基于无源控制的光伏发电系统MPPT技术研究

王鹏

摘要：随着时代的进步和社会经济的发展，能源需求越来越大，但是地球上的能源资源是有限的，那么人们就开始利用太阳能资源。传统的单级式光伏并网发电系统，因为只有一级能量变换系统，那么在光伏阵列输出功率的影响，就会改变电网的功率，而很多的因素都会影响到光伏阵列的输出功率，那么就需要对光伏阵列的工作点进行良好控制。本文简要分析了基于无源控制的光伏发电系统MPPT技术，希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：无源控制；光伏发电系统；MPPT技术

1 前言

在單级式光伏并网发电系统中，对逆变器控制系统提出了很高的要求，不仅需要并网控制，还需要跟踪光伏阵列的最大功率点，以此才可以促使系统的整体效率得到提高，对太阳能资源进行充分的利用。本文将基于欧拉-拉格朗日模型的无源功率控制策略应用到逆变器中，以此来有效控制输出的有功功率和无功功率。同时，为了促使光伏阵列的最大功率点跟踪得以实现，也就是MPPT技术，我们有机结合了MPPT算法和无源功率控制理论。如果将开关损耗以及线路损耗给忽略掉，那么结合光伏直流侧和逆变器输出侧的功率平衡原理，要想对光伏阵列的工作点进行改变，只需要对逆变器输出侧的有功功率进行调整即可。因此，为了促使跟踪最大功率点的目的得以达到，就可以通过对MPPT模块的输出功率进行改变，对逆变器输出侧有功功率的期望值进行设定。

2 光伏发电系统概述

光伏发电系统指的是利用光伏电池来对太阳辐射能进行转换，使其转换为电能。在整个光伏发电系统中，非常核心的部件就是光伏电池，它将光生伏打效应给充分利用了起来，如果光伏电池上受到了太阳光的照射，光能就会被电池所吸收，促使光生电子-空穴对产生。电池内建电场会分离光生电子和空穴，促使有异号电荷积累出现于电池两端，促使光生电压得到实现。如果将电极引出于内建电场两侧，并且将负载接上去，那么因为有光生电流通过于负载上，成功输出功率，这样就直接将太阳能转换为了光能。

光伏发电系统的关键技术：本文主要介绍了最大功率点跟踪技术，这种技术指的是如果改变了光照强度和温度等外界条件，那么为了促使阵列能够始终在最大功率点上工作，系统就对光伏阵列的输出电压、电力以及其他物理量等进行控制和改变，这样输出的就可以是最大功率的光伏阵列。因为时间的不同，会改变环境参数，如光照强度等，那么光伏阵列工作就无法在最大功率点处保持下来，促使光伏发电系统的能量转换效率得到降低，电能得到较大程度的建好。因此，就需要研究MPPT技术，以此来与周围环境的变化相适应，促使光伏阵列的最大输出功率获取到，实现光伏阵列利用率提高的目的。

3 光伏发电系统的最大功率点跟踪

通过实践研究表明，在光伏发电系统中，除了光伏电池的内部特性会影响到光伏电池的利用率，外界环境因素也会对其产生较大程度的影响，如光照强度、温度、负载等等；那么就需要应用最大功率点跟踪技术，以此来促使光伏电池适应不断变化的外界环境条件，促使光伏电池在最大功率点上运行；最大限度的将光能转换为电能，促使太阳能资源得到充分利用。

（1）光伏电池的输出特性

设光伏电池的开炉电压、短路电流以及最大功率点电压和最大功率点电流等参数都是已知的，那么就可以结合相关软件，来进行数学模型的搭建工作。如下图所示：

对光照强度和温度值进行改变，利用模型来进行仿真，那么就可以得出光伏电池输出功率所受到不同光照强度和温度的影响。如果温度是不变的，那么光伏电池的开路电压在光照强度的变化下，并没有受到较大的影响，而在增强光照强度的过程中，会明显增大短路电流。如果光照强度是固定的，那么光伏电池的开路电压就会随着温度的变化而发生改变，并且它对温度之间呈反比的关系，短路电流受到温度的影响不太显著，但是也有一些微弱的变化存在。

（2）传统的最大功率点跟踪算法

结合相关的电路原理我们可以得知，如果光伏电池有着相等的输出阻抗和负载阻抗，那么光伏电池就可以获得最大的输出功率。从实质上来讲，光伏电池的MPPT过程，其实就是它的输出阻抗和负载阻抗。因为环境因素会在较大程度上影响到光伏电池的输出阻抗，因此，要想实现光伏电池的MPPT控制，就可以实时调节负载阻抗，使其对光伏电池的输出阻抗进行跟踪。通常情况下，可以将传统的MPPT方法划分为两大类，分别是开环和闭环，这种划分依据是判断方法和准则的不同，开环MPPT方法依据的是光伏电池输出特性曲线在光照强度、温度以及负载等因素影响下所呈现的规律，如恒定电压法等。闭环MPPT方法在跟踪最大功率点方面，则是通过实时测量光伏电池输出电压和电流值来实现的，如扰动观察法、电导增量法等等。

（3）基于功率控制的最大功率点跟踪算法

传统的最大功率点跟踪算法，在跟踪最大功率点时，在控制量方面，选择的是光伏电池的输出电压，那么在判定的过程中，就需要将光伏电池的输出特性给充分纳入考虑范围，以此来对控制量的变化方向进行考虑，实现起来存在着较大的难度。同时，如果没有合理的设置电压初始值，将会影响到系统的输出功率。那么就需要对其进行简化，本优化算法的基本思想没有改变，依然是如果关系式dp/dV=0得到了满足，那么就说明光伏电池在最大功率点上工作，如果不满足，就说明光伏电池没有在最大功率点上工作，那么为了跟踪最大功率点，就需要增加功率。具体来讲，本算法的实现流程如下图所示：

在光伏并网发电系统中，可以有两种功率控制方法，一种是控制并网逆变器的输入参数，另一种则是控制并网逆变器的输出参数，前者指的是对逆变器输入侧光伏电池的输出电压和电流进行直接检测，对光伏电池的输出功率进行计算，在对光伏电池的最大功率点进行寻找时，采用的是功率绕道寻优的方法。后者指的是不将逆变器开关损耗和线路损耗纳入考虑范围，将功率原理给利用起来，在对光伏电池最大功率点进行寻找时，利用的是并网逆变器网侧输出功率扰动方法。

4 结语

通过上文的叙述分析我们可以得知，在如今能源资源日趋紧张的状况下，太阳能资源受到了社会的普遍重视；出现了大量的光伏发电系统，在本系统中，最为关键的部分就是光伏电池，要想促使系统的整体效率得到提高，对太阳能资源充分利用，就需要对光伏电池的工作点进行实时调节，促使其能够工作于最大功率点，以此来向后级并网逆变器提供更多的输出功率。本文主要研究了基于无源控制的光伏发电系统MPPT技术，希望可以提供一些有价值的参考意见。

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