光伏發電系統的最大功率點追蹤控制方法探討

劉金山，劉啟航

（1.國能青海黃河瑪爾擋水電開發有限公司，青海 西寧 810000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

0 引 言

太陽能光伏發電是種可再生能源發電技術，具備資源豐富、無污染、無噪聲以及簡易維護等優勢，廣泛應用于能源領域。為提高太陽能的利用效率，降低發電成本，最大功率點跟蹤技術成為改善光伏系統性能的有效途徑。因此，文章深入分析光伏發電系統的工作原理、輸出特性及最大功率點跟蹤機理，全面探討最大功率點追蹤控制方法存在的問題，并提出一系列針對光伏發電系統最大功率點追蹤控制的優化策略，以解決現有控制方法在實際應用中面臨的挑戰，提高光伏發電系統的效率和運行穩定性。

1 光伏發電系統概述

1.1 光伏發電系統原理

太陽能發電以光伏發電為主，即利用太陽能電池直接將太陽光轉化為電能。太陽能電池基于光生伏特效應工作，當晶體硅吸收光線后，會在PN 結區域中產生正負電荷對。這些電荷分離后，會形成外電流場，進而產生電流。電流經過負載后流至電池的負端，將太陽光輻射能直接轉化為電能。光伏發電系統主要由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器以及蓄電池組組成。光伏發電技術具有綠色、無污染、無噪聲等特點，是當前能源領域關注的重點。通過不斷改進與優化，太陽能光伏發電系統將更好地滿足清潔、可再生能源需求。光伏發電系統的等效電路模型如圖1 表示。

圖1 光伏發電系統等效電路模型

1.2 光伏發電系統的輸出特性

光伏電池的輸出受外部環境溫度和光照強度的雙重影響，呈現出明顯的非線性特性。在相同溫度下改變光照強度時，光伏電池的輸出功率通常光照強度之間近似呈線性關系。類似地，對于相同光照強度而言，光伏電池的輸出功率與溫度表現出負相關關系，即在較低溫度條件下，輸出功率相對較高。同時，在特定的溫度和光照條件下，電壓與功率（U-P）之間的關系表現為二次函數[1]。在U-P關系圖中，每一條曲線都清晰地展示了光伏電池的輸出功率與輸出電壓之間的對應關系。這些曲線中均存在一個明確的最大功率點，且最大功率點對應的輸出電壓是唯一的。因此，最大功率點跟蹤控制方法的引入至關重要，通過調整系統工作點，確保在不同光照條件下系統始終運行在最大功率點，從而最大限度地提升光伏系統的整體性能。

1.3 光伏發電系統的最大功率點跟蹤

太陽能電池板的輸出特性受光照強度、環境溫度及負載等多因素的綜合影響。在特定光照和溫度條件下，電池板可采用不同的輸出電壓工作，但最大功率點的位置會因受到外界因素的影響而發生變化。因此，為最大限度地利用電池板輸出，提升系統效率，需要實時調整工作點，使其保持在最大功率點附近[2]。最大功率點追蹤技術通過調整電池板電壓或電流，使系統在不同光照下均達到最大功率點，如擾動觀察法、模糊控制法等。這些方法通過實時監測光照和電池輸出，自動調整電壓或電流，確保系統的高效運行。

2 光伏發電系統的最大功率點追蹤控制分析

2.1 常見的最大功率點追蹤控制方法

常見的光伏發電系統最大功率點追蹤控制方法包括擾動觀察法、導納增量法、間歇掃描法、模糊控制法以及斐波那契搜索法等，對于確保光伏發電系統的穩定運行具有重要意義[3-4]。

2.1.1 擾動觀察法

擾動觀察法是光伏發電系統常用的最大功率點追蹤方法，即通過微小擾動調整光伏系統工作狀態，使其保持在最大功率點附近。通過對光伏陣列輸出電壓或電流進行微小調整，并觀察輸出功率的變化情況，以確定調整方向。盡管該方法簡單易實現，但在光照變化過快或存在陰影的情況下可能出現振蕩，影響系統穩定性。因此，在選擇最大功率點追蹤方法時需要綜合考慮方法的優勢和局限性，確保系統的穩定運行。

2.1.2 導納增量法

導納增量法是一種用于追蹤光伏發電系統最大功率點的先進控制策略。其工作原理是基于對導納變化率的比較結果判斷光伏系統當前工作點相對于最大功率點的位置，通過調整光伏電池的電壓實現對最大功率點的精準跟蹤。導納通常指光伏系統的微分導數，即對電壓的微分除以對電流的微分。導納增量法利用導納與最大功率點相關的特性，實現在不同光照和溫度條件下的高效跟蹤。

