光伏发电及MPPT算法简介

张治武，付建国，徐今强，曹小龙，曹小虎，李宏伟

(1.甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730000;2.甘肃天水供电公司，甘肃 天水 741020)

1 引言

光伏发电系统成本普遍较高，因此需要充分利用光伏电池最大发电效能。这就使得MPPT技术成为光伏发电控制系统中不可缺少的控制策略。目前的MPPT控制方法主要有固定电压法、扰动观察法、增量电导法。对三种算法的优点和缺点进行分析。这3种方法单独使用都存在一定缺陷，应将几种方法综合使用。

2 光伏发电的种类

光伏发电主要分为太阳能热发电和光发电两种。热发电将吸收太阳辐射的热能转换为电能;光发电则直接将光能转换为电能，没有经过热过程。光发电包括多个种类，如光伏发电、光生物发电、光化学发电、光感应发电等。其中，光伏发电应用最为广泛，是当今太阳能光发电的主流方法。

2.1 光伏发电系统的基本组成及分类

2.1.1 光伏发电系统的基本组成

如图1所示，光伏发电系统主要由光伏电池陈列、控制器、储能电池、直流负载、逆变器、交流负载组成。各个模块的作用为:

图1 光伏发电系统组成图

(1)光伏电池陈列。主要作用是把光能转换成电能，实现光电转换输出电流，是整个系统的核心模块。电池一般是模块化的组合，根据功率和应用场景不一样，往往大小、形状不同。

(2)DC－DC控制器。光伏电池的功率输出会随着环境变化而变化，当温度或光照度变化时，电池输出最大功率时对应的电流和电压会随之变化，为了充分发挥光伏电池的发电潜力，必须用控制器通过控制算法来调节系统的工作点，进行最大功率点跟踪(maximum power point tracking简称MPPT)。使其不管外界环境怎样变化，始终自动跟踪在对应的最大输出点处。

(3)储能电池。因为光伏电池的功率输出不稳定，受阴晴昼夜影响，有些负载如路灯，常在晚上工作，所以，在光伏电池和负载之间需加上储能缓冲装置，即储能电池。铅酸电池最为常用，另外还有锂电池，超级电容等等。

(4)DC－AC逆变器。常用电器为交流负载，而光伏电池输出直流电压，一般是12VDC、24VDC、48VAC，所以需要逆变器将直流转换成交流11l0VAC或220VAC，然后才能使用交流负载。若要将电能输入电网，需要特殊的并网逆变器。

(5)直流负载和交流负载。

2.1.2 光伏发电系统的分类

(1)独立光伏发电系统。

独立光伏发电系统是指，发电系统不与公共电网联接。常用于电网覆盖范围之外的偏远地方，或野外作业。使用情况不同也有多种形式，最常见的类型如图2(a)所示，由光伏陈列、控制器，蓄电池、逆变器、交流负载组成。由于常用电器多数是交流负载，故这种形式最多见。

图2 独立光伏发电系统配置图

另外用得较多的还有如图2(b)所示的独立系统，由光伏陈列、控制器，蓄电池、直流负载组成。只使用直流负载可以省去逆变器，常见的应用是太阳能路灯系统，太阳能指示灯系统，光伏电池输出电压为12VDC或24VDC，通过控制器后给蓄电池充电或直接给l2VDC或24VDC的LED路灯供电。

还有更加简单的独立系统，如图2(c)所示，只由光伏陈列和直流负载组成。一般用于低功率的小型电器，或装饰品，可以大大降低成本，同时由于模块数量小，可靠性大大提高，应用也很普遍。如计算器，电子手表等。

(2)并网光伏发电系统。与公共电网并网联接时，发电系统称为并网光伏发电系统。如图3所示，系统由光伏陈列、逆变器、配电开关、交流电网、交流负载组成。随着太阳能的普遍应用，这种系统有极强的生命力，正在不断发展，最终将成为主流。光伏陈列产生直流电流，由并网逆变器转化为交流电流，并与电网的电压同频率，同相位。在白天，光伏系统的发电量超过用户使用量时，配电开关在给用户配送所需电量的同时，将多余的电量输进公共电网，实现太阳能电力商品化的同时，充分提高了太阳能的利用率。在晚上，负载大于光伏系统的发电量时，电网自动向本地负载供电。

