太陽能光伏最大功率點跟蹤控制技術研究

汪春生

摘 要：由于能源危機越來越影響人類的生存，因此，人們越來越關注如何高效利用綠色能源，其中，在人們日常生活中應用最廣泛的當屬太陽能能源，在對太陽能能源利用是離不開太陽能光伏電池的使用，可是，因為光伏電池具有非線性輸出的特點，所以怎樣提高太陽能資源利用率，怎樣使太陽能的輸出能量達到最大化成為了人們關注的重點，進而，最大功率點跟蹤控制技術成為了研究和討論熱點。本文闡述了最大功率點跟蹤控制技術，并提出最大功率點跟蹤控制策略，為后續研究方向提供一定的參考。

關鍵詞：太陽能；最大功率點跟蹤；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.145

1 引言

將太陽能通過太陽能電池直接變成人類可以使用的電能的發電系統稱為太陽能光伏發電系統。它的主要部件是太陽能電池、逆變器、控制器及蓄電池，其中太陽能電池的組成少不了具有光伏特性的特殊半導體材料。太陽能系統的特點是輸出功率受周圍光強、溫度等諸多自然條件的干擾。光伏發電系統具有獨立性強、可以并網運行、較為環保、比較可靠且耐用性高，當它處于自然環境中時，它的輸出特性也會受到干擾，最佳工作地及最大功率點的改變就是最明顯的體現。所以，若想高效利用太陽能可以選擇跟蹤調控太陽能光伏最大功率點。

通過理論研究可以看出，為實現高效利用太陽能光伏發電系統的目標，可以采用一些控制策略，在遵照太陽能光伏發電系統的規律的前提下使太陽能光伏發電系統得到穩定。在以前，主要通過恒壓跟蹤的簡單設計來完成控制光伏發電系統工作，但是，這與最大功率的跟蹤并不相同。本文通過分析恒定電壓跟蹤控制、太陽能光伏發電系統陣列的串并聯數設計以及脈寬調制法這三大類最大功率點跟蹤控制策略，期待為中國太陽能光伏發電系統做出貢獻。

2 最大功率點跟蹤控制策略

2.1 恒定電壓跟蹤控制

環境具有恒定溫度的情況下，無論如何改變光照強度，光伏電池的最大功率點都大致處于相同一條垂直線的兩側，所以，我們可以將一條垂直線大致當作最大功率線，設置一個恒定電壓并讓光伏電池在此電壓下進行工作，以上所述即為固定電壓跟蹤法控制法。在此之前，人們采用在負載與光伏陣列之間進行阻抗變換，讓光伏發電系統變成穩壓器，組成固定電壓式的MPPT的方法進行光伏發電系統最大功率點的跟蹤控制，此法有一個缺點，就是不可以在任意溫度條件下對光電系統的最大功率點進行跟蹤控制。可是，因為在實際操作時，由于周圍環境因素不穩定，溫度會變化不定，所以這種早期技術更適合在恒溫或溫度波動較小的環境下使用。

2.2 太陽能光伏發電系統陣列的串并聯數設計

若固定了光伏發電系統的負載，我們能夠設計或改變光伏系統的發電陣列，保證光伏發電系統在此固定負載下輸出最大功率。因為當太陽的光照強度等因素有了變化，光伏發電系統的輸出阻抗就會隨之而改變，他們二者之間的關系為負相關，即太陽光照強度越弱，光伏發電系統的輸出阻抗就會越大，同樣的，若想使光伏發電系統的輸出阻抗變小，就要增強太陽光的光照強度。另外，經過多年的研究觀察及試驗發現，當光伏發電系統輸出功率達到峰值時，唯能根據太陽光照強度來確定光伏發電系統內部的串并聯數。太陽光照強度比較弱的時候，要保證光伏發電系統內并聯數占多數，串聯數占少數；相對的，當太陽光照強度比較強的時候，光伏發電系統內串聯數占多數，并聯數占少數。所以，在對太陽能光伏發電系統陣列進行設計的過程中，要先確保選用較低耗能的數據采集儀器。然后，要采用可靠、經濟的蓄電池及太陽能發電板。在設計太陽能光伏發電系統陣列時不僅要防止太陽能發電板的系統容量太大，出現浪費的現象；還應該杜絕由于太陽能發電板系統容量太小，在陰雨期不能進行測量的現象出現。

2.3 脈寬調制法

對系統進行控制時選擇用DC/DC變換器的方法為是脈寬調制法。當開關處于開放狀態時，變換器通過對太陽能光伏發電系統信號進行控制，將陣列的直流輸出改變成一個具有可變占空比的PWM波信號，繼而對太陽能光伏發電系統的等效負載進行改變。在實際操作時，通常在對DC/DC變換器進行驅動時選擇采用脈寬調制法，它串聯與太陽能光伏發電系統板，通過對PWM波的占空比進行改變，進而實現使太陽能光伏發電系統電壓達到最大功率跟蹤的目標。將最大功率控制系統串聯到Boost變換器的電路中，同時，采用Matlab技術構建仿真模型，將編制S函數的方法當作最大功率控制的控制模塊，隨之追蹤控制光伏電池的最大功率點。

2.4 其他方法

基于粒子群優化BP神經網絡的光伏電池跟蹤控制技術是通過粒子群優化技術中顯著的尋優功能而提出的；基于模糊邏輯的MPPT技術是通過模糊控制技術針對非線性系統具有良好控制精度特點提出的，此法對響應速度進行了提高，但是因為在面對外界環境的變化時神經網絡有非常強大的自習功能，所以學者們使神經網絡與模糊算法相互融合，提出了更為精確的MPPT控制技術，同時還有光源跟蹤控制法、擾動觀察法、開路電壓法、負載跟蹤控制法等多種最大功率點跟蹤控制法。

3 結束語

綜上所述，太陽能是如今生態環境中可再生能源里面允許進行大規模開發利用、最具有發展前景、綠色程度最高的再生能源，它的潛在力量不容小覷。我們可以依照太陽能光伏發電系統的最大功率點的規律借由一些控制措施使它自身穩定，進而實現最高效利用太陽能光伏發電系統的目標。在科學技術持續飛速發展的當今社會，過去陳舊落后的控制方法顯然已不再符合經濟適用的要求，太陽能最大功率點跟蹤控制的控制器集成化、智能化必將成為一種發展趨勢。本文通過對幾種最大功率點跟蹤控制策略的闡述和分析，總結歸納出脈寬調制法輸出功率既穩定又范圍廣度大，而且具有相當迅速的跟蹤速度，這就對最大功率跟蹤的控制效率進行了有效的提高，所以最為推薦此法。希望本文對太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤控制技術策略的分析和闡述，可以在一定程度上對各位讀者有所幫助，為我國未來的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤控制的研究貢獻一份力量。

參考文獻：

[1]雷元超，陳春根，沈駿.光伏電源最大功率點跟蹤控制方法研究[J].電工電能新技術，2004，23（03）：76-80.endprint