2.1.3 間歇掃描法

間歇掃描法是一種簡單且經濟高效的光伏發電系統最大功率點追蹤方法，即采用間歇性脈沖的方式改變電池電壓，通過觀察功率變化來尋找最大功率點。其優點在于簡單易實現、成本低廉，但可能因間歇性脈沖而導致系統振蕩，從而降低系統的穩定性和效率。盡管間歇掃描法存在局限性，但在某些特定條件下仍具有一定應用潛力。因此，在選擇最大功率點追蹤方法時，需綜合考慮系統要求、環境條件和成本因素。

2.1.4 模糊控制法

模糊控制法是一種先進的光伏發電系統最大功率點追蹤控制方法，借助模糊邏輯系統綜合分析多個影響因素，通過調整電池電壓以實現最優運行狀態。該方法的優勢在于適應性強，能有效處理非線性和復雜系統，具有較強的穩定性和健壯性。但其性能高度依賴于規則設計和參數選擇，如果設置不當可能會導致性能下降。

2.1.5 斐波那契搜索法

斐波那契搜索法是一種用于確定光伏發電系統最大功率點的方法，通過斐波那契數列的比例關系來逐步縮小搜索范圍，以實現對最大功率點的精確搜索。該方法具有收斂速度快、準確定位最大功率點、能夠處理功率突變情況等優勢。通過靈活調整搜索范圍，能夠有效地適應光照輻射變化，因此具有高效性。

2.2 追蹤控制方法存在的問題

目前，光伏發電系統最大功率點追蹤控制方法具有優勢，也具有劣勢[5]。例如，擾動觀察法簡單易實現，但在光照變化過快或存在陰影的環境中可能產生振蕩，影響系統穩定性；導納增量法適用于光照和溫度變化較大的環境，但使用過程相對復雜，可能引入過多計算；間歇掃描法簡單易實現，但存在振蕩，適用性受限；模糊控制法適用于非線性和復雜系統，但相對復雜，需要調整較多的參數；斐波那契搜索法收斂速度相對較快，能夠準確定位最大功率點，但實現相對復雜，計算成本較高。這些方法的共同問題是在特定環境下難以綜合考慮光照、溫度等多個因素的影響，且某些方法可能會在特定條件下產生振蕩，或收斂速度不理想。

3 伏發電系統的最大功率點追蹤控制優化策略

3.1 控制方法優化

為提高光伏發電系統的最大功率點追蹤控制效能，可以采用混合型控制方法，即綜合利用不同的最大功率點追蹤技術，使系統能夠在多樣的環境條件下實現自適應切換，從而提升系統的穩健性。通過設計智能控制器，運用機器學習算法對環境因素（如光照、溫度等）進行實時學習和調整，使系統可以靈活地選擇最適合當前條件的最大功率點追蹤方法，從而獲得最佳性能。針對振蕩或收斂速度不理想的問題，引入先進的控制算法成為一種有效途徑。強化學習和深度學習技術能夠更好地捕捉系統的非線性特性，提供更準確的建模和優化能力。這些算法通過不斷學習環境變化和系統響應，能夠動態地調整最大功率點追蹤策略，從而在復雜的光伏系統環境中實現更為精準和高效的最大功率點追蹤。因此，通過混合型控制方法和先進的算法優化，光伏發電系統可以在多變的工作條件下更為靈活、智能地選擇和調整最大功率點追蹤策略，提高整體系統的性能和適應性。

3.2 系統集成優化

借助優化算法能夠解決最大功率點追蹤方法復雜度和計算成本較高的問題，如引入硬件加速技術或優化編程語言，以提高系統的計算性能。通過對系統進行集成優化，可以在不降低準確性的前提下減少計算成本，使最大功率點追蹤方法更為實用。此外，可以制定更高效益的硬件方案，如專門設計的節能型處理器，以提高最大功率點追蹤方法的實際應用效果。節能型處理器在執行最大功率點追蹤算法時能夠以更高的能效運行，從而降低系統的整體功耗。通過采用專門設計的硬件，系統可以更有效地執行復雜的最大功率點追蹤算法，滿足用戶對光伏發電系統的高性能要求，并降低計算成本。因此，從系統集成優化角度出發，采用節能型處理器等成本效益高的解決方案，可以有效解決系統復雜度和計算成本高的問題，從而提高最大功率點追蹤方法的實際應用效果。

4 結 論

文章深入探討了太陽能光伏發電系統的最大功率點追蹤控制，通過對光伏發電系統原理、輸出特性及最大功率點跟蹤機理的詳細分析，系統地介紹了幾種常見的最大功率點追蹤控制方法，包括擾動觀察法、導納增量法、間歇掃描法、模糊控制法及斐波那契搜索法。同時，對每種方法的工作原理、優缺點進行了深入剖析，提出了相應的優化策略。通過采取控制方法優化和系統集成優化等策略，可以提高光伏發電系統的效率，更好地滿足人類對清潔、可持續能源的需求，并為環境問題提供切實可行的解決方案。