光伏發電系統最大功率跟蹤技術

楊思俊

（西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

為了提高光伏電池的光電轉換效率，降低系統成本，最大可能的提高光伏電池的利用率，必須使光伏電池始終保持最大功率輸出。采用最大功率跟蹤（簡稱MPPT）技術可在同樣的硬件成本上采用軟件控制來提高發電效率。

1 光伏電池的伏安特性曲線

1.1 伏安特性曲線

通過曲線圖1可以看到，光伏電池在光照下的輸出電流和輸出電壓均與太陽輻射的通量密度成正比的關系。也就是說，不同的光照強度條件下可得到不同的特性曲線。光伏電池輸出伏安特性曲線與電流軸的交點為短路電流ISC；與電壓軸的交點為開路電壓UOC。在較高電壓區域內，該電源具有低內阻特性，可以視為一系列不同等級的電壓源；而在較低電壓區域內，該電源又具有高電阻特性，可以視為一系列不同等級的電流源。

在光照強度不變的情況下，它的功率輸出具有極大值，出現在電壓源與電流源的交點處，并且如果假設電池溫度不變，這個極大值將隨光照強度的增強或降低而增加或降低[1-3]。在這個極大值點的兩側，光伏電池的功率輸出都在零與極大值之間連續變化。換言之，對于同樣的功率輸出，電源可以用作電壓源，接電壓型的負載，也可以用作電流源，接電流型的負載。

圖1 光伏電池輸出伏安特性曲線Fig.1 Output current-voltage curve of photovoltaic battery

1.2 輸出功率

根據功率定義式P=UI，設定P為不同的常數，代入U和I，便可在光伏電池輸出伏安特性曲線圖上做出一系列的等功率曲線，如圖2（a）所示，圖中右上角的三條曲線在實際中，必有唯一的一條功率曲線與光伏電池輸出伏安特性曲線相切，該功率曲線便代表著光伏電池在當前照強度下的最大輸出功率，該切點稱為最佳工作點M。從原點引出的交于M點的直線為最佳負載線，RL=RM；M點對應的電流值為最佳輸出電流IM，對應的電壓值為最佳輸出電壓UM；由UM和IM得到的矩形幾何面積也是該特性曲線所能包攬的最大面積，成為光伏電池的最佳輸出功率或最大輸出功率PM，如圖2（b）所示。

圖2 特性曲線Fig.2 Characteristic curve

2 最大功率根據技術的硬件電路

最大功率根據技術的硬件電路如圖3所示，用BUCK電路可以實現最大功率點的跟蹤。BUCK電路（也稱為斬波電路或斬波器）是接在光伏陣列和負載之間，通過控制電壓將不控的直流輸入變為可控的直流輸出的一種變換電路。BUCK電路中開關管導通的占空比的改變，對光伏陣列而言表現為其輸出阻抗發生了變化，輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對應一個輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT技術即是通過調節BUCK電路的占空比而改變光伏陣列的輸出阻抗，從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。由BUCK電路實現MPPT技術時，光伏陣列的輸出電壓高于蓄電池的端電壓時，才能實現較好的調節。當光伏陣列的輸出電壓低于蓄電池端電壓時，BUCK電路的控制失去作用[4]。

圖3 最大功率根據技術的硬件電路Fig.3 Circuit of MPPT

3 軟件控制原理

3.1 主程序分析及流程

MPPT控制使工作電壓在每隔一定時間稍微變動，然后測量此時的太陽電池的輸出功率與前一次進行比較，就這樣反復進行比較使輸出始終跟蹤太陽電池的最大功率點。MPPT控制的一個例子如圖4所示。假定圖中曲線1和曲線2為兩不同光照強度下太陽電池的輸出特性曲線，A點和B點分別為相應的最大功率輸出點；并假定某一時刻，系統運行在A點。當光照強度發生變化，即太陽電池的輸出特性由曲線2上升為曲線1。此時如果保持負載1不變，系統將運行在D點，這樣就偏離了相應光照強度下的最大功率點。為了繼續追蹤最大功率點，應將系統的負載特性由負載1變化至負載2，以保證系統運行在新的最大功率點B。同樣，如果光照強度變化使得太陽電池的輸出特性由曲線1減至曲線2，則相應的工作點由B點變化到C點，應當相應的調整負載2至負載1以保證系統在光照強度減小的情況下仍然運行在最大功率點A。

