2]利用單片機檢測PV端口電壓實現對天氣變化的擾動法MP

PT研究，文獻[3]采用零均值電導增量法進行MPPT跟蹤的研究，文獻[4]應用電導增量法對MPPT跟蹤的研究等；文章先對光伏陣列的輸出特性進行分析，接著基于擾動觀察法和電導增量法算法，對MPPT跟蹤要點進行分析，然后指出存在問題并進行優(yōu)化探討，最后形成結論。

1 光伏陣列的輸出特性分析

1.1 光伏陣列的電路模型[3]

太陽能光伏陣列是利用晶體半導體在受到光照射時產生電動勢（光生伏特效應），從而產生電能帶動負載或為蓄電池充電。其電池電路模型如圖1所示。

圖1中：I為輸出電流，Iph為光伏模塊的光生電流，ID為暗電流， Rs為內阻，Ish為旁路電流，Rsh為并聯旁路電阻，U為開路電壓，其接負載RL后為負載端電壓URL。

輸出負載RL上的電壓、電流關系式為：

式中：K，q分別為波爾茲曼常數和電子電荷量；A為太陽能板的理想因數，可取A=1.5；T為光伏面板的溫度；Isat為太陽能電池內部等效二極管的P-N結的逆向飽和電流。

1.2 光伏陣列的輸出特性

從以上光伏陣列電路模型分析可知，太陽能電池陣列的輸出參數（輸出電流、開路電壓等）是一個隨光照強度、溫度以及負載等因素變化的變量。圖2為太陽能電池在幾種測試條件下，即光照強度分別為1000W/m2、600W/m2、200W/m2，溫度T=25℃時的典型輸出特性。由圖2光伏電池輸出特性曲線可知，光伏電池在輸出電壓較低時，其輸出電流變化很小，可視為一個直流的恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化，在變化過程中存在一個最大值，即最大功率點，如圖2所示。

2 光伏電池模塊MPPT[6]

圖3為PV電池在一定光照條件下的負載曲線和輸出特性曲線的I-U圖，由圖可見，負載線與光伏電池輸出特性曲線交于a點，工作點隨光伏模塊的I-U特性和負載線的變化而變化，工作點不同，光伏電池輸出功率也不同。在不同的負載和環(huán)境條件下，按Pm=Um·Im輸出值最大來調整負載阻抗，使得Um·Im≈U1·I1，使光伏電能得到最大利用，從而實現 MPPT 的控制。由圖3可知，當只考慮光伏電池時，系統(tǒng)輸出的最大功率點取決于光伏模塊Imax和Umax的交點，若將光伏電池通過變換器與負載連接，其工作點則由負載限定。當負載不可調節(jié)時，光伏電池運行在a點，該點的輸出功率小于最大功率點（MPP）的輸出功率。當負載可調節(jié)時，通過檢測光伏電池的輸出U、I，計算出光伏電池輸出功率，再根據dP/dU調整Boost升壓變換器的占空比D，調節(jié)光伏電池的輸出電壓，從而將負載電壓調節(jié)至 （U1+ΔU）處，使負載功率從a點右移到（a+Δa）點。而（a+Δa）點與光伏電池的MPP曲線在同一條等功率線上，此時光伏電池的輸出功率最大。當外界環(huán)境變化時，仍然可通過不斷調整占空比，實現光伏電池與 Boost 升壓變換器之間的動態(tài)負載匹配，從而實時獲得光伏電池的最大輸出功率。

3 擾動觀察法和電導增量法MPPT跟蹤策略要點分析[6][7]

3.1 擾動觀察法MPPT跟蹤策略要點

擾動觀察法通過改變光伏模塊的輸出電壓，通過控制器施加一定的擾動增量△U，得到光伏電池在擾動下的實時輸出功率，然后將其和上一采樣時刻的功率相比較。若大于上一時刻功率，則維持原來電壓擾動的方向；若小于上一時刻功率，則施加反向擾動電壓。這樣確保了光伏電池的輸出電壓向著輸出功率增大的方向變化，從而實現 MPPT。圖4 為光伏電池輸出功率對電壓的P-U曲線。由圖可知，在MPP處的功率對電壓的導數為零；在MPP左邊導數為正，在MPP右邊導數為負。

dP/dU可表示為[6]：

式中：I/U，△I/△U 分別為電導和增量電導。

通過判斷 I/U+△I/△U 值來確定擾動的方向。當 I/U+△I/△U>0，增大光伏模塊的電壓；當 I/U+△I/△U=0 時，維持光伏模塊不變，當 I/U+△I/△U<0時，減小光伏模塊電壓，從而實現 MPPT。

振動觀察法算法程序框圖如圖5所示。

3.2 電導增量法（INC法）MPPT跟蹤策略要點[3]

