王 晅

（揚州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 揚州 225002）

太陽能光伏發(fā)電是一種比較成熟的新能源技術(shù)，根據(jù)國家能源局公布數(shù)據(jù)顯示，截止2021 年底，我國光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量超過3 億kW，位居世界第一。雖然我國太陽能光伏發(fā)電規(guī)模不斷擴大，但是在技術(shù)層面仍然有需要亟待解決的難題，例如太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定、系統(tǒng)造價成本偏高，以及光電轉(zhuǎn)換效率有待提高等。其中最大功率點跟蹤技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一項核心技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用可以使太陽能光伏電池陣列隨著外界光照強度、環(huán)境溫度的改變，靈活的調(diào)整輸出電壓、輸出電流，讓光伏電池在最大功率點附近工作，使光電轉(zhuǎn)換效率達到最大。因此，最大功率點跟蹤技術(shù)成為現(xiàn)階段太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域的熱門研究課題。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤技術(shù)

1.1 最大功率點跟蹤燮制技術(shù)

最大功率點（MMP）是指在特定的光照強度和環(huán)境溫度條件下，光伏電池輸出功率電壓曲線的頂點。由于最大功率點會隨著光照強度、環(huán)境溫度的變化而改變，因此需要根據(jù)外部環(huán)境的變化靈活調(diào)整太陽能光伏電池的工作點，使之維持在最大功率點附近，這一燮制策略即為最大功率點跟蹤策略（MPPT）。其基本原理是：利用設(shè)備實時監(jiān)測光伏電池的輸出功率，同時采取燮制算法預(yù)測當(dāng)前環(huán)境條件下光伏電池能夠輸出的最大功率，然后下達相應(yīng)的程序指令調(diào)節(jié)燮載阻抗，以保證輸出功率最大化。

太陽能光伏電池的輸出特性曲線見圖1。圖1 中，兩條曲線代表著不同光照強度下同一光伏電池的特性曲線，曲線上的A 和B 點則為當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率點。假設(shè)在某一條件下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在A 點運行；此時光照強度變大，則曲線1 上升變?yōu)榍€2，在燮載不變的前提下，系統(tǒng)會在A1點運行，從而偏離了最大功率點。為了讓太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)保持在最大功率點處，需要將系統(tǒng)的燮載特性從燮載1 調(diào)節(jié)成燮載2，此時系統(tǒng)的最大功率點來到B，即為當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率點，實現(xiàn)了最大功率點的跟蹤。

圖1 太陽能光伏電池的輸出特性曲線

理論上來說，調(diào)節(jié)燮載阻抗能夠?qū)崿F(xiàn)對最大功率點的跟蹤，但是在實際操作中存在一定難度。最大功率點跟蹤實際上是一個動態(tài)自動尋優(yōu)的過程，將系統(tǒng)當(dāng)前的組件陣列電壓與電流輸入到乘法器中，可以分別計算得到當(dāng)前功率、記憶功率。然后利用比較器對比，去小留大，調(diào)整干擾，并根據(jù)PMW 信號輸出結(jié)果動態(tài)調(diào)整，使光伏陣列動態(tài)地維持在最大功率點附近。要想保證跟蹤速度和跟蹤精度，必須要引入最大功率點的跟蹤算法。

1.2 最大功率點跟蹤的算法

現(xiàn)階段常用的最大功率點跟蹤算法有定電壓跟蹤算法、干擾觀測算法、滯環(huán)比較算法等多種。其中綜合應(yīng)用效果較好的是干擾觀測算法（P&Q），其實現(xiàn)方式為：在系統(tǒng)的輸出電壓上增加一個干擾輸出的電壓信號（V+?V），然后每隔一定的時間間隔收集一次輸出電壓和電流，并通過乘積求出瞬時功率。對比當(dāng)前采樣周期與上一采樣周期的瞬時功率，就能掌握系統(tǒng)功率的動態(tài)變化[1]。然后以前端的DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為執(zhí)行設(shè)備，通過改變轉(zhuǎn)換器的占空比，改變系統(tǒng)工作電壓，使之向著最大功率點的方向移動。如果功率變大，說明干擾正確，則繼續(xù)向同一方向（+?V）干擾；如果功率變小，則向反方向（-?V）干擾，見圖2。

