金劍JIN Jian

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 412200）

0 引言

太陽能光伏發(fā)電的最大功率點是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計而言的，因為光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計時會綜合考慮進行優(yōu)化，同時結(jié)合光伏發(fā)電組件的整體功率進行整個系統(tǒng)配置，所以說太陽能光伏發(fā)電的最大功率點就是組件的單塊功率相加之和。

傳統(tǒng)模式下，相關(guān)人員需要耗費大量時間對光伏發(fā)電系統(tǒng)等設(shè)備裝置進行處理，即使相關(guān)太陽能通過特殊的半導體材料逐步轉(zhuǎn)化為電力能源。然而，此種電能轉(zhuǎn)換方式容易受到自然環(huán)境（氣溫）、光照強度等外界客觀因素的影響，不利于長期使用，而最大功率點跟蹤技術(shù)的普及推廣與應用，能夠在較短時間內(nèi)對太陽能光伏電池的電壓和輸出電壓進行綜合管控，全面促使了光電轉(zhuǎn)換效率的管理水平全面提升。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

通過查閱相關(guān)資料可以得知，光伏發(fā)電電池組陣列、電力電子變換器（逆變器）、負載和蓄電池構(gòu)成了一個完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]，各系統(tǒng)重要組成零件運行功能如下：

第一，太陽能電池板又可以被稱為光伏陣列，單個太陽能電池板每cm2輸出的電壓在4.4-4.6V 左右，在電流工作范圍為20-26mA 的基礎(chǔ)上，單個光伏電池無法滿足電池板對負載的整體電量需求。故此，在實際的光伏電池總發(fā)電量和串并聯(lián)需要的光伏板個數(shù)計算過程中，相關(guān)人員應結(jié)合負載用電量的電壓、電流及功率情況來確定實際的電流工作范圍，并采用特定方式保證每個光伏電池能量性能和實用功能完全一致。反之，將會對光伏板內(nèi)部的電流、電壓輸出產(chǎn)生不利影響。如果需要對光伏電池板進行并聯(lián)操作，就應確保每個光伏電池板電壓基本相同。針對此種現(xiàn)象，管理人員應利用自身實際工作經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)能力對光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要零部件進行統(tǒng)籌規(guī)劃，確保整個系統(tǒng)的整體運行功能完整，在日后管理過程中，應派專業(yè)人員進行維修檢驗，定期更換受損零部件，從而達到預設(shè)的運行效果。

第二，電力電子變換器主要分為直流變換器和交流變換器兩種。針對直流變換器，內(nèi)部的重要零部件能夠?qū)€路的電流電壓進行有效劃分；在實際的交流變換器運行過程中，操作人員應采用特定管控措施促使整個電壓電流調(diào)整成交流電。

第三，針對最大功率點跟蹤控制器，通過科學合理地運用此種設(shè)備，整個控制器內(nèi)部元器件會在較短時間內(nèi)對系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的負載功率統(tǒng)籌規(guī)劃，在整個光伏陣列能夠有效連接的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮實用功能，即系統(tǒng)通過跟蹤控制器能夠使得電壓電流輸出效果良好，系統(tǒng)操作人員應積極學習并運用先進的系統(tǒng)操作方法，采用不同方式對其進行綜合管控，全面獲取最大功率點。與此同時，對于蓄電池控制器，其通過對輸出的電壓進行多元調(diào)節(jié)與管控后，能夠在較短時間內(nèi)促使兩者能夠與負載進行匹配。

簡言之，整個儲能元件的運行質(zhì)量直接關(guān)系著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。例如，在光照強度較大的晝間，太陽能能源一般會以電能的形式存儲于蓄電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當外界氣溫和光照強度逐漸降低且明顯減弱，不能及時獲取大量太陽能源，在系統(tǒng)內(nèi)部的儲存元件不能促使負載發(fā)揮功能時，將會直接降低系統(tǒng)的供電效果[2]。

通過查閱資料可以得知，太陽能光伏發(fā)電可以大致分為三類，具體如下：

①獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要包括控制器、光伏陣列、變換器和蓄電池等，在實際應用期間，可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，滿足太陽能應用的需求，為廣大人民群眾生活提供諸多便利。