圖4 MPPT控制示例Fig.4 Control example of MPPT

最大功率點跟蹤（MPPT）的算法有：干擾觀測法（Perturbation and observation，簡稱 P&O法）、增量電導法（Incremental conductance，簡稱 IncCond法）、模糊邏輯控制法等[5]。

增量電導法是MPPT控制常用的方法之一。通過光伏陣列P-U曲線可知最大值Pmax處的斜率為零，即尋求在斜率為零的這一最大功率點處工作。通過調整工作點的電壓，使之逐漸接近最大功率點電壓來實現最大功率點的跟蹤。而增量電導法避免了微擾觀察法的盲目性，它能夠判斷出工作點電壓于最大功率點電壓之間的關系。Un、In為檢測到光伏陣列當前電壓、電流值，Ub、Ib為上一控制周期的采樣值，Umax為最大功率點對應的電壓。這種MPPT控制算法最大的優點是在光照強度發生變化時，光伏陣列輸出電壓能以平穩的方式跟蹤其變化，而且穩態的振蕩也比擾動觀測小。其中，d U=Un－Ub，d I=In－Ib。

當d U≠0時：

若 Un＜Umax，＞0即=I+U＞0可得：。要尋求最大功率點則要增加電壓。

若 Un＞Umax，＜0即=I+U＜0可得：。要尋求最大功率點則要減小電壓。

若 Un=Umax，=0即=I+U=0可得：。則Un即為最大功率點的電壓。

當d U=0時：

若d I=0，則Un即為最大功率點的電壓。

若d I＞0，由圖5可知要尋求最大功率點則要減小電壓。

若d I＜0，由圖5可知要尋求最大功率點則要增加電壓。

電導增量法通過比較光伏陣列的電導增量和瞬間電導來改變控制信號。這種控制算法同樣需要對光伏陣列的電壓和電流進行采樣。電導增量法控制精確，響應速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場合。但是對硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統各個部分響應速度都要求比較快，因而整個系統的硬件造價也會比較高[6]。電導增量法的控制流程圖如圖5所示。

圖5 電導增量法的流程圖Fig.5 Flow diagram of Incremental conductance

3.2 濾波程序

采樣的電壓電流信號是單片機控制的參考，也是最大功率跟蹤的關鍵依據，所以要對所采樣的信號進行準確處理，以防止路燈的誤接入和MPPT跟蹤技術中的可能出現的錯誤跟蹤[7]。

其濾波過程如下，在2 s內分別取電壓、電流的采樣的信號20次，然后依照大小冒泡排序，在排完序的數組中依次去掉5個最大的值和5個最小的值，再將其求平均，得到一個可靠性較高的數，并以此來作為占空比或路燈的接入與否的依據。作實驗時，選擇2 s取一個有效信號，可以明顯看到電壓表電流表的表針在來回擺動尋優。濾波后的數值產生MPPT誤調的可能性將大大減小。程序實現如圖6所示。

圖6 濾波程序流程Fig.6 Filter processes

其中對采樣數值的排序采用冒泡排序法。將尚未排序的各元素從頭到尾依次比較相鄰的兩個元素是否逆序（與欲排順序相反），若逆序就交換這兩元素，經過第一輪比較排序后便可把最大（或最小）的元素排好，然后再用同樣的方法把剩下的元素逐個進行比較，就得到了所要的順序。可以看出如果有20個元素，那么一共要進行19輪比較，第i輪要進行j=20－i次比較。

