太陽能光伏發電及其最大功率點跟蹤技術

作者簡介：宋風達（1993-），男，漢族，河北省衡水市。助理工程師，本科，單位：榆林國遠風電有限公司，研究方向：新能源管理

郵寄地址：陜西省榆林市靖邊縣（自取），宋風達，18957146255。

太陽能光伏發電及其最大功率點跟蹤技術

宋風達

榆林國遠風電有限公司? ? 陜西? ?榆林? 719199

摘 要：太陽能作為綠色能源之一，由于其可再生性、對環境沒有任何污染以及取之不盡用之不竭等特點，正在逐漸成為可再生能源研究中最受歡迎的一種。在太陽能研究的進程中，低價格、高效率是人們一直追求的目標。最大功率點跟蹤（MPPT）技術是提高光伏發電效率的關鍵技術之一，因此，學習研究最大功率點跟蹤技術并將其應用到光伏系統之中，在學術研究以及工程應用中都具有重大的意義。本文首先對太陽能光伏發電和最大功率點跟蹤的原理做了介紹，然后，對現如今光伏發電中比較常用的干擾觀測法（P&O）、電導增量法（IncCon）和人工智能的模糊邏輯控制法三種最大功率點跟蹤方法進行說明及比較 [1]。

關鍵詞：光伏發電;最大功率點跟蹤;

0前言

我國地處北半球，幅員遼闊，太陽能資源比較豐富，大多數地區日平均輻射量每平方米可高達4kW/h，尤其是在西北地區，日平均輻射量可高達7千瓦時每平方米，我國太陽能每年的儲量理論上相當于1.7萬億噸的標準煤，其開發利用前景非常可觀。

最大功率追蹤技術（Maximum Power Point Tracking）可以根據檢測到的日照強度以及周邊環境溫度，發出信號作用于調整光伏逆變器的直流輸出，讓光伏逆變器發揮最大的發電效果，目的是：使得投資的光伏設備（逆變器+集能板+覆蓋建物+施工成本）具有最大的經濟效益。對于促進光伏產業的蓬勃發展、實現社會的可持續發展具有積極作用。

1 太陽能光伏發電的工作原理

太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池陣列、功率調節器、電能表、線路等組成。早在1839年，法國科學家貝克雷爾（Becqurel）就發現，光伏電池是一種具有光、電轉換特性的半導體器件，將P型硅與N型硅相結合，在太陽光的照射下，電子從化學鍵中釋放，產生電子-空穴對，由于PN型半導體特性導致電子和空穴的擴散，兩種半導體交界區域形成一個電勢差，從而產生電壓和電流。這種現象后來被稱為“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。如下圖1-1所以既為光伏電池在太陽光的照射下產生電能的過程。

圖1-1 光伏電池受光發電的原理圖

1.1 太陽能光伏電池的等效模型

每個光伏電池單元的模型可以看作是一個恒電流源，然后并入一個正向的二極管。其等效電路模型如如1-2所示

圖1-2光伏電池等效電路圖

在圖1-2中，光伏電池產生的內部電流為Iph，該電流的大小由光照強度以及光伏電池的面積大小決定;Id為在無光照的情況下光伏電池內部流經二極管的暗電流;Rs為光伏電池內部的等效電阻，一般情況下比較小;I為光伏電池輸出的負載電流; U為光伏電池的開路電壓，與環境溫度成反比，與光照強度的對數成正比，與光伏電池的面積大小無關;

2 常用的最大功率點跟蹤方法

2.1 最大功率點的跟蹤原理

太陽能電池板為非線性電源，其輸出特性通常與光照、溫度和負載R有關，在光照個溫度一定的情況下，太陽能電池板可以設置輸出不同的電壓，當電壓達到某一個特殊值時，輸出功率最大。在光伏系統中，為了提高光伏系統的效率，需要實時調整光伏電池的工作點，即系統要能跟蹤太陽電池輸出的最大功率點。而實現最大點跟蹤的方法就是通過不同的跟蹤算法來完成。

2.2 干擾觀測法

該方法又叫爬山法或登山法。其基本原理就是首先讓光伏電池工作在某一參考電壓下，每隔一段時間增大或減小輸出電壓，若發現輸出功率變大，則繼續向相同的方向改變電壓，否則向相反的方向改變電壓，電壓的該變量稱為步長，以此可以不斷逼近光伏電池的最大功率點，最終在其附近較小的范圍內往復振蕩運行達到動態平衡。

