光伏發電系統最大功率點跟蹤技術研究

溫利民

摘 要：當今世界，能源短缺與環境污染已成為人類社會可持續發展的阻礙，大力發展綠色再生能源成為發展的趨勢，光伏發電以其獨特的優勢，成為未來最具潛能的替代能源。最大功率點跟蹤是光伏發電系統的關鍵技術，此技術可最大限度提升光伏發電效率。為此，本文在全面了解光伏發電重要性的基礎上，結合最大功率點跟蹤控制工作原理，對當前常用的光伏發電系統最大功率點跟蹤算法進行闡述，并提出了改進優化方法，以期更好地保證光伏發電系統運行穩定。

關鍵詞：光伏發電系統;最大功率點跟蹤;恒定電壓法

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）29-0138-03

Research on Maximum Power Point Tracking

Technology of Photovoltaic Power System

WEN Limin

（Henan Engineering Co.， Ltd. of POWERCHINA，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Nowadays， energy shortage and environmental pollution in the world have become obstacles to the sustainable development of human society， and the development of green renewable energy has become the development trend. Photovoltaic power generation， with its unique advantages， has become the most potential alternative energy in the future. Maximum power point tracking is the key technology of photovoltaic power generation system. The application of this technology can maximize the efficiency of photovoltaic power generation. Therefore， based on a comprehensive understanding of the importance of photovoltaic power generation， combined with the principle of maximum power point tracking control， this paper expounded the current common maximum power point tracking algorithm of photovoltaic power generation system， and proposed an improved optimization method， in order to better ensure the operation stability of photovoltaic power generation system.

Keywords： photovoltaic power generation system;maximum power point tracking;constant voltage method

工業革命以后，煤炭、石油、天然氣等資源大規模地涌入人們的視野。能源結構的調整與改變將對世界經濟發展做出積極的貢獻。但與此同時，人類長期不規范的開采活動，促使傳統能源環境問題愈演愈烈，如何在能源問題上謀求新的出路，如何合理開發和利用可持續新型環保性能源成為當前亟待解決的難題。太陽能作為一種可再生能源，資源極為豐富，光伏發電是一種直接將太陽能轉化為電能的新型技術，相比火力發電等方式，光伏發電優點較多，如清潔、安全、經濟等[1，2]。預計2020年，在世界總能源需求量中，光伏發電量將占據1%，到了21世紀晚期，占比將達到50%。

1 光伏發電的重要性

據不完全統計，基于太陽能資源的豐富性，我國太陽能年輻照總量在502萬kJ/m2，在國土面積中，年日照時數在2 200h以上的地區就超過75%，具體如表1所示。由此可見，在太陽能資源利用與開發中，我國具有良好的適用性。但相比西方發達國家，我國分布式光伏發電的普及還存在很多差距，仍屬于初步階段，但后續發展勁頭強大。2013—2018年，我國光伏產業鏈成本下降幅度較大，已顯現出可觀的經濟收益，因此，光伏發電具有強大的優勢，在未來長期能源戰略中將占據至關重要的地位。

隨著光伏產業的迅速發展，其供需關系也發生了諸多改變，利用先進的技術可進一步減少成本、提升效率，這也是當前光伏產業發展的重點，特別是最大功率點跟蹤（MPPT）技術的應用，為改善光伏系統效率問題提供了技術支撐。

2 最大功率點跟蹤控制工作原理

最大功率點跟蹤是光伏發電系統的主要技術之一，也就是說，可通過跟蹤最大功率點工作狀態，利用一系列調節與設置方法，將狀態調至最佳化，從而取得最大輸出功率。按照電路內最大功率傳輸定理，可利用合理化操作，保證光伏發電系統輸出功率與最大輸出功率接近或一致，以此提升整個系統的工作效率。若光照與溫度恒定不變，那么電流和電壓之間將形成一種非線性的關系。伴隨電壓的變化，輸出功率自身也會出現改變，這時并不能完全顯示最大功率，為了獲取最佳效果，可采用調節開關器件占空比的方法來設置。