图3 并网光伏发电系统

3 光伏电池的数学模型

图4 光伏电池等效电路

光伏电池的等效电路如图4所示，其数学模型为:

上式是光伏电池等效电路的解释表达式，是光伏电池数学模型，广泛用于理论分析。但数学模型的应用中，需要确定模型中的五个参数，即 Iph，Isat，Rs和Rsh。这些参数的确定往往比较困难，光伏电池厂家常提供的四个参数是短路电流Is，开路电压v0，最大工作电流Im，最大工作电压Vrm。

3.1 光伏电池的仿真模型

根据光伏电池的数学模型，用数学软件Matlab/Simulink建立光伏电池仿真模型如图5所示，模型使用模块化子系统的封装。

3.2 光伏电池的仿真特性曲线

通过对以上光伏电池的特性曲线的分析可得出，在进行光电转换时，光伏电池的输出电压和电流除与电池本身特性有关外，还与环境因素有关。外界环境因素中影响最大的是温度和光照度。光照和温度变化时，光伏电池输出电压和输出电流也随之非线性变化。但不同光照度和温度条件下，输出功率随输出电压变化的曲线都有唯一极大值点。

图5 光伏电池的仿真模型

如果负载工作点落在偏离系统最大功率点处，光伏电池的发电潜能得不到充分发挥，造成能源和材料浪费。要充分利用发电潜能，提高光电转换率，则必须实时对最大功率输出点跟踪。

4 光伏发电最大功率跟踪算法

在外界环境变化时，光伏电池的输出特性曲线也随之变化，同时，曲线的极值点也在变化。为了让光伏电池输出最大功率，必须研究MPPT算法。如图9所示，要光伏电池发电系统达到最大功率输出，则必须使系统工作在最大功率点(Pm，Um)附近。最大功率跟踪算法一般可分为4类:

(1)基于数学模型的算法，如固定电压法和固定电流法。

图6 光伏电池输出特性仿真曲线

图7 环境温度不变，光照度变化时的输出特性曲线

图8 环境温度变化，光照度不变时的输出特性曲线

(2)扰动自动寻优算法，如扰动观测法和增量电导法。

(3)智能化控制算法如模糊逻辑控制法和神经网络法。

(4)基于输出端控制算法，如负载电流/电压最大法。

这些算法都具有各自的优点和缺点，而应用最广泛的算法是扰动自动寻优算法，如扰动观测法、增量电导法。另外，基于数学模型的算法中，固定电压法有其独到之处。

图9 光伏电池I－U曲线中的系统最大功率输出点

4.1 固定电压法和固定电流法

4.1.1 固定电压法(CV)

从光伏电池输出特性曲线可以看出，在外界环境变化时，即温度和光照度变化，开路电压会产生变化，同时最大功率点也会随着与之成近似正比例变化。如图10所示，系统最大功率输出点所对应的电压值和开路电压存在近似正比关系:

Um≈k×Uoc

式中，Um为系统最大功率输出点所对应的电压值，Uoc为系统开路电压值，k是比例系数，取值在0.71～0.8之间。

图10 光伏电池最大功率输出电压与开路电压的关系

固定电压法非常简单易行，在系统开启电流为零时或断开负载即可测得当时的外界环境下的开路电压，使系统工作在开路电压的0.75左右，即可找到近似的最大功率工作点。该方法简便，不需要复杂的算法和复杂的电路元件设备即可实现。因为系统工作电压固定，所输出功率稳定，无波动。但是，工作点开非具止的最大功率输出点，且当外界环境变化时，系统工作点也不能随之灵活响应。另外，要测得开路电压，必须断开负载，使输出功率不连续给负载带来影响。

4.1.2 固定电流法

固定电流法与开路电压法相似。如图11所示，最大功率点Pm(Um，Im)对应的电流值Im和短路电流值Isc有一定的比例关系。

Im≈k'×Isc

其中，Im为最大功率点Pm(Um，Im)对应的电流值，k，为比例常数，常取0.85，Isc为光伏电池输出的短路电流。

短路电流法存在和开路电压法一样的缺点。即比例常数会随光伏电池板不同厂家而有所变化，开路电压和短路电流的实时测量都比较麻烦，而且工作点并非系统真正最大功率点。

图11 光伏电池最大功率输出电流与短路电流的关系

4.1.3 扰动观测法

扰动观测法是一种自动寻优的MPPT控制方法，是研究最为广泛的算法之一，也称爬山法或登山法，通过检测光伏电池的输出电流和输出电压这两个参数值便可实现，不用检测环境参数如温度和光照度等。

