光伏发电系统最大功率点的跟踪方法研究-solarbe文库

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2009 年第 6 期图 2 干扰观察法流程图摘要针对光伏发电系统中最大功率点跟踪算法，文章阐述和评价了 3 种常见的最大功率跟踪方法恒定电压法、扰动观测法、电导增量法，并分析此 3 种基本自寻优算法的追踪效果。关键词光伏发电；最大功率点追踪；算法中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1672-0547 （ 2009 ） 06-0087- 02当今社会能源日益紧张，环境污染日趋严重，太阳能以其清洁无污染取之不尽用之不竭的特点，越来越受到全世界的关注。光伏电池的输出为非线性特性，输出功率受工作电压、光照强度、负荷状态和环境温度等因素的影响，太阳能电池输出的最大功率点时刻都在变化。所以在实际应用中，利用最大功率点跟踪技术提高对太阳能的利用效率。最大功率跟踪控制（ MPPT-the maximum power pointtracking ）是一种光伏阵列功率点控制方式。通过实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法，不断调节系统的工作状态，来跟踪光伏阵列的最大功率点，实现系统的最大功率输出。MPPT 技术实施最重要的是寻找合适的 MPPT 控制算法，能在各种不同的日照和温度环境下有效地跟踪最大功率点，控制电池板尽可能地工作在最大功率点上。 MPPT 控制一般分为自寻优和非自寻优方法两大类型。自寻优算法就是根据直接测量的电信号，来进行最大功率点的追踪，主要包括恒定电压法、电导增量法、扰动观测法以及基于扰动观测法的改进自适应算法。非自寻优算法则是通过外界环境因素（如温度和光照）的变化，利用数学模型或查表方法确定最大功率点，主要为曲线拟合法。一、恒定电压跟踪法（ Constant Voltage Tracking-CVT ）图 1 为太阳能电池的 P-U 曲线图，太阳能电池的最大功率点 A， B， C， D，当温度一定时，最大功率点基本在一根垂线的两侧，我们可把最大功率线近似看成是电压值是常数的一垂直线，这就是恒压跟踪法的工作原理。CVT 控制思路是将输出电压控制在该电压处，这样太阳能电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。但这种方法没有考虑到光伏电池表面温度对其开路输出电压的影响，一般硅型光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响，在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用恒定电压控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率点，产生较大的功率损失。优点控制策略简单、稳定性较高、易于实现。缺点 CVT 跟踪方式没有考虑到太阳能电池结温对开路电压的影响，所以能量损失较大，且不能准确地跟踪到太阳能光伏电池的最大功率点，只是一种近似最大功率跟踪方法。二、扰动观察法扰动观察法（ Perturbation and Observation method-PO ）是目前实现 MPPT 常用的算法之一。其原理是在光伏阵列正常工作时，每隔一定的时间用较小的步长改变太阳能电池的输出电压，方向可以是增加也可以是减少，并检测功率变化方向，来确定寻优方向，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续 “ 干扰 ” ，否则改变其扰动方向。其算法流程如图 2 所示， U（ k）、 I（ k）为光伏阵列的当前输出电压、输出电流， P（ k-1）为上一周期的采样值。由于始终有 “ 扰动 ” 的存在，系统工作点无法稳定运行在最大功率点上，只能在最大功率点附近振荡运行，而振荡的幅值则由步长决定。然而扰动步长如果过大，则在最大功率点附近的振荡就比较大，相应的功率损失较大，但跟踪的速度快；相反光伏发电系统最大功率点的跟踪方法研究倪琳（铜陵学院，安徽铜陵 244000 ）收稿日期 2009-08-31作者简介倪琳（ 1969- ），女，安徽无为人，铜陵学院电气工程系讲师，研究方向电力电子技术。基金项目安徽省教育厅自然科学研究项目一种新型太阳能路灯智能控制器的研究（编号 KJ2008B04ZC ）。图 1 太阳能电池 P-U 曲线图工程科技87- - 2009年第 6 期若步长取的过小，虽然功率损失减小，但跟踪的速度太慢，那么系统的响应速度则降低。当日照随时间变化不快时，此算法是非常有效；当光强发生突变时，跟踪算法可能会失效，得到错误的跟踪方向。优点原理简单，测量参数少，转换效率高，硬件实现较为方便，所以应用广泛。缺点步长对控制精度和速度影响较大，步长与精度不能兼顾；系统工作点无法稳定在最大功率点上，导致一部分功率的损失；因算法不严谨，对外界环境变化的响应能力较差，故只适用于光强变化小的环境；控制算法较复杂，对控制系统要求高。