4 系統檢測結果

在實驗系統中，為了提高發電效率，對于太陽能光電池轉換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術來提高太陽能電池的利用率。分別采集了帶MPPT技術的太陽能基站電源的控制器與不帶MPPT技術的控制器的電壓、電流，并將發電功率進行了比較，在設計中作了大量的實驗，并形成了圖表予以分析。以下是日光強度逐漸減弱時的數據測試。實際采集過程是每5 s采集一次，這里將簡單將每隔1 min的數據進行列表分析。

在同樣的外界條件下，日光逐漸減弱時引入MPPT技術的太陽能發電技術和無MPPT技術的情況下，由表1的數據可統計，在引入MPPT技術的太陽能發電技術后，發電功率增長了25.9%。

表1 日光強度逐漸減弱時數據表Tab.1 Sun light gradually decreased data

5 結束語

對于太陽能光電池轉換效率低的問題，引用了MPPT（最大功率跟蹤）技術來提高太陽能電池的利用率。在利用同樣的參數的太陽能電池板，對帶MPPT技術的控制器與不帶MPPT技術的控制器發電功率進行了比較，在設計中作了大量的實驗，采集了輸出電壓、電流，并形成了圖表予以分析。但實驗圖表亦存在一些局限性，實驗數據采集過程中，是采用太陽能電池板通過控制器直接接負載（即電阻絲）來測量控制器的輸出功率的。而實際應用中應為太陽能電池板通過控制器向蓄電池充電。電阻絲只吸收功率，而蓄電池（本設計中采用額定電壓為24 V）會將控制器的輸出電壓鉗位在21.6～26.4 V之間，當輸出電壓在這之間時，帶MPPT技術的控制器的輸出功率將比此時此刻不接蓄電池而接電阻絲的輸出功率要低。沒有采用給蓄電池充電的方式進行實驗比較是因為無法一直獲得電量等同的蓄電池，帶MPPT技術的控制器對蓄電池充電較快，所以無法使兩種控制器一直在同等條件下工作。在實際應用時，即太陽能電池板通過帶MPPT技術的控制器對蓄電池充電比太陽能電池板通過不帶MPPT技術的控制器對蓄電池充電高的效率將小于20%。但并不是說引入MPPT技術沒有必要，論文中實驗數據就是有效的證明。在光伏發電的并網運行中，由于電網的負載性質，引入MPPT技術后，效率的提高將大于本設計中的實驗數據，意義重大。在本設計中，引入MPPT技術后功率的提高所費的成本與增加太陽能電池板來提高功率相比將占有絕對大的優勢。

[1]楊思俊.基于MPPT技術的光伏路燈控制系統的研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[2]鄭詩程.光伏發電系統及其控制的研究[D].安徽：合肥工業大學碩士學位論文，2005.

[3]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛.太陽能光伏發電及其應用[M].北京:科學出版社，2005.

[4]楊思俊.光伏發電通信基站電源遠程監測系統的設計[J].電子設計工程，2011，19（10）:169－172.YANG Si-jun.The remote monitoring system of photovoltaic energy communication power supply[J].Electronic Design Engineering，2011，19（10）:169－172.

[5]汪令祥.光伏發電用DC/DC變換器的研究[D].安徽：合肥工業大學，2006.

[6]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003，22（3）：18－21.CHEN Wei，LI Jian-hong.Research on the tracker controller methodologies in utilization of solar energy[J].Energy Engineering，2003，22（3）：18－21.

[7]曹祖亮，王斌，王帥.光伏發電系統及其最大功率點跟蹤控制方法比較[J].廣東電力，2010，23（6）:16－19.CAO Zu-liang，WANG Bin，WANG Shuai. Photovoltaic generation system and comparison of control methods for maximum power point tracking[J].Guang Dong Electric Power，2010，23（6）:16－19.