3 光伏發電系統最大功率點跟蹤算法

開路電壓比例系數法、恒定電壓法、擾動觀察法等均為常見的傳統最大功率點跟蹤算法[3-5]，每一種算法的特點各有不同，同時也存在一定問題，因此，在具體應用中，若使用不當，極易對實際使用效率造成嚴重影響。基于此，人們結合實際工作，合理選擇算法。

3.1 開路電壓比例系數法

溫度、光照強度等均會對光伏發電系統造成影響，其中影響最大的為光照。為此，在最大功率輸出點，光伏電池陳列的電壓與開路電壓之間存在一定關系，可用式（1）表示。

[Um=K×Uoc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Um]為光伏電池最大功率點位置的電壓;[Uoc]為光伏電池的開路電壓;[K]為比例常數，一般小于1（0.71～0.80）。

通常，光伏電池型號各異，其[K]值大小也存在區別。為此，可通過開路電壓比例系數法測算出光伏發電系統的最大功率輸出點。相比其他算法，該算法具有兩大優勢。其一，測算穩定性較高，產生的振動不大，結果可靠性高;其二，便于操作。其缺點主要是結果往往不夠準確，僅屬于一個相似點，精確度不高。若想要獲取精確值，必須將外電路所帶負載斷開，但這種方式極易造成功率損耗，因此，在具體應用中必須做好全面思考。

3.2 恒定電壓法

通過電壓控制，保證電壓始終處于一個恒定狀態從而跟蹤最大功率輸出點，這種方法被稱為恒定電壓法。在最高點位置或其周圍控制最大功率輸出點，恒定電壓跟蹤法可以保證以最大效率運轉光伏陣列，最大化輸出電流。

3.3 擾動觀察法

最大功率點兩側光伏器件的[dpdv]具有相反符號（[dp]為設定的功率浮動范圍;[dv]為電壓擾動量），在最大功率點兩側，擾動觀察法就是通過光伏器件[dpdv]符號的不同特點進行測定的。此算法可對光伏器件的MPPT電路工作狀態進行優化、調整。

3.4 電導增量法

電導增量法通過分析及觀測光伏發電中動態電導與瞬時電導之間的關系，進行最大功率點跟蹤。最大功率點兩側電池工作點位置不同，則工作效率也不盡相同，如兩者重疊，則[dpdv]=0，若位置不同，則等式前后不等。因此，通過此算法，人們可以對光伏電池工作點不同位置的具體情況進行觀測，并找出變化規律。

4 常規MPPT控制方法的改進優化

每一種算法都具有不同的優勢，在最大功率點跟蹤控制中，算法使用情況不同，則側重點也有所不同。為了彌補算法中的不足之處，可針對常規MPPT控制方法進行改進與優化，如采用復合型算法對最大功率點進行跟蹤。本文針對兩種復合型算法進行了分析，并在此基礎上探討了改進優化方法的建模及仿真情況。

4.1 恒定電壓法結合擾動觀察法

擾動觀察法是常規MPPT算法的一種，其特點為需對擾動步長進行固定，然而固定之后無法改變整個擾動步長。該算法具有穩定性，但很難有效兼顧跟蹤速度等方面。若擾動步長設置較長，則會加快跟蹤速度，此時將大大降低系統的穩定性，并產生明顯的震動。反之，則速度受影響。為了解決此算法速度與穩定性之間的矛盾，其可以結合恒定電壓法。在確保光伏電池工作狀態良好的前提下，按照電池狀態進行擾動步長設定，此時可對最大功率點進行有效、準確的跟蹤，若電池工作狀態還無法達到最大功率點輸出，則需適當增加步長，此時將加快速度，保證最大功率點跟蹤的速度。若即將達到最大功率輸出，步長設置可適當減短，提高系統穩定性，以便跟蹤到最大功率。