電導增量法是一種以控制、調整光伏電池的輸出電壓進行MPPT的方法，它通過比較光伏電池的電導和瞬間電導來改變輸出電壓參數，從而使工作點工作在光伏電池的最大輸出功率曲線上，其算法的數學模型為：

即在最大功率點有：

其算法程序流程圖如圖6所示。

圖6中，U0、△U分別為光伏電池輸出電壓初值和增量；dI和dU 分別為光伏電池兩次采樣讀取的電流差值和電壓差值；U（i）和I（i）分別為光伏電池統(tǒng)第i次采樣的輸出電壓值和電流值。

4 存在問題與優(yōu)化探討

4.1 擾動觀察法

擾動觀察法雖然具有計算簡單，無需PV電池模塊的具體參數等優(yōu)點，但也存在跟蹤響應速度慢，穩(wěn)態(tài)情況下，由于不可避免的輸入誤差，會造成光伏模塊的實際工作點在MPP附近振蕩、波動，造成功率損失，而且在光照強度變化快的情況下會背離實際最大功率點的變化方向，造成振蕩過大跟蹤失敗。

為避免上述反應速度慢、效率低及工作點波動過大等不利情況，實踐中應考慮對傳統(tǒng)的擾動觀察法進行改進，以提高其精度和穩(wěn)定性。例如，將光伏系統(tǒng)輸出參數的采樣信號通過DSP控制器進行閉環(huán)反饋控制，充電電路采用變換器調制。利用DSP控制器的A/D轉換器實時采集計算PV系統(tǒng)的輸出功率，通過調節(jié)電壓波型的占空比，控制變換器的半導體功率管開關時間，調整系統(tǒng)負載的等效阻抗與太陽能板的內阻相匹配，從而使太陽能板輸出最大功率?；蚪Y合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

4.2 電導增量法

電導增量法通過比較光伏模塊的電導和瞬間電導來改變控制信號，能減小跟蹤的穩(wěn)態(tài)振蕩，精度較擾動法精確，響應速度較快，在溫度和（或）光照強度發(fā)生變化時，輸出電壓能以平衡的方式跟蹤其變化。但是，該方法計算復雜，對參數檢測精度要求高，當受到噪聲、測量誤差和數字控制量化誤差時，該方法也無法避免最大功率點附近的振蕩，特別是當外界環(huán)境變化劇烈時。

為避免上述環(huán)境影響和輸入誤差所帶來的振蕩，實踐中應考慮對傳統(tǒng)的電導增量法進行改進，以提高其精度和穩(wěn)定性。例如，采用零均值電導增量法[3]，或結合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

5 結束語

太陽能光伏系統(tǒng)的I-U輸出特性為非線性關系，輸出特性隨外界溫度、光照和負載的變化而變化。擾動觀察法和電導增量法是目前最常用的閉環(huán)控制最大功率點跟蹤（MPPT）的兩種方法，其中擾動觀察法雖然具有計算簡單，無需PV電池模塊的具體參數等優(yōu)點，但傳統(tǒng)單一的擾動觀察法存在跟蹤響應速度慢，穩(wěn)態(tài)情況下，會造成實際工作點的振蕩、功率損失甚至跟蹤失敗，因此實際應用時應優(yōu)化算法，例如，引入DSP控制器或單片機控制調節(jié)PMW波占空比，或與其它算法結合采取綜合控制。與擾動觀察法相比，電導增量法具有更小的穩(wěn)態(tài)振蕩，和更優(yōu)的精度，響應速度較快，但該方法對參數檢測精度要求高，當受到噪聲、測量誤差和數字控制量化誤差時，也無法避免最大功率點附近的振蕩，因此實際應用時也應優(yōu)化算法，例如，采用零均值電導增量法，或結合其它方法，采用綜合算法以提高精度和穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]劉軍，張成林.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤算法的研究[J].青島科技大學學報（自然科學版），2012，2，33（1）：78-81.

[2]黃禮明，連永圣，陳標龍，等.基于擾動觀察法的MPPT控制優(yōu)化策略[J].現代電子技術，2011，12，34（24）：206-208.

[3]董密，楊建，彭可，等.光伏系統(tǒng)的零均值電導增量最大功率點跟蹤控制[J].中國機電工程學報，2010，7，30（21）：48-53.

[4]黃瑤，黃洪全.電導增量法實現光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制[J].現代電子技術，2008（22）：18-19.

[5]司傳濤，周林，張有玉，等.光伏陣列輸出特性與MPPT控制仿真研究[J].華東電力，2010，38（2）：284-288.

[6]郭勇，孫超，陳新.光伏系統(tǒng)中最大功率點跟蹤方法的研究[J].電力電子技術，2009，43（11）：21-23.

[7]高志強，王建頤，紀延超.一種快速的光伏最大功率點跟蹤方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（8）：105-109.