發布日期：2022-07-14 點擊率：51
1 引言
隨著科學技術的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對能源的需求量越來越多，而傳統的化石能源日益枯竭，同時化石能源的過度開采嚴重破壞了生態環境，化石能源的利用嚴重污染著生活環境。能源短缺、環境污染是當今世界面臨的兩大問題，制約著人類經濟和社會的發展。因此，開發利用清潔的可再生能源是全世界各國共同追求的目標。太陽能因其發電清潔環保，無噪聲，取之不竭、用之不盡等特點受到世界各國的青睞。但目前，太陽能光伏發電系統仍存在部分問題，如光伏電池的轉換效率低且其實際輸出功率隨日照強度、環境溫度、陰、晴雨、霧等氣象條件的變化而變化。因此，如何進一步提高光伏電池的轉換效率，如何充分利用光伏電池所轉換的能量，成為光伏系統研究的熱點。那么將現有轉換效率的光伏電池應用到光伏發電系統中，控制光伏電池瞬時的輸出功率，使其在任何日照條件下都能工作在最大功率點，實現最大功率點的跟蹤就變得尤為重要。
2 光伏電池組件的特性
光伏電池是利用硅等半導體的光伏效應通過pn結直接把太陽能轉化為電能。在光伏發電系統中，單個光伏電池的輸出功率太小，故常常將若干個光伏電池串聯或并聯后封裝在一起，構成光伏電池組件。按照光伏系統所需功率及電壓的大小，可以用多個組件按串、并聯規則組合在一起，構成光伏陣列。
光伏電池組件的伏安特性曲線如圖1所示。從伏安特性曲線可以看出，光伏電池的輸出電流在大部分工作電壓范圍內近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降率很大。圖1所示的參數在標準狀態（光伏電池組件表面溫度25℃，光譜分布am1.5，輻射照度1000w/m2）下的含義如下：
開路電壓（uoc）：正負極間為開路狀態時的電壓；
短路電流（isc）：正負極間為短路狀態時的工作電流；
最大輸出工作電壓（um）：輸出功率最大時的工作電壓；
最大輸出工作電流（im）：輸出功率最大時的工作電流；
最大輸出功率（pm）：最大輸出工作電壓（um）×最大輸出工作電流（im）。
光伏電池組件的伏安特性強烈的隨日照強度和較強烈的隨電池溫度的變化而變化。圖2a）和圖2b）分別是光伏陣列在日照1000w/m2時，不同溫度下輸出的伏安特性和伏瓦特性。由圖2a）和圖2b）可知，溫度對光伏陣列的輸出電流影響不大，短路電流隨溫度升高而略有增加，但對光伏陣列的開路電壓影響較大，開路電壓隨溫度升高近似線性地降低，因而對最大功率影響明顯，見圖2b）各實線的波峰幅值變化。圖2c）和圖2d）分別是光伏陣列在溫度為25℃時，不同日照下表現出的伏安特性和伏瓦特性。圖2c）和圖2d）可知，光伏陣列的輸出短路電流和最大功率點電流隨日照強度的上升而增大，但日照的變化對光伏陣列的輸出開路電壓影響不大，其最大功率點的變化也不大，如圖2d）虛線與各實線的交點所示。
由圖2可知，光伏陣列的輸出功率會隨著日照強度和電池表面溫度的改變而變化。這種變化使光伏電池的工作點一直向最大功率點跟蹤變化，控制光伏電池產生最大功率，這種控制稱為最大功率點跟蹤（mppt：maximum power point tracking）控制。
由光伏電池輸出特性分析知道，溫度主要影響光伏電池的輸出電壓，而光照度主要影響其輸出電流。
3 光伏陣列最大功率點跟蹤的原理
由于光伏陣列的伏瓦特性隨著日照和溫度改變而變化，因此要準確描繪某一條件下的光伏陣列的功率特性曲線，并將其用于mppt控制是很困難的。但不管光伏陣列的伏瓦特性曲線如何隨外在因素變化，都具有如圖3所示的大致形狀。
3.1 光伏陣列伏瓦特性的特征
光伏陣列伏瓦特性的特征如下：
（1）對應光伏陣列電壓，光伏陣列輸出功率的極值是唯一的，且該極值也是最大值；
（2）在功率最大點兩側，伏瓦曲線是單調遞增或單調遞減的。
3.2 最大功率點跟蹤控制必須達到的控制目標
光伏發電系統的最大功率點跟蹤控制必須達到以下控制目標：
（1）不需要事先確定精確的光伏電池伏瓦曲線；
（2）mppt控制算法適用于任何不同配置的光伏陣列；
（3）對于隨機變化的天氣，mppt控制要保證系統的穩定性；
（4）日發電量最大。
4 光伏陣列最大功率點跟蹤的方法——擾動觀察法
最大功率點跟蹤方法實質上是自尋優過程，主要包括固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法 、間歇掃描法和智能控制法等，下面介紹擾動觀察法。
對于光伏發電系統的發電功能而言，能量的傳遞方向是由光伏陣列送給電網的，圖4示出了光伏發電系統直流測的電流關系。