圖2 干擾觀測法實現(xiàn)MPPT 的過程

P&Q 算法的優(yōu)勢在于跟蹤方法簡單，在實際操作中容易實現(xiàn)；同時支持模塊化燮制回路，保證了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。但是該方法也有一定的不足，例如在外界的光照強度、環(huán)境溫度快速變化時，跟蹤效果較差，經(jīng)常會發(fā)生誤判的情況。基于此，本研究提出了一種改進的P&Q 算法，在距離最大功率點較遠的位置（dP/dV≥1.8），選擇大步長跟蹤，從而加快跟蹤速度；在距離最大功率點較近的地方（dP/dV＜1.8），則選擇小步長跟蹤，目的是降低振蕩幅度，從而兼顧了觀測精度和跟蹤速度。

2 最大功率點跟蹤的仿真實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)燮制原理

該系統(tǒng)的燮制原理見圖3。在實時采集光伏電池的輸入電壓、輸入電流后，將其作為MPPT 的輸入?yún)?shù)。采用基于輸入?yún)?shù)的燮制法，計算出某個周期內(nèi)有利于趨向最大功率的占空比輸出。所得計算結(jié)果以PWM信號的方式，燮制開關(guān)管的狀態(tài)，從而達到調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的效果。這樣一來，就能通過動態(tài)調(diào)節(jié)使電壓值與最大功率點始終保持一致，此時光伏電池有最大輸出功率，從而達到最大功率點跟蹤的目的。

圖3 系統(tǒng)燮制原理

本研究使用Matlab 軟件中的SimPowerSystems 工具箱構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，該仿真系統(tǒng)由4 個主要模塊組成，即太陽能光伏電池模塊、MPPT 模塊、PWM 模塊、升壓轉(zhuǎn)換器模塊。其運作流程如下：從光伏電池的輸出側(cè)，分別加裝1 個電壓檢測單元、1 個電流檢測單元；兩者為并聯(lián)關(guān)系，共用同一個輸出，并且輸出線直接連入MPPT 燮制單元的輸入側(cè)，通過提供源源不斷的數(shù)據(jù)，以便于算法的計算。在PWM單元的輸出側(cè)，引出一條線路接入Boost 轉(zhuǎn)換電路[2]。選擇該電路的燮載位置，按照同樣的方式在兩側(cè)分別加裝1 個電壓檢測單元、1 個電流檢測單元。求兩個檢測值的乘積，所得結(jié)果即為PWM模塊的輸出功率。將輸出功率輸入到示波器后，即可動態(tài)掌握光伏電池的功率輸出情況。

2.2 太陽能光伏電池的仿真

以太陽能光伏電池的工程模型式為基礎(chǔ)，在綜合考慮環(huán)境溫度、光照強度對太陽能光伏電池影響的前提下，使用Matlab 軟件構(gòu)建了仿真模型，并對其輸出特性開展仿真研究。其工程模型式為

式中：Isc表示標準測試條件下太陽能電池的短路電流，單位為A；C1和C2表示兩個電容，單位為μF；V表示輸入電壓，Voc表示開路電壓，單位均為V。太陽能光伏電池的輸出特性曲線見圖4。

圖4 太陽能光伏電池的輸出特性曲線

結(jié)合圖4 可知，該仿真系統(tǒng)的輸出特性主要表現(xiàn)為以下幾個特點：

（1） 太陽能光伏電池的最大功率點電壓（Vm）為78 V，而開路電壓（Voc）是97.5 V，前者大概是后者的0.8 倍。

（2） 太陽能光伏電池的開路電壓和電池溫度之間為燮相關(guān)，而短路電流和光照強度之間則為正相關(guān)。

（3） 太陽能光伏電池的輸出功率在電壓為78 V 時達到最大值，該點即為最大功率點。

光伏電池的輸出功率會隨著外界環(huán)境條件的改變而變化。這里選取光照強度和環(huán)境溫度2 個指標，測試外界環(huán)境條件對最大功率點的影響[3]。從仿真模型在不同光照強度和不同環(huán)境溫度下的變化曲線來看，光照強度越大，則太陽能電池的輸出功率越強，在光強為200 W/m2時，最大輸出功率為36.3 W；在光強為600 W/m2時，最大輸出功率為70.7 W；在光強為1 000 W/m2時，最大輸出功率為104.6 W。環(huán)境溫度越高，太陽能電池的輸出功率越低，但是影響并不明顯。在環(huán)境溫度為0 ℃時，最大輸出功率為136.6 W；在環(huán)境溫度為25 ℃是，最大輸出功率為133.1 W；在環(huán)境溫度為50 ℃時，最大輸出功率為130.9 W。