②并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要是和不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同工作的，從而滿足光伏發(fā)電的需求。

③混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要比發(fā)電系統(tǒng)多了一臺發(fā)電機組，當發(fā)電量不夠充足的時候，或是蓄電池所存儲的電能不能滿足使用需求時，就可以啟動這個設(shè)備，使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行。

2 太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)越性

首先，太陽能光伏發(fā)電電池的體積較小，且重量較輕，由此構(gòu)成的光伏陣列結(jié)構(gòu)也相對簡單，在占地空間較小的情況下，可以確保相關(guān)光伏陣列輸出的電功率在60W 左右，與此同時，當?shù)卣疅o需投入大量的建設(shè)資金進行太陽能光伏發(fā)電操作，整個發(fā)電系統(tǒng)的建立時間相對較短，管理人員按照國家規(guī)定的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)即可實現(xiàn)大面積的并網(wǎng)發(fā)電效果；其次，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的修理流程相對簡單、便捷，操作人員采用特定方式將太陽能電池板定期集中清理[3]后，就能夠有效將大量太陽能轉(zhuǎn)換成電能，對于那些規(guī)模較大的太陽能發(fā)電站，管理人員可以通過遠程控制方式達到預設(shè)的工作效果；最后，實踐表明，采用太陽能發(fā)電清潔、安全、無污染，利于社會的可持續(xù)發(fā)展。

此外，太陽能利用方便，只要在陽光照射下的區(qū)域就可以對太陽能進行利用，不需要長距離輸電，就能達到預設(shè)的供電效果。將太陽能應用在發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換方法相對容易，不會給周邊環(huán)境帶來嚴重的污染，具有較高的應用價值，并且憑借設(shè)備安裝時間短、操作簡單容易等諸多優(yōu)勢，在應用期間不需要人工值守，能夠合理壓縮管理成本。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤技術(shù)

3.1 最大功率點跟蹤控制技術(shù)

進一步了解后發(fā)現(xiàn)，整個最大功率點會結(jié)合氣溫環(huán)境、光照強度的變化而不斷變化，因此，管理人員應結(jié)合自然界環(huán)境的變化及時調(diào)整并合理管控太陽能光伏電池的布局狀態(tài)，采用特定方式促使最大功率點能夠有效被跟蹤控制，此種控制策略的機理如下：管理人員合理運用相關(guān)監(jiān)測設(shè)備對光伏電池的輸出功率進行智能監(jiān)測，運用相應的控制算法對當前環(huán)境下光伏電池的最大輸出功率進行全面預測，制定完整的程序指令對負載的阻抗能力進行調(diào)節(jié)，最大限度地促使輸出功率的最大化。

假定太陽能光伏發(fā)電輸出曲線可以構(gòu)成一個完整的特性曲線圖，曲線上方特定環(huán)境下的最大功率點設(shè)定為A點、B 點，在一定條件下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在A 點運行，此時，整個光照強度逐漸變大，整個輸出曲線的變化幅度也逐步上升，如果負載不變，光伏發(fā)電系統(tǒng)會在變化后的A1 點上運行，這樣就偏離了最大功率點[4]。針對此種現(xiàn)象，管理人員應采用適當方式確保系統(tǒng)運行過程中的最大功率曲線點在可控范圍內(nèi)，結(jié)合實際的情況對系統(tǒng)負載運行情況進行統(tǒng)一安排，并結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況合理調(diào)節(jié)，在一定環(huán)境下實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

據(jù)有關(guān)資料顯示，負載阻抗可以對最大功率點進行跟蹤與管理，然而，在現(xiàn)實應用過程中，卻存在一定的困難，大量模擬試驗和實踐表明，對最大功率點的跟蹤就是一個動態(tài)自動尋求最佳效果的過程，管理人員采用特定方式將光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電陣組內(nèi)部的電流電壓輸入至相關(guān)架構(gòu)中，通過完整的計算方法能夠?qū)Ξ斍肮β屎陀洃浌β视枰源_定。與此同時，管理人員通過合理運用相應的比較器對兩者進行對比，堅持“去小留大”的原則，對各種干擾條件有效去除后，結(jié)合PMW 的信號輸出結(jié)果進行動態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。例如，在此期間，管理人員應不斷優(yōu)化并改進最大功率點的跟蹤模式，系統(tǒng)采用動態(tài)的管理模式將最大功率點的運行線路進行及時記錄，并利用先進的計算機技術(shù)及時歸檔保管，通過大量模擬實驗和實踐探索，全面掌握有效的動態(tài)跟蹤處理技術(shù)，與此同時，應確保相關(guān)人員具備與時俱進的思想，摒棄傳統(tǒng)落后的思想，確保跟蹤速度和跟蹤精度的完整性和真實性，應妥善運用先進的最大功率點跟蹤算法提升發(fā)電系統(tǒng)運行水平。

