光伏发电系统的最大功率点追踪控制方法探讨

刘金山，刘启航

（1.国能青海黄河玛尔挡水电开发有限公司，青海 西宁 810000；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

0 引 言

太阳能光伏发电是种可再生能源发电技术，具备资源丰富、无污染、无噪声以及简易维护等优势，广泛应用于能源领域。为提高太阳能的利用效率，降低发电成本，最大功率点跟踪技术成为改善光伏系统性能的有效途径。因此，文章深入分析光伏发电系统的工作原理、输出特性及最大功率点跟踪机理，全面探讨最大功率点追踪控制方法存在的问题，并提出一系列针对光伏发电系统最大功率点追踪控制的优化策略，以解决现有控制方法在实际应用中面临的挑战，提高光伏发电系统的效率和运行稳定性。

1 光伏发电系统概述

1.1 光伏发电系统原理

太阳能发电以光伏发电为主，即利用太阳能电池直接将太阳光转化为电能。太阳能电池基于光生伏特效应工作，当晶体硅吸收光线后，会在PN 结区域中产生正负电荷对。这些电荷分离后，会形成外电流场，进而产生电流。电流经过负载后流至电池的负端，将太阳光辐射能直接转化为电能。光伏发电系统主要由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器以及蓄电池组组成。光伏发电技术具有绿色、无污染、无噪声等特点，是当前能源领域关注的重点。通过不断改进与优化，太阳能光伏发电系统将更好地满足清洁、可再生能源需求。光伏发电系统的等效电路模型如图1 表示。

图1 光伏发电系统等效电路模型

1.2 光伏发电系统的输出特性

光伏电池的输出受外部环境温度和光照强度的双重影响，呈现出明显的非线性特性。在相同温度下改变光照强度时，光伏电池的输出功率通常光照强度之间近似呈线性关系。类似地，对于相同光照强度而言，光伏电池的输出功率与温度表现出负相关关系，即在较低温度条件下，输出功率相对较高。同时，在特定的温度和光照条件下，电压与功率（U-P）之间的关系表现为二次函数[1]。在U-P关系图中，每一条曲线都清晰地展示了光伏电池的输出功率与输出电压之间的对应关系。这些曲线中均存在一个明确的最大功率点，且最大功率点对应的输出电压是唯一的。因此，最大功率点跟踪控制方法的引入至关重要，通过调整系统工作点，确保在不同光照条件下系统始终运行在最大功率点，从而最大限度地提升光伏系统的整体性能。

1.3 光伏发电系统的最大功率点跟踪

太阳能电池板的输出特性受光照强度、环境温度及负载等多因素的综合影响。在特定光照和温度条件下，电池板可采用不同的输出电压工作，但最大功率点的位置会因受到外界因素的影响而发生变化。因此，为最大限度地利用电池板输出，提升系统效率，需要实时调整工作点，使其保持在最大功率点附近[2]。最大功率点追踪技术通过调整电池板电压或电流，使系统在不同光照下均达到最大功率点，如扰动观察法、模糊控制法等。这些方法通过实时监测光照和电池输出，自动调整电压或电流，确保系统的高效运行。

2 光伏发电系统的最大功率点追踪控制分析

2.1 常见的最大功率点追踪控制方法

常见的光伏发电系统最大功率点追踪控制方法包括扰动观察法、导纳增量法、间歇扫描法、模糊控制法以及斐波那契搜索法等，对于确保光伏发电系统的稳定运行具有重要意义[3-4]。

2.1.1 扰动观察法

扰动观察法是光伏发电系统常用的最大功率点追踪方法，即通过微小扰动调整光伏系统工作状态，使其保持在最大功率点附近。通过对光伏阵列输出电压或电流进行微小调整，并观察输出功率的变化情况，以确定调整方向。尽管该方法简单易实现，但在光照变化过快或存在阴影的情况下可能出现振荡，影响系统稳定性。因此，在选择最大功率点追踪方法时需要综合考虑方法的优势和局限性，确保系统的稳定运行。

2.1.2 导纳增量法

导纳增量法是一种用于追踪光伏发电系统最大功率点的先进控制策略。其工作原理是基于对导纳变化率的比较结果判断光伏系统当前工作点相对于最大功率点的位置，通过调整光伏电池的电压实现对最大功率点的精准跟踪。导纳通常指光伏系统的微分导数，即对电压的微分除以对电流的微分。导纳增量法利用导纳与最大功率点相关的特性，实现在不同光照和温度条件下的高效跟踪。