如图12所示，扰动观测法以一定的周期检测光伏电池的输出电流和电压，算出功率Pn，并与上一次检测的功率 Pn－1对比，如果功率变化量△P=Pn－Pn－1＞0，则按原来的跟踪方向增加电压，如果功率变化量△P=Pn－Pn－1＜0，则按相反方向增加电压。工作电压在多次扰动后向最大功率点的电压靠近。

图12 扰动观测法原理示意图

扰动观测法不需要复杂的运算，无除法、求导等过程，且只需检测光伏电池输出电流和电压这两个参数即可。能适应环境的变化，自动跟踪最大功率点，跟踪精度较高。但也存在缺点，跟踪的步长和周期的大小对跟踪速度和输出稳定性影响很大，步长大和周期小会使跟踪速度提高，但是也会在最大功率点附近产生较大的波动，影响电压输出稳定性。在环境急剧变化时，可能会产生误判。

4.1.4 增量电导法

由光伏电池P－U功率特性曲线如图13(a)可知，P－U曲线是单峰曲线，函数P=f(U)在唯一极大值点(Pmax，Ummax)处满足 dP/dU=d(UI)/dU=I+U×dI/dU=0，即I/U=－dI/dU。在极大值左边dP/dU＞0，在极值点右边dP/dU＜0，由此得出电压追踪方向判据:

通过对比I/U和－dI/dU的大小，可确定输出电压U的调整方向。其几何意义如图13(b)所示，在①点(最大功率点)处有I/U=－dI/dU即tan(A)=tan(B)(A，B≤90)即角A和角B相等A=B。同理在最大功率点右边时，如在②点处有A＜B，tan(A)＜tan(B)A，B≤90 I/U＜－dI/dU，同理③点处有I/U＞－dI/dU。因此，如果当前工作点处A＜B，应减小电压，反之则增加。在电压增加△u，延时T时间后，读取新的电压值和电流值，进行新一次比较，确定新的步长和周期并做新一次追踪，一直循环直至dP/dU≤ξ，认为达到了最大功率点，电压扰动暂停，其中ξ为阀值。当环境变化，工作点偏离最大功率点较远时dP/dU≥ξ，电压调整恢复。阀值的使用可减小电压输出波动。

固定电压法和增量电导法的结合是最常用的方式。系统启动时，电流为零，可以很方便地测到光伏电池在当时环境条件下的开路电压，故在启动系统时可以用固定电压法进行启动，启动后使用自动寻优算法比较合适，选用增量电导法。为了提高跟踪速度和输出稳定性，对跟踪步长和周期进行优化。

5 结束语

为了充分利用电池的发电潜能，提高利用率，减少材料、空间等资源浪费，必须在光伏发电系统中加入控制器，对输出进行最大功率点跟踪，使得光伏电池始终处在最大功率输出的状态，无论环境发生怎样的变化。

图13 增量电导法示意图

[1]苏建徽，于世杰，赵为.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001:4.

[2]王丽萍，张建成.光伏电池最大功率点跟踪控制方法的对比研究及改进[J].电网与清洁能源，2011:2.

[3]汪海宁，苏建徽，张国荣，等.光伏并网发电及无功补偿的统一控制[J].电工技术学报，2005:9.

[4]张欢.LCL滤波的光伏并网系统控制及孤岛检测[B].华中科技大学.

[5]戴训江，晁勤.基于LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制[J].电力电子技术，2009:7.

[6]任碧莹，孙向东，钟彦儒，等.用于单相分布式发电系统孤岛检测的新型电流扰动方法[J].电工技术学报，2009:7.

[7]陈卫民，陈国呈，吴春华，等.基于分布式并网发电的新型孤岛检测研究[J].电工技术学报，2007:8.

[8]黄克亚.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究[J].电工电气，2011:2.

[9]彭龙祥.光伏发电并网逆变器控制策略优化研究[D].华北电力大学.

[10]廖红伟，林永君.光伏发电系统孤岛的检测[J].电力科学与工程，2010:10.