三、电导增量法电导增量法又称作导纳微增法（ Incremental ConductanceMethod）是目前常用的 MPPT 控制算法之一。其主要原理是根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压。通过光伏阵列功率电压曲线可知最大功率在斜率为零处。故 PU I （ 1）dPdU IUdIdU 0（ 2）dIdU -IU （ 3）由图 3 可知当 dp/du0 ，在最大功率点处；当 dp/du ＜ 0，在最大功率点右边；当 dp/du ＞ 0，在最大功率点左边。导纳的增量可决定是否已经达到最大功率点，故在该点处停止对工作点的扰动。如果条件不成立，最大功率点扰动方向可以通过公式（ 3）的关系来计算。其算法流程如图 4 所示， U（ k）、 I（ k）为光伏阵列的当前输出电压、输出电流， U（ k-1 ）、 I（ k-1）为上一周期的采样值。优点在光照和温度变化时，太阳能电池阵列的输出电压能平稳地追随环境变化，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点，而不是来回的跳动，系统稳定在局部最优点上，不会出现误判断的过程，可以使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能。电压波动较扰动观察法小，是多种最大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法。缺点对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，需增加额外的硬件电路；依靠改变光伏方阵的输出电压来达到最大功率点，系统需要较多的转化时间，将损失部分功率；其算法较为复杂。四、结论恒定电压跟踪法只需检测一个参数，控制简单，但测量开路电压要中断系统正常工作，且采用的控制关系是近似的，不能实现最优控制，故而此算法控制精度低，只适用于小功率场合。扰动观察法和电导增量法虽然具有很高的跟踪效率，但由于电信号的采样值，会受到传感器等元件精度的限制。当光线很弱时，输出功率很小，这两种算法容易引起错误跟踪，增加功率损耗，这种情况下采用恒定电压法具有良好的跟踪效果。电导增量法的跟踪效率优越于扰动观测法和恒定电压法。但是其算法复杂，对硬件要求更高，故多在大容量的光伏发电系统的 MPPT 装置中采用。参考文献［ 1］徐鹏威，刘飞，刘邦银，段善旭．几种光伏系统 MPPT 方法的分析比较及改进［ J］ . 电力电子技术， 2007，（ 5） 3-5 ．［ 2］李玲，谢建，杨祚宝．光伏系统最大功率点跟踪方法［ J］ .可再生能源， 2007 ， 25（ 2） 85-87 ．［ 3］崔岩，蔡炳煌，李大勇，胡宏勋，董静微．太阳能光伏系统 MPPT控制算法的对比研究［ J］ . 太阳能学报， 2006，（ 6） 535-539 ．［ 4］李晶，窦伟，徐正国，彭燕昌，许洪华．光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究［ J］ . 太阳能学报， 2007，（ 3） 268-273 ．［ 5］杨海柱，刘洁，张育自．基于 DSP 的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究［ J］ . 河南理工大学学报， 2008，（ 8） 442-445 ．［ 6］ KOBAYASHI K ， MATSUO H， SEKINE Y. An excellentoper -ating point tracker of the solar-cell power supply system ［ J］ .IEEE Trans on IE ， 2006 ， 53（ 2） 495-499.［ 7］ NoguchiT ， Togashi S， Nakamotob R.Short -current pulsebasedmaximumr power point tracking method for multiple photovolta -ic-and-converter module system［ J］ . IEEE Transactions on In-dustrial Electronics ， 2002 ， 49（ 1） 217-223.［ 8］ Nicola Femia， Giovanni Petrone， Giovanni Spagnuolo， et al.Opti -mization of Perturb and Observe Maximum Power Point Track -ing Method ［ J］ . IEEE Trans. on Power Electronics ， 2005， 20（ 4） 963-973.［ 9］牛丹凤．光伏并网发电系统的最大功率跟踪研究［ D］．新疆大学硕士学位论文， 2007 .图 3 太阳能电池的输出特性图 4 电导增量法的流程图88- -