圖2-1 干擾觀測法的控制原理圖

如上圖2-1所示，首先設定一個參考電壓U0，此時我們可以得到輸出功率為P0，然后等待一個設定好的時間間隔以后，增加或者減小電壓使其變為U1，此時我們可以得到此刻的輸出功率P1，如果P1大于P0，測表明電壓的擾動方向為正方向，即說明此時的輸出功率正在逐漸靠近最大功率點處，輸出電壓小于Umax，則下一步的擾動方向依然和上步相同;如果P1小于P0，測表明電壓的擾動方向為反方向，即說明此時的輸出功率正在逐漸遠離最大功率點處，輸出電壓大于Umax，則下一步的擾動方向應該和上步相反【2】。

2.3 電導增量法

電導增量法也是在光伏系統中應用較為廣泛的一種跟蹤方法，其控制思想和干擾觀測法大致相同，通過比較光伏電池的電導增量和瞬間電導來改變系統的控制信號。從2.2.1中圖2-1中可以看出，光伏電池的功率—電壓輸出特性曲線可以看出，光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，最大功率點處于曲線頂點。由此可得該方法的數學模型是：

由公式可得以下三個結論：

① ，光伏電池工作在最大功率點處

② >0，光伏電池工作在最大功率點左側，應該提高輸出電壓

③ <0，光伏電池工作在最大功率點右側，應該減小輸出電壓

電導增量法實際應用中，需要給出一個合適的閾值E，并設定時系統工作于最大功率點處，當電導增量值小于這個閾值時，無需改變工作點;當電導增量值大于這個閾值時，需要相應的變化工作點。所以選擇合適的閾值非常關鍵。該方法的優缺點跟干擾觀測法差不多，因為其設定了閾值，其穩態精度的震蕩比擾動觀測法小，適用于大氣條件變化較快的場合。該方法的缺點在于它對控制系統的硬件要求較高，特別是對傳感器的精度和各個部分響應速度要求較高，增加了一定的成本。

2.4模糊邏輯控制法

模糊邏輯控制簡稱為模糊控制，該控制理論由美國加州大學自動控制系的L.A.Zedeh教授提出，開創了模糊控制學的基礎。

模糊控制的控制過程分為三步：第一步是首先采集變量信息，并將信息模糊化;第二步則是結合知識庫進行模糊決策，即通過輸入的模糊集合得到輸出的模糊集合;第三步則是將輸出的模糊集合進行結模糊化，得到精確量，作用于被控對象。

模糊控制的基礎是建立在模糊邏輯上面，不需要太精確的數學模型。它比傳統的邏輯系統更接近于人類的思維和語言表達方式，使得操作人員易于接受。在一些復雜系統，特別是系統存在定性的不精確和不確定信息的情況下，模糊控制的效果常優于常規控制 。模糊系統的組成如圖2-2所示。[3]

模糊控制亦存在其不足之處，由于發展歷史還不夠長，在實際的應用場合中，往往需要大量的前人的研究數據，事先對相關的參數進行設定，從而導致模糊控制算法的設計難度較大，而且其運算量比較大，理論上的系統性和完善性，技術上的成熟性和規范性都還是不夠的。在上述方面還需要進行進一步做深入的研究。在國際大趨勢的推動下，模糊控制已經開始和向多元化和交叉學科方向發展。在未來的研究領域，這也必然將成為熱點。[4]

3 結語

由上述幾種算法控制效果以及成本之間的對比可以看出，動態響應快、穩態精度高的控制方法必然是建立在高成本的基礎上，所以可以推測出未來MPPT算法的幾種發展趨勢：

1）為了追求大型光伏系統的發電效率，未來的發展趨勢必然是像模糊控制、神經網絡控制這樣的人工智能方法，設計靈活性強而且穩態精度高。

2）為了節約成本，一些小型的發電項目，比如太陽能路燈等對控制精度要求不是很高的場合，可以采用干擾觀測法、恒定電壓法進行MPPT控制，在硬件的投入上可以節約不少。

3）將之前提出的算法進行混合，優缺點進行互補，既可以提高發電效率，又可以減少硬件方面的投入。

隨著對運算控制器的性能進行不斷地提高，以及對人工智能方法的理論方面不斷完善，在跟蹤效率以及成本降低方面一定會實現雙提高。

參考文獻

[1]趙爭鳴，陳劍等著.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]趙慶平，姜恩華，朱旋. 基于MATLAB的光伏電池最大功率點跟蹤研究[N].吉林師范大學學報.2013（5）：26～27.

[3]李人厚.智能控制理論和方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

[4]李國勇著.神經模糊控制理論及其應用[M].電子工業出版社，2009.