林婷婷 樊森

摘 要：綜合開發(fā)研究太陽能作為現(xiàn)在科研焦點。在所有的新型開發(fā)應用方法里面，對光伏發(fā)電的關注研究設計得到了很多研究家的關注，發(fā)展很快。本論文研究前面分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成。然后研究MPPT（最大功率點跟蹤）方法。它對提高太陽能電池的利用率有很大的意義，能夠讓光伏電池陣列及時適應外部條件的變化，始終工作在最大功率輸出點。最后分析了MPPT方法中常用的電導增量法并分別在Simulink內用模塊構建的光伏電池模型和用S函數(shù)構建的光伏電池模型上應用電導增量法進行最大功率跟蹤控制，來驗證電導增量法的可行性和適用性。

關鍵詞：光伏發(fā)電；MPPT；電導增量法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.065

1 引言

進入21世紀以來，社會發(fā)展很快，各種科技發(fā)展很迅速，地球上有限的資源，每天都在不斷減少，這個時候如果我們人類不再尋求新的能源道路，我們將面臨一系列環(huán)境污染帶來的問題，所以可持續(xù)發(fā)展就成了這個社會發(fā)展的重要任務。對新能源的開發(fā)是可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

太陽能發(fā)電是將太陽光能直接轉化成電能的發(fā)電方式，包括光伏發(fā)電，光熱發(fā)電，光化學發(fā)電，光感應發(fā)電等，其中光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉化為電能的直接發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列，電纜，電力電子變換器，儲能元件，負載等構成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。有些大型光伏發(fā)電系統(tǒng)還有防雷保護裝置和計量裝置。光伏的電池板所產(chǎn)生的電傳輸中先經(jīng)過系統(tǒng)的電纜傳輸?shù)娇刂破髦袑λM行采集、轉換等，部分剩余的電能再送到儲能元件中，通過這個過程最終生成為用戶端或負載所能使用的能量。

眾多的光伏電池串在一起就是光伏電池陣列，它們通過并列組合在一起。太陽光通過光伏電池的陣列接收然后成為電能。如圖1所示。

光伏電池最大功率點跟蹤（MPPT）、能源管理還有控制逆變器的輸出控制組合為控制系統(tǒng)。隨著環(huán)境的變化，比如系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度或光照強度改變了，就會影響光伏電池最大輸出功率的I和U，對最大功率點跟蹤我們通過控制器使用控制算法對系統(tǒng)的操作點進行調整，來發(fā)掘光伏電池發(fā)電的隱藏能量。不管外部環(huán)境如何變化，總是自動跟蹤相應的最大輸出點。

太陽光發(fā)電系統(tǒng)負載特性的一個光生伏打電池的特性是開始-停止，較大的負荷容量受到光伏系統(tǒng)輸出較大的沖擊，使其產(chǎn)生較大的波動，嚴重的情況下還會引起如電機負載不能啟動。光伏最大功率輸出加載我們可以通過調整實現(xiàn)。在該系統(tǒng)中負荷特性占據(jù)核心地位。我們一般使用轉換器的光伏陣列因為安全，在光伏陣列輸出上我們可以把工程負載接上去。

2 常用光伏陣列最大功率點跟蹤控制技術研究

光伏陣列的輸出特性是非線性的，而且它的輸出受很多其他條件的影響，比如溫度，連接負載的情況和太陽強度等等。如果希望最大程度的利用太陽能進行發(fā)電的話，需要始終跟蹤在MPP點，就需要控制器對光伏電池板及時隨時的控制其工作點，這一過程稱之為最大功率點跟蹤（maximum power point tracking簡稱MPPT），使其不管外界環(huán)境怎樣變化，始終自動跟隨MPP。這樣主要的目的是，使光伏陣列在不同的條件下，都能夠工作在輸出最佳的狀態(tài)，最大程度的利用太陽能進行發(fā)電。

恒定電壓控制法雖然響應快速穩(wěn)定，但是并不是真正的最大功率輸出。此外，CVT方法一般采用模擬電路實現(xiàn)，功能較差，未能充分利用DSP處理器強大的運算處理能力。隨著數(shù)字信號處理技術和微控制器的在太陽能發(fā)電中應用的快速發(fā)展，CVT已經(jīng)基本被時代淘汰，很少使用了。

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。擾動觀察法是一種模塊化的控制回路，屬于簡單的控制方法，跟蹤起來方法比較簡單，相對容易完成實現(xiàn)，對所用的傳感器采集的參數(shù)的精度要求不是很高，不過最終控制的效果會可能出現(xiàn)一些周期的震蕩擾動，還有如果在確定了擾動的方向之后，如果想影響改變輸出電壓就必須在后面一個擾動周期到來的時候才能改變，這就造成了一個結果就是在光伏電池的最大功率點的跟蹤時候就會出現(xiàn)一系列擾動，就會有浪費一部分的光能和功率。而且當環(huán)境條件變化劇烈時有可能導致MPPT失敗。

