最大功率跟蹤技術在光伏發電系統中的研究

侯聰玲

摘要：本文針對光伏發電系統中最大功率跟蹤技術，提出了5種方法，并對每種方法進行了詳細分析和比較。

關鍵詞：先伏發電；最大功率跟蹤；溫度；光強

中圖分類號：TM615 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2018）012-0361-01

一、引言

隨著環境問題越來越受到重視，使用新型能源已經成為發展的必然趨勢。太陽能取之不盡、用之不竭，無污染等優點在新型綠色能源中得到了快速發展。光伏發電是太陽能光伏利用的主要發展趨勢。但光伏發電系統的費用較高，發電效率低成為制約其發展的重要因素。目前，最大功率跟蹤技術（Maximum Power Point Tracking（MPPT））成為研究領域的熱點，是提高效率的最有效方式之一。

二、光伏發電中太陽能電池的特性

太陽能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉變為電能的器件，其發電受氣候條件影響，輸出功率隨溫度、太陽光強變化而變化，具有非線性特點。

太陽能電池的電路和等效電路如圖（1），其中，太陽能電池等效電路由4部分組成：I_SC代表電池的光電流，R_j代表p-n結的非線性電阻，串聯電阻Rs和并聯電阻R_sh。R_L是電池的外負載電阻，當R_L=0時，所測的電流是電池的短路電流I_SC一般來說，短路電流密度隨照射到硅太陽能板上的光強的增加成正比例的增加。

圖（2）分別是太陽能電池的電流-電壓特性（I-V特性），圖（3）是功率-電壓（P-V特性）。圖（2）顯示了通過太陽能電池陣列傳送的電流和電壓在特定的太陽輻照度條件下的關系。L代表負載曲線，與太陽電池陣列的伏安特性曲線的交點A即為光伏系統的工作點。曲線與橫坐標的交點為太陽能電池陣列的開路電壓，與縱坐標的交點為太陽能電池的短路電流。Pm太陽能電池陣列在一定的溫度和輻射條件下，輸出的最大功率。這點對應的橫坐標Vm，縱坐標Im分別為在最大功率輸出時的最佳工作電流和最佳工作電壓。只有當外電路的電阻和太陽能電池陣列的內阻相等時，負載上才能獲得最大功率。

三、光伏發電中最大功率跟蹤技術

（一）最大功率跟蹤技術的必要性

太陽能發電的低效率、高成本依舊是制約人們開展大規模太陽能發電的主要原因。其中一個原因是光伏發電的輸出特性是非線性，其輸出功率的大小會隨著光照條件、溫環境度情況變化而變化。如果沒有控制器專門跟隨最大功率，系統效率將會較低。

（二）最大功率跟蹤技術的方法研究

1.恒定電壓法

恒定電壓法比較容易實現，具有較高的實際應用和研究價值。由于光伏電池板輸出功率在不同光照下的最大功率點對應的電壓相差很小，可以設定光伏電池輸出電壓為一個固定電壓值進行發電，通過調節DC-DC電壓變換電路的PWM，使光伏電池近似工作在最大功率點。這種方法缺點是沒有考慮溫度改變和光照強度的改變對光伏電池最大功率點產生的不同結果。

2.擾動觀察法

擾動觀察法的主要原理：首先測量當前光伏陣列的輸出功率，然后在輸出電壓上疊加一個較小的變化，增加或者減少輸出電壓。這種較小的變化成為“擾動”。經過不斷擾動，光伏陣列的工作電壓逐漸逼近最大功率點，從而最終工作在最大功率點附近。

擾動觀察法的優點：結構簡單，檢測參數較少，實現方式簡單等優點。缺點：擾動步長的選取很關鍵，如果擾動步長太小，尋找最大功率點速度較慢；擾動步長太大，跟蹤誤差隨之增加，同時功率損耗也將變大。

3.電導增量法

電導增量法是研究和應用較為廣泛的方法。光伏系統輸出功率公式P=VI，對其微分可得

當dP/dV=0時，即可以找到最大功率點。當dP/dV>0時，光伏系統工作在最大功率點左側；當dP/dV<0時，光伏系統工作在最大功率點右側。電導增量法算法實現比較復雜，對硬件要求較高，特別是處理器的速度和傳感器的精度，增加了硬件電路的復雜性和系統的成本。

4.模糊控制法

光伏電池輸出特性就是非線性的，其輸出電壓和電流都隨著光照強度的改變和溫度的變化而隨之改變。而模糊控制法是一種針對非線性系統提出的控制算法。因此，將模糊控制算法應用于光伏發電系統，可以較好地跟蹤最大功率。

模糊控制法主要分為模糊化、模糊推理、反模糊化這三個步驟。第一步：模糊化，將系統的輸入輸出變量轉換成模糊控制器所能識別的輸入量；第二步：模糊規則運算，將專業人士所得的經驗和實際應用程序轉換成模糊控制器的規則，用來判斷、運算的規則；第三步：反模糊化，將模糊控制所得到的模糊運算值轉換成系統的輸出控制信號。

5.神經網絡控制法

神經網絡法也是一種比較新穎的高級人工智能算法，是在現代生物學研究人類大腦成果的前提下，提出讓非生物設備模擬人腦思維方式進行活動的智能算法。光伏發電系統開路電壓、短路電流、溫度、光照強度都可以作為輸入信號，系統輸出信號則是經過計算得出的最優解，如輸出電壓、輸出電流、或者PWM占空比大小等。

四、結語

最大功率跟蹤（MPPT）技術一直是光伏發電系統研究的熱點問題。本文介紹的5種方法具有一定的參考價值和研究意義。