3.2 最大功率點跟蹤的算法

在實際運用過程中，干擾觀測算法（P&Q）的合理運用能夠?qū)ο到y(tǒng)功率進行綜合調(diào)節(jié)與控制，具體實現(xiàn)方式如下：首先，管理人員在光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓上適當增加一個干擾輸出的電壓信號（V+Δν），隨后，每間隔一段時間采用特定方式對一次輸出的電壓和電流進行全面收集，乘法器就會根據(jù)內(nèi)部運行程序?qū)Λ@取的數(shù)據(jù)信息進行相乘計算，在最短時間內(nèi)求出系統(tǒng)的瞬時功率數(shù)據(jù)信息，管理人員應在具備相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，利用先進的計算機技術(shù)及時調(diào)取不同周期的瞬時功率數(shù)據(jù)，在與技術(shù)部門交流的基礎(chǔ)上，全面掌握系統(tǒng)內(nèi)部各個功率的變化幅度；其次，管理人員應合理運用相應的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用適當方式對轉(zhuǎn)換器的占空比進行優(yōu)化調(diào)整，促使整個系統(tǒng)的電壓向最大功率點方向移動。一般情況下，當功率逐漸變大，則代表干擾正確，由此可以推定功率向同一方向（+Δν）干擾，當功率逐漸變小，由此可以推定功率向反方向（-Δν）干擾[5]。

近年來，管理人員通過不斷優(yōu)化與調(diào)整，合理運用P&Q 算法后，即可使用簡單的操作方法對功率進行跟蹤，與此同時，此種算法的運用，能夠有效支持模塊化控制回路，有效地確保整個光伏發(fā)發(fā)電系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。對此，管理人員采用適當方式對P&Q 算法進行優(yōu)化與改進，選擇大步長跟蹤模式對距離最大功率點較遠的位置實現(xiàn)跟蹤速度的加快，選擇小步長跟蹤模式對距離最大功率點較近的位置實現(xiàn)振蕩速度的調(diào)節(jié)。

4 最大功率點跟蹤的仿真實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)控制原理

管理人員應采用特定方式對采集到的光伏電池內(nèi)部的輸入電流、電壓進行快速收集，并以相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為整個MPPT 的輸入?yún)?shù)，例如，應合理運用先進的參數(shù)控制算法，及時計算出相關(guān)周期內(nèi)利于趨向最大功率的占空比輸出信息，在應用PWM 信號的形式對計算結(jié)果予以表示后，進一步控制開關(guān)管的運行狀態(tài)，最大限度地對光伏電池輸出電壓進行有效控制。

為了保證最大功率點跟蹤技術(shù)能夠全面推廣并應用，需要利用先進的計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計算方法。以Matlab 軟件為主要對象，采用適當方式積極建立健全一個完整的系統(tǒng)仿真模型，整個模型主要包含太陽能光伏電池模塊、MPPT 模塊、PWM 模塊及升壓轉(zhuǎn)換器模塊等四個重要組成部分，具體的操作流程如下：首先，操作人員應及時在光伏電池輸出側(cè)分別安設(shè)一個電流檢測單元和一個電壓檢測單元，促使兩者形成一個完整的并聯(lián)關(guān)系，能夠共用一個輸出，此時，應保證整個輸出線能夠直接與MPPT 控制單元的輸入側(cè)有效連接，使大量數(shù)據(jù)信息能夠及時獲取，為后期跟蹤算法計算工作創(chuàng)設(shè)諸多有利條件。如圖1 所示，為一種光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的跟蹤方法圖。