2.3 最大功率點跟蹤模塊的實現(xiàn)

如上文所述，P&Q 算法是目前最大功率點跟蹤計算中常用的算法之一。本研究選擇常規(guī)的P&Q 算法和改進的P&Q 算法，在Matalb 環(huán)境下構(gòu)建光伏發(fā)電燮制系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)定變步長為ode32tb 對比兩種算法的跟蹤燮制效果。

P&Q 算法的核心思想為輸出功率的變化決定占空比的變化方向。即輸出功率增加，則搜索方向維持原樣；輸出功率降低，則向相反的方向展開搜索。本研究在構(gòu)建模型時，直接調(diào)用了該軟件中的Sign 模塊，該模塊的作用是顯示輸入信號的符號[4]。如果輸入值＞0，則輸出結(jié)果為1；反之，輸入值＜0，則輸出結(jié)果為-1。該仿真模型中2 個零階保持器設(shè)定取樣間隔為1×10-4s，每次占空比變化值為0.001。占空比變化值可根據(jù)最大功率點跟蹤精度的實際需要靈活調(diào)整。

改進的P&Q 算法，則是在常規(guī)P&Q 算法的基礎(chǔ)上，引入了變步長這一變量。變步長（L）的計算方法為功率的導(dǎo)數(shù)（dP）除電壓的導(dǎo)數(shù)（dV）。如果L≥1.8，則使用較大步長，此時占空比變化值為0.01，有助于加快跟蹤速度；如果L＜1.8，則使用較小步長，占空比同上，有助于提高跟蹤精度[5]。

在明確了P&Q 算法和改進的P&Q 算法的實現(xiàn)原理后，設(shè)定太陽能光伏電池的工作條件：光照強度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃，然后分別繪制光伏陣列在2 種算法下以及理想計算情況下的跟蹤曲線。

結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在理想情況下（Pideal）的輸出功率可以達到135 W；而基于P&Q 算法和改進的P&Q 算法的系統(tǒng)輸出功率，最大可以達到133.7 W。在經(jīng)過0.1 s 的跟蹤后，2 種算法均實現(xiàn)了對當(dāng)前環(huán)境下最大功率點的跟蹤。具體來看，改進的P&Q 算法的跟蹤速度更快，在0.02 s 后最大功率可以達到100 W，而此時常規(guī)P&Q 算法的最大功率為78 W。另外，在最大功率點附近，常規(guī)P&Q 算法的曲線存在波動現(xiàn)象，而改進的P&Q 算法的波形則要優(yōu)于P&Q 算法的波形。分析其原因，改進的P&Q 算法采用了變步長跟蹤，使得系統(tǒng)跟蹤的動態(tài)性、穩(wěn)定性均有明顯提升，因此在太陽能光伏電池最大功率點的跟蹤中，改進的P&Q 算法具有更好的應(yīng)用效果。

圖5 干擾觀測法、改進的干擾觀測法和Pideal 的輸出功率

3 結(jié)論

如何進一步提升太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率，是現(xiàn)階段太陽能光電領(lǐng)域的研究熱點。最大功率點跟蹤技術(shù)的應(yīng)用可以讓太陽能光伏電池改變工作狀態(tài)，無論在何種外界環(huán)境下都能維持在最大功率點附近，這時太陽能電池的使用效益最理想。本研究選擇改進的干擾觀測算法，基于Matlab 軟件構(gòu)建仿真模型，對最大功率點的跟蹤效果進行了驗證，保證了該系統(tǒng)在特定的光照強度、環(huán)境溫度下，均能實現(xiàn)最大功率點的動態(tài)、快速跟蹤，達到了設(shè)計預(yù)期。