其中，udc（n）—當前采樣電壓值，isp（n）—當前采樣電流值，|△udc|—擾動電壓步長，s—擾動方向，udc（n-1）—前一次電壓值，p（n）—當前太陽電池功率計算值，p（n-1）—前一次計算的太陽電池功率值，△p—兩次功率之差。
擾動觀察法的工作原理就是借以周期性的改變負載大小來改變光伏電池的輸出電壓及功率，也就是改變光伏陣列的工作點，它通過觀察比較和變動前后兩次的輸出功率和輸出電壓的大小來決定下個周期負載的變動是增加還是減少。該方法的具體操作是給輸出電壓一個擾動值，其方向可正（s=1），可負（s=-1），然后根據測出的電壓電流值計算出太陽電池的輸出功率p（n），然后將其與上一個測量值p（n-1）進行比較。若輸出功率增大，說明擾動所加的方向有利于輸出功率的提高，此后繼續向這個方向施加擾動并繼續觀察，若施加的擾動使光伏陣列的輸出功率減小，說明擾動的方向錯誤，則在下一次的擾動中使方向相反，如此不停的觀察調整，以使光伏電池工作在最大功率點附近。擾動觀察法的算法流程圖如圖5所示。
擾動觀察法的實現原理較為簡單，容易實現，并且不用考慮溫度或光照強度的變化，獨立于系統使用環境，因此適應性較強。但是頻繁的功率擾動使得系統多數時間只能工作在最大功率點附近，即使系統偶爾恰好工作在最大功率點，算法也會強制系統離開，所以擾動觀察法的最大功率點跟蹤效率并不是很高。而且采用這種控制策略的光伏系統的最大跟蹤效率和跟蹤速度取決于跟蹤步長的大小。此外，這種控制方法也可能在光強變化的情況下或多電池板串并聯時會產生最大功率點“誤判”的情況，可能使最大功率點跟蹤的擾動方向在一段時期內始終朝著一個方向，導致系統無法正常工作，或是最大功率點跟蹤停留在多峰曲線的“假”最大功率點上。
5 基于變換器輸出電流控制的最大功率點跟蹤的算法
由第4節的擾動觀測法可知，為了判斷施加擾動量后光伏電池輸出功率的變化情況，需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進行采樣并計算功率，以便根據功率變化情況決定施加擾動量的方向，以此進行最大功率點跟蹤。與其它最大功率點跟蹤法相比，擾動觀測法具有算法簡單、實現方便，受環境因素影響小等優點。但是擾動觀測法需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進行檢測，而一般變換器（并網型逆變器或獨立運行充電控制器）只在輸出端裝電流傳感器，用其進行電流控制，這就需要額外的兩個傳感器，從而增加系統成本，另外，擾動觀測法需要對采樣結果進行功率計算（乘法運算），也增加了單片機的運算量。如果能夠根據變換器輸出電流作為判斷依據進行最大功率點跟蹤，則不僅可以省去兩個傳感器，而且無需乘法運算，在繼承擾動觀測法算法簡單、受環境因素影響小等優點的基礎上，進一步降低系統成本，減輕單片機運算負擔。變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤法正是基于這點提出的。為了簡化其工作原理的分析，先做兩個假設：變換器自身功率損耗為零，即光伏電池輸出功率等于變換器輸出功率；負載兩端電壓（蓄電池電壓或電網電壓）恒定不變。
根據假設，可得到式（2）：
式（4）為變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤判斷依據。變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤調節過程類似于擾動觀察法調節過程。變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤算法流程圖如圖6所示。變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤僅需一個電流傳感器，根據負載電流大小直接進行擾動方向判斷，不再需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進行檢測及功率計算，簡化算法，降低成本。
6 結束語
基于變換器輸出電流控制的最大功率點跟蹤法是在擾動觀測法的基礎上，僅以變換器輸出電流作為判斷依據進行最大功率點跟蹤，不僅可以省去兩個傳感器，而且無需乘法運算，在繼承擾動觀測法優點的基礎上，進一步降低系統成本，減輕單片機運算負擔。基于變換器輸出電流控制最大功率點跟蹤法通過周期性檢測并計算變換器輸出電流的有效值，實時調節擾動方向，使得變換器輸出電流有效值始終維持最大可輸出電流，從而實現光伏陣列的最大功率輸出。該方法控制簡單，響應速度快，對傳感器精度要求不高，在天氣條件變化較快的場合也能達到很好的跟蹤效果。本研究在光伏發電系統的開發和應用中具有重要的科學研究意義和現實意義。
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