光伏发电系统最大功率点的跟踪方法研究

《 》 2009 年第 6 期图 2 干扰观察法流程图摘 要 ： 针对光伏发电系统中最大功率点跟踪算法 ， 文章阐述和评价了 3 种常见的最大功率跟踪方法 ： 恒定电压法 、 扰动观测法 、 电导增量法 ， 并分析此 3 种基本自寻优算法的追踪效果 。关键词 ： 光伏发电 ； 最大功率点追踪 ； 算法中图分类号 ： TM615 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1672-0547 （ 2009 ） 06-0087- 02当今社会能源日益紧张， 环境污染日趋严重， 太阳能以其清洁无污染取之不尽用之不竭的特点， 越来越受到全世界的关注 。 光伏电池的输出为非线性特性， 输出功率受工作电压 、 光照强度 、 负荷状态和环境温度等因素的影响， 太阳能电池输出的最大功率点时刻都在变化 。 所以在实际应用中， 利用最大功率点跟踪技术提高对太阳能的利用效率 。最大功率跟踪控制 （ MPPT-the maximum power pointtracking ） 是一种光伏阵列功率点控制方式 。 通过实时检测光伏阵列的输出功率， 采用一定的控制算法， 不断调节系统的工作状态， 来跟踪光伏阵列的最大功率点， 实现系统的最大功率输出 。MPPT 技术实施最重要的是寻找合适的 MPPT 控制算法，能在各种不同的日照和温度环境下有效地跟踪最大功率点， 控制电池板尽可能地工作在最大功率点上 。 MPPT 控制一般分为自寻优和非自寻优方法两大类型 。 自寻优算法就是根据直接测量的电信号， 来进行最大功率点的追踪， 主要包括恒定电压法 、电导增量法 、 扰动观测法以及基于扰动观测法的改进自适应算法 。 非自寻优算法则是通过外界环境因素 （ 如温度和光照 ） 的变化， 利用数学模型或查表方法确定最大功率点， 主要为曲线拟合法 。一 、 恒定电压跟踪法 （ Constant Voltage Tracking-CVT ）图 1 为太阳能电池的 P-U 曲线图，太阳能电池的最大功率点 A， B， C， D， 当温度一定时， 最大功率点基本在一根垂线的两侧， 我们可把最大功率线近似看成是电压值是常数的一垂直线， 这就是恒压跟踪法的工作原理 。CVT 控制思路是将输出电压控制在该电压处， 这样太阳能电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处 。 但这种方法没有考虑到光伏电池表面温度对其开路输出电压的影响， 一般硅型光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响， 在同样的光照强度下， 最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下， 如果仍然采用恒定电压控制策略， 阵列的输出功率将会偏离最大功率点， 产生较大的功率损失 。优点： 控制策略简单 、 稳定性较高 、 易于实现 。缺点： CVT 跟踪方式没有考虑到太阳能电池结温对开路电压的影响， 所以能量损失较大， 且不能准确地跟踪到太阳能光伏电池的最大功率点， 只是一种近似最大功率跟踪方法 。二 、 扰动观察法扰动观察法（ Perturbation and Observation method-P&O ）是目前实现 MPPT 常用的算法之一 。 其原理是在光伏阵列正常工作时， 每隔一定的时间用较小的步长改变太阳能电池的输出电压， 方向可以是增加也可以是减少， 并检测功率变化方向， 来确定寻优方向， 如果输出功率增加， 那么继续按照上一周期的方向继续 “ 干扰 ” ， 否则改变其扰动方向 。 其算法流程如图 2 所示， U（ k） 、 I（ k） 为光伏阵列的当前输出电压 、 输出电流， P（ k-1） 为上一周期的采样值 。由于始终有 “ 扰动 ” 的存在， 系统工作点无法稳定运行在最大功率点上， 只能在最大功率点附近振荡运行， 而振荡的幅值则由步长决定 。 然而扰动步长如果过大， 则在最大功率点附近的振荡就比较大， 相应的功率损失较大， 但跟踪的速度快； 相反光伏发电系统最大功率点的跟踪方法研究倪 琳（ 铜陵学院 ， 安徽 铜陵 244000 ）收稿日期 ： 2009-08-31作者简介 ： 倪 琳 （ 1969- ）， 女 ， 安徽无为人 ， 铜陵学院电气工程系讲师 ， 研究方向 ： 电力电子技术 。基金项目 ： 安徽省教育厅自然科学研究项目 《 一种新型太阳能路灯智能控制器的研究 》（ 编号 ： KJ2008B04ZC ）。图 1 太阳能电池 P-U 曲线图工 程 科 技87- -《 》 2009年第 6 期若步长取的过小， 虽然功率损失减小， 但跟踪的速度太慢， 那么系统的响应速度则降低 。 当日照随时间变化不快时， 此算法是非常有效； 当光强发生突变时， 跟踪算法可能会失效， 得到错误的跟踪方向 。优点： 原理简单， 测量参数少， 转换效率高， 硬件实现较为方便， 所以应用广泛 。缺点： 步长对控制精度和速度影响较大， 步长与精度不能兼顾； 系统工作点无法稳定在最大功率点上， 导致一部分功率的损失； 因算法不严谨， 对外界环境变化的响应能力较差， 故只适用于光强变化小的环境； 控制算法较复杂， 对控制系统要求高 。