4.2 恒定電壓法結合電導增量法

一般在最大功率點右側會存有一個區域，若電池工作點在此區域內，則電壓值或電流值將發生較大變化，若在此區域外，則變化小。為了解決此類情況，可采用電導增量法。

最大功率電壓和開路電壓之間存有一定關系，即[Um=K×Uoc]，[K]為比例常數，范圍在0.71～0.80。同時，光伏電池的恒流范圍和恒壓范圍也存有差異，一般恒流范圍至少為恒壓范圍的4倍，若恒流范圍包括電池工作點，此時電壓將在最大功率點電壓以下，這種情況下，就必須通過增大電池電壓的方法獲取最大功率點。此外，電壓擾動量影響電流量較小，為了快速跟蹤到最大功率點，就必須選用較大擾動量。反之，若在恒壓范圍內，電池電壓正常工作，與最大功率點電壓相比，電池電壓較大，這種情況下就需要減小電壓。電壓影響電池電壓的程度較大，此時，為了降低電壓，可設定一個較短的擾動步長進行最大功率點跟蹤。具體操作流程如下：開啟系統，采用恒定電壓法，對于采樣開路電壓，根據關系式，啟動電壓設計點采用0.78倍光伏電池的開路電壓值，不斷增加光伏電池電壓，并逐步接近最大功率點，當兩者電壓一致后，進入第一階段;待系統狀態穩定之后，可通過擾動步長進行最大功率點跟蹤。

4.3 改進優化方法的建模及仿真

在改進優化方法之后，可建立MPPT控制模塊子系統仿真模型。通過模型可知，當采用新算法進行最大功率點跟蹤計算時，在極短時間內，光伏電池發電功率便可滿足最大功率輸出點且保持較長時間。在最大功率輸出點發電時，其具有相對較為穩定的功率，產生的波動較小，此時表明設計中所采用的算法跟蹤控制方法效果顯著。

進一步設置T=25℃為恒定溫度，若溫度恒定不變，僅對光照強度做出改變，可得出，當t=0.1s，光照強度將有所增加，可由800W/m2增至1 000W/m2，這個階段波形圖也會發生較大變化，幅度也有所增加。

為了進一步驗證結果的正確性，做了對比試驗分析，此次保證光照強度相同，僅對溫度變化后的數據進行分析。當光照強度為1 000W/m2時，t=0.1s，外部溫度將有所提升，由20℃增加到35℃。當溫度產生改變時，最大輸出功率點也將改變，在溫度增長的同時，最大輸出功率點將會下降，兩者呈反比。在短時間內利用此方法可快速跟蹤到最大輸出功率點，且具有較強的抗干擾能力，能夠保證整個輸出狀態穩定。

5 結語

在人類社會發展中，能源是最主要的動力來源。作為人類賴以生存的唯一家園，地球承載著無數人的希望與夢想。如果人類盲目地開采與使用有限的化石能源，那么人們賴以生存的環境將被嚴重破壞，甚至會出現化石能源枯竭的情況。當前，能源短缺是阻礙全球經濟發展的主要因素，而光伏發電作為一種新的發電方式，以其無污染、無噪音、維護簡單等優勢得到了人們的廣泛關注，是未來新能源的主要力量。于光伏發電系統輸出效率而言，最大功率點跟蹤（MPPT）技術的應用可有效改善其輸出效率，并能顯著提升太陽能的利用率。這項技術可保證光伏發電系統每時每刻均在最大功率點運行，促使系統以最大功率狀態輸出。

參考文獻：

[1]汪義旺，曹豐文，張波，等.光伏發電系統最大功率點快速跟蹤控制研究[J].電力電子技術，2010（10）：14-16.

[2]楊琳霞.光伏發電系統最大功率點跟蹤控制的研究[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2013（4）：17-19.

[3]葉超，張耀明，高留民.光伏并網發電系統最大功率點跟蹤算法的研究[J].科技風，2013（24）：50-50.

[4]馮佩云，馮俊青，段小匯.光伏發電系統最大功率點跟蹤研究[J].軟件導刊，2018（12）：173-176.

[5]田英，羅彧，于寧.光伏發電系統最大功率點跟蹤算法研究[J].火炮發射與控制學報，2013（1）：93-96.