太阳能光伏发电及其最大功率点跟踪技术

作者简介：宋风达（1993-），男，汉族，河北省衡水市。助理工程师，本科，单位：榆林国远风电有限公司，研究方向：新能源管理

邮寄地址：陕西省榆林市靖边县（自取），宋风达，18957146255。

太阳能光伏发电及其最大功率点跟踪技术

宋风达

榆林国远风电有限公司    陕西   榆林  719199

摘 要：太阳能作为绿色能源之一，由于其可再生性、对环境没有任何污染以及取之不尽用之不竭等特点，正在逐渐成为可再生能源研究中最受欢迎的一种。在太阳能研究的进程中，低价格、高效率是人们一直追求的目标。最大功率点跟踪（MPPT）技术是提高光伏发电效率的关键技术之一，因此，学习研究最大功率点跟踪技术并将其应用到光伏系统之中，在学术研究以及工程应用中都具有重大的意义。本文首先对太阳能光伏发电和最大功率点跟踪的原理做了介绍，然后，对现如今光伏发电中比较常用的干扰观测法（P&O）、电导增量法（IncCon）和人工智能的模糊逻辑控制法三种最大功率点跟踪方法进行说明及比较 [1]。

关键词：光伏发电;最大功率点跟踪;

0前言

我国地处北半球，幅员辽阔，太阳能资源比较丰富，大多数地区日平均辐射量每平方米可高达4kW/h，尤其是在西北地区，日平均辐射量可高达7千瓦时每平方米，我国太阳能每年的储量理论上相当于1.7万亿吨的标准煤，其开发利用前景非常可观。

最大功率追踪技术（Maximum Power Point Tracking）可以根据检测到的日照强度以及周边环境温度，发出信号作用于调整光伏逆变器的直流输出，让光伏逆变器发挥最大的发电效果，目的是：使得投资的光伏设备（逆变器+集能板+覆盖建物+施工成本）具有最大的经济效益。对于促进光伏产业的蓬勃发展、实现社会的可持续发展具有积极作用。

1 太阳能光伏发电的工作原理

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、功率调节器、电能表、线路等组成。早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光伏电池是一种具有光、电转换特性的半导体器件，将P型硅与N型硅相结合，在太阳光的照射下，电子从化学键中释放，产生电子-空穴对，由于PN型半导体特性导致电子和空穴的扩散，两种半导体交界区域形成一个电势差，从而产生电压和电流。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。如下图1-1所以既为光伏电池在太阳光的照射下产生电能的过程。

图1-1 光伏电池受光发电的原理图

1.1 太阳能光伏电池的等效模型

每个光伏电池单元的模型可以看作是一个恒电流源，然后并入一个正向的二极管。其等效电路模型如如1-2所示

图1-2光伏电池等效电路图

在图1-2中，光伏电池产生的内部电流为Iph，该电流的大小由光照强度以及光伏电池的面积大小决定;Id为在无光照的情况下光伏电池内部流经二极管的暗电流;Rs为光伏电池内部的等效电阻，一般情况下比较小;I为光伏电池输出的负载电流; U为光伏电池的开路电压，与环境温度成反比，与光照强度的对数成正比，与光伏电池的面积大小无关;

2 常用的最大功率点跟踪方法

2.1 最大功率点的跟踪原理

太阳能电池板为非线性电源，其输出特性通常与光照、温度和负载R有关，在光照个温度一定的情况下，太阳能电池板可以设置输出不同的电压，当电压达到某一个特殊值时，输出功率最大。在光伏系统中，为了提高光伏系统的效率，需要实时调整光伏电池的工作点，即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。而实现最大点跟踪的方法就是通过不同的跟踪算法来完成。

2.2 干扰观测法

該方法又叫爬山法或登山法。其基本原理就是首先让光伏电池工作在某一参考电压下，每隔一段时间增大或减小输出电压，若发现输出功率变大，则继续向相同的方向改变电压，否则向相反的方向改变电压，电压的该变量称为步长，以此可以不断逼近光伏电池的最大功率点，最终在其附近较小的范围内往复振荡运行达到动态平衡。