三 、 电导增量法电导增量法又称作导纳微增法（ Incremental ConductanceMethod） 是目前常用的 MPPT 控制算法之一 。 其主要原理是根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压 。 通过光伏阵列功率电压曲线可知最大功率在斜率为零处 。故： P=U× I （ 1）dPdU =I+UdIdU =0（ 2）dIdU =-IU （ 3）由图 3 可知： 当 dp/du=0 ， 在最大功率点处；当 dp/du ＜ 0， 在最大功率点右边；当 dp/du ＞ 0， 在最大功率点左边 。导纳的增量可决定是否已经达到最大功率点， 故在该点处停止对工作点的扰动 。 如果条件不成立， 最大功率点扰动方向可以通过公式（ 3） 的关系来计算 。 其算法流程如图 4 所示， U（ k） 、 I（ k） 为光伏阵列的当前输出电压 、 输出电流， U（ k-1 ） 、 I（ k-1） 为上一周期的采样值 。优点： 在光照和温度变化时， 太阳能电池阵列的输出电压能平稳地追随环境变化， 使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点， 而不是来回的跳动， 系统稳定在局部最优点上， 不会出现误判断的过程， 可以使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能 。 电压波动较扰动观察法小， 是多种最大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法 。缺点：对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，需增加额外的硬件电路； 依靠改变光伏方阵的输出电压来达到最大功率点， 系统需要较多的转化时间， 将损失部分功率； 其算法较为复杂 。四 、 结论恒定电压跟踪法只需检测一个参数， 控制简单， 但测量开路电压要中断系统正常工作， 且采用的控制关系是近似的， 不能实现最优控制， 故而此算法控制精度低， 只适用于小功率场合 。扰动观察法和电导增量法虽然具有很高的跟踪效率， 但由于电信号的采样值， 会受到传感器等元件精度的限制 。 当光线很弱时， 输出功率很小， 这两种算法容易引起错误跟踪， 增加功率损耗， 这种情况下采用恒定电压法具有良好的跟踪效果 。电导增量法的跟踪效率优越于扰动观测法和恒定电压法 。但是其算法复杂， 对硬件要求更高， 故多在大容量的光伏发电系统的 MPPT 装置中采用 。参考文献 ：［ 1］ 徐鹏威 ， 刘 飞 ， 刘邦银 ， 段善旭 ． 几种光伏系统 MPPT 方法的分析比较及改进 ［ J］ . 电力电子技术 ， 2007， （ 5）： 3-5 ．［ 2］ 李 玲 ， 谢 建 ， 杨祚宝 ． 光伏系统最大功率点跟踪方法 ［ J］ .可再生能源 ， 2007 ， 25（ 2）： 85-87 ．［ 3］ 崔 岩 ， 蔡炳煌 ， 李大勇 ， 胡宏勋 ， 董静微 ． 太阳能光伏系统 MPPT控制算法的对比研究 ［ J］ . 太阳能学报 ， 2006，（ 6）： 535-539 ．［ 4］ 李 晶 ， 窦 伟 ， 徐正国 ， 彭燕昌 ， 许洪华 ． 光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究 ［ J］ . 太阳能学报 ， 2007，（ 3）： 268-273 ．［ 5］ 杨海柱 ， 刘 洁 ， 张育自 ． 基于 DSP 的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究 ［ J］ . 河南理工大学学报 ， 2008，（ 8）： 442-445 ．［ 6］ KOBAYASHI K ， MATSUO H， SEKINE Y. An excellentoper -ating point tracker of the solar-cell power supply system ［ J］ .IEEE Trans on IE ， 2006 ， 53（ 2）： 495-499.［ 7］ NoguchiT ， Togashi S， Nakamotob R.Short -current pulsebasedmaximumr power point tracking method for multiple photovolta -ic-and-converter module system［ J］ . IEEE Transactions on In-dustrial Electronics ， 2002 ， 49（ 1） : 217-223.［ 8］ Nicola Femia， Giovanni Petrone， Giovanni Spagnuolo， et al.Opti -mization of Perturb and Observe Maximum Power Point Track -ing Method ［ J］ . IEEE Trans. on Power Electronics ， 2005， 20（ 4） :963-973.［ 9］ 牛丹凤 ． 光伏并网发电系统的最大功率跟踪研究 ［ D］ ． 新疆大学硕士学位论文 ， 2007 .图 3 太阳能电池的输出特性图 4 电导增量法的流程图88- -