電導增量法通過比較光伏陣列的電導增量和瞬時電導來改變控制信號。這個方法也是需要用相關的一些傳感器來采集光伏陣列的I和U的。這個方法最好的一個優(yōu)點就是，在外部條件發(fā)生劇烈變化的時候，系統(tǒng)還是能夠很好的跟蹤到變化的趨勢方向，所以，電導增量法的控制精確度相對來說很好，跟蹤變化的速度比較快，能夠滿足變化迅速的環(huán)境。當然電導增量法也有缺點，該方法對硬件的需求來說比較的高，計算量相對來說是比較大。

除了以上說的這幾種基本的MPPT法以外，同時還研究有更多種算法能夠實現(xiàn)光伏發(fā)電MPPT包括模糊邏輯控制法，神經(jīng)網(wǎng)絡法，負載電流（或電壓）最大化方法，基于狀態(tài)的MPPT法，dP/dU（或dP/dI）反饋控制法，最優(yōu)梯度法等。

3 光伏陣列最大功率控制跟蹤控制仿真

盡管現(xiàn)在研究出了很多先進的MPPT算法但是擾動觀察法和電導增量法仍是實現(xiàn)MPPT最常用的方法。其中電導增量法在環(huán)境條件發(fā)生一些變換，有擾動時，相比于擾動觀察法來說，能以平穩(wěn)的方式跟蹤光伏陣列輸出功率的改變，基本能夠減少震蕩擾動對系統(tǒng)控制的影響，功率的損耗大大減少很多，對于環(huán)境變化比較激烈的地方比較實用。因為它對于MPPT的控制效果要比較好，像擾動觀察法因為擾動生成的MPP的改變，它基本就能夠克服。因此本章主要研究對用電導增量法的控制器的仿真。

采用MATLAB/Simulink進行控制器的設計，可以通過Simulink內建模塊搭建實現(xiàn)，也可用S函數(shù)實現(xiàn)。

在本系統(tǒng)的控制器設計中，以光伏陣列的電壓，電流作為S函數(shù)的輸入，以開關的導通占空比D為其輸出。對開關導通占空比D的控制可實現(xiàn)調節(jié)光伏陣列輸出平均功率。

利用光伏電池模型建立的MPPT之電導增量法仿真模型為：

當然也可以用S函數(shù)來構建光伏電池的仿真模型。下文介紹的是用電導增量法跟蹤控制用S函數(shù)來構建光伏電池的仿真模型的最大功率點，用以驗證電導增量法對最大功率點跟蹤的特性。

利用S函數(shù)構建的光伏電池仿真模型建立的MPPT電之導增量法仿真模型為：

電導增量法基本可以準確的跟蹤光伏電池的最大功率點。在光照強度發(fā)生變化時，能以平穩(wěn)的方式跟蹤光伏陣列輸出功率的改變，基本能夠減少震蕩擾動對系統(tǒng)控制的影響，功率的損耗大大減少很多。但是對于環(huán)境溫度發(fā)生變化時電導增量法在跟蹤最大功率點是出現(xiàn)了短暫的擾動現(xiàn)象，但是用兩種光伏電池仿真出來的結果都是一樣的，所以是控制器的問題，對于電導增量法來說，計算量相對來說是比較大的，計算過程中要一直重復微分計算，對控制器要求要高一點，尤其是運算的速度，還有就是傳感器的采集數(shù)據(jù)精度同樣需要很高，不然的話，最后的控制結果就會達不到最初的要求，結果就會出現(xiàn)一些震蕩、擾動等。所以當溫度改變出現(xiàn)的短暫的擾動應該是控制器沒有達到高速運算的要求。但是在溫度改變時出現(xiàn)的擾動很短暫沒有影響控制器對最大功率點的跟蹤，從整體上來看，電導增量法對最大功率點的跟蹤準確，響應速度比較迅速。所以可以得出結論，用電導增量法對光伏電池陣列進行最大功率點跟蹤效果比較理想，基本上可以消除在最大功率點附近的擾動和振蕩現(xiàn)象，在環(huán)境條件發(fā)生變化時對最大功率點的跟蹤還是比較迅速的，適用于環(huán)境變化比較快的場合。

4 結論

本論文主要的內容是對性能較好，應用廣泛的電導增量法進行分析仿真，通過對在Simulink內建模塊搭建的光伏電池和用S函數(shù)描述的光伏電池分別分析仿真。但是還存在一些缺點，在溫度發(fā)生改變時，電導增量法跟蹤最大功率點時，出現(xiàn)了短暫的擾動現(xiàn)象，但從整體來看仿真結果基本正確，達到了預期的效果。

參考文獻：

[1]葉列杰甫.光伏發(fā)電MPPT控制技術研究[D].蘭州交通大學，2017.

[2]吳章瑋.基于MPPT的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].安徽理工大學，2017.