2.1.3 间歇扫描法

间歇扫描法是一种简单且经济高效的光伏发电系统最大功率点追踪方法，即采用间歇性脉冲的方式改变电池电压，通过观察功率变化来寻找最大功率点。其优点在于简单易实现、成本低廉，但可能因间歇性脉冲而导致系统振荡，从而降低系统的稳定性和效率。尽管间歇扫描法存在局限性，但在某些特定条件下仍具有一定应用潜力。因此，在选择最大功率点追踪方法时，需综合考虑系统要求、环境条件和成本因素。

2.1.4 模糊控制法

模糊控制法是一种先进的光伏发电系统最大功率点追踪控制方法，借助模糊逻辑系统综合分析多个影响因素，通过调整电池电压以实现最优运行状态。该方法的优势在于适应性强，能有效处理非线性和复杂系统，具有较强的稳定性和健壮性。但其性能高度依赖于规则设计和参数选择，如果设置不当可能会导致性能下降。

2.1.5 斐波那契搜索法

斐波那契搜索法是一种用于确定光伏发电系统最大功率点的方法，通过斐波那契数列的比例关系来逐步缩小搜索范围，以实现对最大功率点的精确搜索。该方法具有收敛速度快、准确定位最大功率点、能够处理功率突变情况等优势。通过灵活调整搜索范围，能够有效地适应光照辐射变化，因此具有高效性。

2.2 追踪控制方法存在的问题

目前，光伏发电系统最大功率点追踪控制方法具有优势，也具有劣势[5]。例如，扰动观察法简单易实现，但在光照变化过快或存在阴影的环境中可能产生振荡，影响系统稳定性；导纳增量法适用于光照和温度变化较大的环境，但使用过程相对复杂，可能引入过多计算；间歇扫描法简单易实现，但存在振荡，适用性受限；模糊控制法适用于非线性和复杂系统，但相对复杂，需要调整较多的参数；斐波那契搜索法收敛速度相对较快，能够准确定位最大功率点，但实现相对复杂，计算成本较高。这些方法的共同问题是在特定环境下难以综合考虑光照、温度等多个因素的影响，且某些方法可能会在特定条件下产生振荡，或收敛速度不理想。

3 伏发电系统的最大功率点追踪控制优化策略

3.1 控制方法优化

为提高光伏发电系统的最大功率点追踪控制效能，可以采用混合型控制方法，即综合利用不同的最大功率点追踪技术，使系统能够在多样的环境条件下实现自适应切换，从而提升系统的稳健性。通过设计智能控制器，运用机器学习算法对环境因素（如光照、温度等）进行实时学习和调整，使系统可以灵活地选择最适合当前条件的最大功率点追踪方法，从而获得最佳性能。针对振荡或收敛速度不理想的问题，引入先进的控制算法成为一种有效途径。强化学习和深度学习技术能够更好地捕捉系统的非线性特性，提供更准确的建模和优化能力。这些算法通过不断学习环境变化和系统响应，能够动态地调整最大功率点追踪策略，从而在复杂的光伏系统环境中实现更为精准和高效的最大功率点追踪。因此，通过混合型控制方法和先进的算法优化，光伏发电系统可以在多变的工作条件下更为灵活、智能地选择和调整最大功率点追踪策略，提高整体系统的性能和适应性。

3.2 系统集成优化

借助优化算法能够解决最大功率点追踪方法复杂度和计算成本较高的问题，如引入硬件加速技术或优化编程语言，以提高系统的计算性能。通过对系统进行集成优化，可以在不降低准确性的前提下减少计算成本，使最大功率点追踪方法更为实用。此外，可以制定更高效益的硬件方案，如专门设计的节能型处理器，以提高最大功率点追踪方法的实际应用效果。节能型处理器在执行最大功率点追踪算法时能够以更高的能效运行，从而降低系统的整体功耗。通过采用专门设计的硬件，系统可以更有效地执行复杂的最大功率点追踪算法，满足用户对光伏发电系统的高性能要求，并降低计算成本。因此，从系统集成优化角度出发，采用节能型处理器等成本效益高的解决方案，可以有效解决系统复杂度和计算成本高的问题，从而提高最大功率点追踪方法的实际应用效果。

4 结 论

文章深入探讨了太阳能光伏发电系统的最大功率点追踪控制，通过对光伏发电系统原理、输出特性及最大功率点跟踪机理的详细分析，系统地介绍了几种常见的最大功率点追踪控制方法，包括扰动观察法、导纳增量法、间歇扫描法、模糊控制法及斐波那契搜索法。同时，对每种方法的工作原理、优缺点进行了深入剖析，提出了相应的优化策略。通过采取控制方法优化和系统集成优化等策略，可以提高光伏发电系统的效率，更好地满足人类对清洁、可持续能源的需求，并为环境问题提供切实可行的解决方案。