圖1 一種光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的跟蹤方法研究

4.2 太陽能光伏電池的仿真

此處以太陽能光伏電池的工程模式為主要基礎(chǔ)條件，管理人員應對氣溫條件、光照強度等諸多因素進行合理調(diào)整，積極學習國內(nèi)外先進的方法，運用Matlab 軟件建立相應的仿真模型，并采用適當方式對其輸出特性進行仿真處理，整個工程模型計算公式如下：

以上等式中，標準測試條件下太陽能電池的短路電流由Isc表示，計量單位為A，C1和C2代表兩個電容，計量單位為μF，同時，輸入電壓由V 代表，開路電壓由Voc表示，在某種模式下，會形成一個完整的太陽能光伏電池輸出特性曲線圖。進一步了解后發(fā)現(xiàn)，利用整個仿真系統(tǒng)形成的輸出特性曲線圖主要表現(xiàn)為以下幾個特點：

第一，太陽能光伏電池的最大功率點電壓為78V，此時開路電壓在97.5V 左右，此時最大功率點電壓是開路電壓的0.8 倍；第二，太陽能短路電流與光照強度為正相關(guān)，而開路電壓與電池溫度呈負相關(guān)關(guān)系；第三，整個太陽能電電池輸出功率在78V 時達到最大值，此點位為最大功率點。

從整個仿真模型在不同氣溫環(huán)境、光照強度條件下的變化曲線分析，光照強度越大，此時太陽能電池的輸出功率就越強。例如，當光照強度在200W/m2左右時，最大輸出功率可以達到36.3W，當光照強度在600W/m2左右時，最大輸出功率可以達到70.8W，當光照強度在1000W/m2左右時，最大輸出功率可以達到104.6W，而環(huán)境溫度越高，太陽能電池的輸出功率越低，例如，當溫度環(huán)境在0℃左右，最大輸出功率為136.6W，當溫度環(huán)境在25℃左右，最大輸出功率為133.1W，當溫度環(huán)境在50℃左右，最大輸出功率為130.9W，此種模式的最大功率變化不明顯。

4.3 最大功率點跟蹤模塊的實現(xiàn)

完整的P&Q 算法下整個變步長計算公式如下：

以上等式中，變步長由L 表示，功率導數(shù)由dP 代表，電壓導數(shù)由dV 代表。如果變步長的計算數(shù)值超過1.8，就應使用大步長，此時占空比變化值為0.01，有利于對跟蹤速度的調(diào)節(jié)控制，如果變步長的計算數(shù)值低于1.8，就應使用較小步長，此時占空比變化值為0.01，為跟蹤精度的獲取工作奠定基礎(chǔ)。

值得重點說明的是，管理人員應采用特定模式對P&Q 算法和改進的P&Q 算法進行合理運用，當外界自然氣候、光照強度及其他水文條件在系統(tǒng)可承受的范圍時，應排除外界各種干擾因素，及時根據(jù)各類算法的具體運行機理統(tǒng)一繪制科學合理的跟蹤曲線平面圖。通過兩種算法跟蹤曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，其都能夠真實反映出光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。大量實踐表明，理想狀態(tài)下的輸出功率在135W 左右，基于P&Q 算法和改進的P&Q 算法系統(tǒng)最大輸出功率可達133.7W，經(jīng)過0.1s 的跟蹤后，2 種算法能夠有效地在此種環(huán)境下實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

最后，以某地太陽能系統(tǒng)應用情況為例，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)及仿真進行統(tǒng)籌規(guī)劃后，能夠有效對太陽能資源進行開發(fā)與綜合利用，利用恒電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導法進行精確計算后，促使太陽能能夠滿足實際工作的需求，進一步推動太陽能的服務能力，人們生活品質(zhì)得到改善。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)及仿真工作涉及的內(nèi)容是相對較多的。發(fā)電企業(yè)管理人員還要利用先進的計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及云計算處理方法，積極更新并學習國內(nèi)外先進的太陽能光伏發(fā)電管理模式，建立健全科學完整的仿真模型，合理運用最大功率點跟蹤技術(shù)，進一步對最大功率點進行驗證，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)不會受到氣溫、光照強度的影響，達到預設(shè)的跟蹤效果，最后促進社會的可持續(xù)發(fā)展。