光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的對比研究及改進(jìn)

　　光伏發(fā)電系統中光伏電池的輸出特性具有唯一的最大功率點(diǎn)（MPP），需要對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤（MPPT）。文中分析了幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，對比分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。針對MPPT控制方法中存在的啟動(dòng)特性較差、跟蹤過(guò)程不穩定、精度不高等特點(diǎn)，采用一種改進(jìn)爬山法，該法以恒定電壓法作為啟動(dòng)特性及采用變步長(cháng)進(jìn)行跟蹤控制，并利用Matlab/Simulink搭建了改進(jìn)爬山法的MPPT控制模型，仿真結果驗證該方法的有效性。

　　面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類(lèi)需要進(jìn)行第三次能源結構轉換，從礦物能源向可再生能源轉換，用可再生能源替代礦物能源，用無(wú)碳能源、低碳能源替代高碳能源。為降低對傳統能源的依賴(lài)，世界對新型能源的重視越來(lái)越高。太陽(yáng)能是最具潛能的新能源形式之一，其中光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的有效方式之一。光伏發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：安全可靠，無(wú)噪聲，無(wú)污染，能量隨處可得，無(wú)需消耗燃料，不受地域限制，規模大小隨意，無(wú)需架設輸電線(xiàn)路，可以方便地與建筑物相結合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規發(fā)電和其他發(fā)電方式所不可比擬的。在光伏發(fā)電系統中，要提高系統的整體效率，達到充分利用太陽(yáng)能資源的目的，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調節光伏電池的工作點(diǎn)，使之工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　1 光伏電池模型及輸出特性

　　1.1 光伏電池的數學(xué)模型

　　在光照強度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線(xiàn)性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中，UJ為PN結電壓，Id為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流，Id=Io{EU+IRS） nKT-1}。一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，由于串聯(lián)電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進(jìn)行理想電路的計算時(shí)，它們均可忽略不計。由圖1的太陽(yáng)能光伏電池等效電路得出：I=Iph-I0［eq（U+IRS） nKT -1］- U+IR R s sh（1）式中，I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷，q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數，k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學(xué)溫度;n為N結的曲線(xiàn)常數;Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

　　圖1 光伏電池等效電路

　　1.2 光伏電池電氣特性

　　光伏電池的輸出特性主要通過(guò)I-U和P-U特性曲線(xiàn)來(lái)加以體現，如圖2所示。

　　圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線(xiàn)

　　從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)與工作環(huán)境的光照、溫度等因素有著(zhù)密切的關(guān)系，且具有明顯的非線(xiàn)性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，所以為了實(shí)現光伏發(fā)電系統的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　2 MPPT控制方法的對比分析

　　國內外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動(dòng)觀(guān)測法/爬山法、電導增量法等。恒定電壓法（CVT）就是將光伏電壓固定在最大功率點(diǎn)附近，該控制方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現，初期投入少，系統工作電壓具有良好的穩定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開(kāi)路電壓的影響，測量開(kāi)路電壓要求光伏陣列斷開(kāi)負載后再測量，對外界條件的適應性差，環(huán)境變化時(shí)不能自動(dòng)跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動(dòng)觀(guān)測法（PO）和爬山法（Hill Climbing）都是通過(guò)不斷擾動(dòng)光伏系統的工作點(diǎn)來(lái)尋找最大功率點(diǎn)的方向，該控制方法控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現較為方便，跟蹤效率高，提高太陽(yáng)能的利用效率，但是擾動(dòng)觀(guān)測法或爬山法的步長(cháng)是固定的，如果步長(cháng)過(guò)小，就會(huì )導致光伏陣列長(cháng)時(shí)間地停滯在低功率輸出區，如果步長(cháng)過(guò)大，就會(huì )導致系統振蕩加劇，并且在日照強度變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤判現象。電導增量法是通過(guò)調整工作點(diǎn)的電壓，使之逐步接近最大功率點(diǎn)電壓來(lái)實(shí)現最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點(diǎn)電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點(diǎn)變化，控制效果好，穩定度高，但是該控制算法較復雜，對控制系統性能和傳感器精度要求較高，硬件實(shí)現難。除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現一些較新、較實(shí)用的MPPT算法，如直線(xiàn)近似法、三點(diǎn)重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng )新，跟蹤精度有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)，以模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制法等為代表的新算法的出現，也為最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)的快速發(fā)展提供了堅實(shí)的數學(xué)基礎和理論依據。對于各種MPPT算法優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析如表1所示。由以上研究分析發(fā)現，每種MPPT控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中需要綜合考慮，根據不同的環(huán)境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

　　表1 MPPT控制方法比較

　　光伏發(fā)電系統中光伏電池的輸出特性具有唯一的最大功率點(diǎn)（MPP），需要對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤（MPPT）。文中分析了幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，對比分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。針對MPPT控制方法中存在的啟動(dòng)特性較差、跟蹤過(guò)程不穩定、精度不高等特點(diǎn)，采用一種改進(jìn)爬山法，該法以恒定電壓法作為啟動(dòng)特性及采用變步長(cháng)進(jìn)行跟蹤控制，并利用Matlab/Simulink搭建了改進(jìn)爬山法的MPPT控制模型，仿真結果驗證該方法的有效性。

　　面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類(lèi)需要進(jìn)行第三次能源結構轉換，從礦物能源向可再生能源轉換，用可再生能源替代礦物能源，用無(wú)碳能源、低碳能源替代高碳能源。為降低對傳統能源的依賴(lài)，世界對新型能源的重視越來(lái)越高。太陽(yáng)能是最具潛能的新能源形式之一，其中光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的有效方式之一。光伏發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：安全可靠，無(wú)噪聲，無(wú)污染，能量隨處可得，無(wú)需消耗燃料，不受地域限制，規模大小隨意，無(wú)需架設輸電線(xiàn)路，可以方便地與建筑物相結合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規發(fā)電和其他發(fā)電方式所不可比擬的。在光伏發(fā)電系統中，要提高系統的整體效率，達到充分利用太陽(yáng)能資源的目的，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調節光伏電池的工作點(diǎn)，使之工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　1 光伏電池模型及輸出特性

　　1.1 光伏電池的數學(xué)模型

　　在光照強度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線(xiàn)性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中，UJ為PN結電壓，Id為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流，Id=Io{EU+IRS） nKT-1}。一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，由于串聯(lián)電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進(jìn)行理想電路的計算時(shí)，它們均可忽略不計。由圖1的太陽(yáng)能光伏電池等效電路得出：I=Iph-I0［eq（U+IRS） nKT -1］- U+IR R s sh（1）式中，I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷，q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數，k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學(xué)溫度;n為N結的曲線(xiàn)常數;Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

　　圖1 光伏電池等效電路

　　1.2 光伏電池電氣特性

　　光伏電池的輸出特性主要通過(guò)I-U和P-U特性曲線(xiàn)來(lái)加以體現，如圖2所示。

　　圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線(xiàn)

　　從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)與工作環(huán)境的光照、溫度等因素有著(zhù)密切的關(guān)系，且具有明顯的非線(xiàn)性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，所以為了實(shí)現光伏發(fā)電系統的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　2 MPPT控制方法的對比分析

　　國內外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動(dòng)觀(guān)測法/爬山法、電導增量