图2-1 干扰观测法的控制原理图

如上图2-1所示，首先设定一个参考电压U0，此时我们可以得到输出功率为P0，然后等待一个设定好的时间间隔以后，增加或者减小电压使其变为U1，此时我们可以得到此刻的输出功率P1，如果P1大于P0，测表明电压的扰动方向为正方向，即说明此时的输出功率正在逐渐靠近最大功率点处，输出电压小于Umax，则下一步的扰动方向依然和上步相同;如果P1小于P0，测表明电压的扰动方向为反方向，即说明此时的输出功率正在逐渐远离最大功率点处，输出电压大于Umax，则下一步的扰动方向应该和上步相反【2】。

2.3 电导增量法

电导增量法也是在光伏系统中应用较为广泛的一种跟踪方法，其控制思想和干扰观测法大致相同，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。从2.2.1中图2-1中可以看出，光伏电池的功率—电压输出特性曲线可以看出，光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，最大功率点处于曲线顶点。由此可得该方法的数学模型是：

由公式可得以下三个结论：

① ，光伏电池工作在最大功率点处

② >0，光伏电池工作在最大功率点左侧，应该提高输出电压

③ <0，光伏电池工作在最大功率点右侧，应该减小输出电压

电导增量法实际应用中，需要给出一个合适的阈值E，并设定时系统工作于最大功率点处，当电导增量值小于这个阈值时，无需改变工作点;当电导增量值大于这个阈值时，需要相应的变化工作点。所以选择合适的阈值非常关键。该方法的优缺点跟干扰观测法差不多，因为其设定了阈值，其稳态精度的震荡比扰动观测法小，适用于大气条件变化较快的场合。该方法的缺点在于它对控制系统的硬件要求较高，特别是对传感器的精度和各个部分响应速度要求较高，增加了一定的成本。

2.4模糊邏辑控制法

模糊逻辑控制简称为模糊控制，该控制理论由美国加州大学自动控制系的L.A.Zedeh教授提出，开创了模糊控制学的基础。

模糊控制的控制过程分为三步：第一步是首先采集变量信息，并将信息模糊化;第二步则是结合知识库进行模糊决策，即通过输入的模糊集合得到输出的模糊集合;第三步则是将输出的模糊集合进行结模糊化，得到精确量，作用于被控对象。

模糊控制的基础是建立在模糊逻辑上面，不需要太精确的数学模型。它比传统的逻辑系统更接近于人类的思维和语言表达方式，使得操作人员易于接受。在一些复杂系统，特别是系统存在定性的不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规控制 。模糊系统的组成如图2-2所示。[3]

模糊控制亦存在其不足之处，由于发展历史还不够长，在实际的应用场合中，往往需要大量的前人的研究数据，事先对相关的参数进行设定，从而导致模糊控制算法的设计难度较大，而且其运算量比较大，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的。在上述方面还需要进行进一步做深入的研究。在国际大趋势的推动下，模糊控制已经开始和向多元化和交叉学科方向发展。在未来的研究领域，这也必然将成为热点。[4]

3 结语

由上述几种算法控制效果以及成本之间的对比可以看出，动态响应快、稳态精度高的控制方法必然是建立在高成本的基础上，所以可以推测出未来MPPT算法的几种发展趋势：

1）为了追求大型光伏系统的发电效率，未来的发展趋势必然是像模糊控制、神经网络控制这样的人工智能方法，设计灵活性强而且稳态精度高。

2）为了节约成本，一些小型的发电项目，比如太阳能路灯等对控制精度要求不是很高的场合，可以采用干扰观测法、恒定电压法进行MPPT控制，在硬件的投入上可以节约不少。

3）将之前提出的算法进行混合，优缺点进行互补，既可以提高发电效率，又可以减少硬件方面的投入。

随着对运算控制器的性能进行不断地提高，以及对人工智能方法的理论方面不断完善，在跟踪效率以及成本降低方面一定会实现双提高。

参考文献

[1]赵争鸣，陈剑等著.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]赵庆平，姜恩华，朱旋. 基于MATLAB的光伏电池最大功率点跟踪研究[N].吉林师范大学学报.2013（5）：26～27.

[3]李人厚.智能控制理论和方法[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[4]李国勇著.神经模糊控制理论及其应用[M].电子工业出版社，2009.