光伏发电系统最大功率点跟踪技术分析

光伏发电系统最大功率点跟踪技术分析

汪祖赟

青海新能源（集团）有限公司 青海，西宁 810000

摘要：随着社会的发展和进步，目前清洁能源获得了较多的应用，实际提升了社会的发展水平和发展能力，也更是有效保护了环境，使得传统石油能源的污染量降低，在这样的基础上，可以有效促进社会的可持续发展和经济水平的再次提升。其中关于光伏发电系统当中的相关功率控制和跟踪技术应用，实际可以反映光伏发电系统的实际功率情况和存在问题，进而也就可以根据具体的情况进行一定的调整和实施，以光伏发电技术的进一步创新和改进。

关键词：光伏发电系统；最大功率；跟踪技术

1 相关理论概述

太阳光发电作为洁净的和未来最有希望发光电方式之一，越来越受到人们的重视。光伏发电系统各个方面的研究都在不断地深入进行着，本文讨论的太阳光发电系统的最大功率点跟踪控制就是其中一个重要的研究课题。从实际应用角度出发，详细论述了采用功率对电压微分法进行最大功率点跟踪控制的过程，并通过实验验证其可行性和有效性。

太阳能电池的最大功率点跟踪控制是为充分利用太阳能，使太阳能电池始终输出最大电功率的控制，有登山法、功率数字模型法等。功率数字模型法是建立功率对占空比的数字模型，当日射量和温度有变化时要重新求得数字模型的参数，通过改变占空比达到最大功率点。因为是用4次方程定义功率对占空比的特性曲线，所以有一定的近似程度。登山法是最常用的控制法，通常的登山法是在最大功率点附近逐点计算、比较功率值来寻找最大功率点。当日射强度和温度急剧变化时，太阳能电池的输出特性也会有相应的变化，这就造成最大功率点的快速跟踪难以实现。

在太阳能电池的输出特性有变化时也能快速地达最大功率点。此控制系统以阻性负载的独立运行太阳光发电系统为基础，根据太阳能电池的输出功率对电压微分在最大功率点必然是0这一原理实现最大功率点跟踪控制。这种微分控制法，可以不考虑幅射强度和太阳能电池的温度变化对控制的直接影响。把导出的非线性状态方程经线性化处理后，将检测出的太阳能电池的输出功率和电压值代入求解，计算其微分及误差，然后根据误差结果通过自动控制使上述微分值始终趋向和保持为0。由此可见，如何高精度、快速地求得太阳能电池的输出功率对电压的微分是问题的关键所在。本文从对状态方程的分析，得出了改变斩波器的占空比就可以改变太阳能电池的输出电压的结论，然后利用太阳能电池在最大功率点的输出功率对电压微分是0，的大批量进行控制。

2 光伏阵列最大功率点跟踪的方法——扰动观察法

最大功率点跟踪方法实质上是自寻优过程，主要包括固定电压法、扰动观察法、电导增量法 、间歇扫描法和智能控制法等，下面介绍扰动观察法。对于光伏发电系统的发电功能而言，能量的传递方向是由光伏阵列送给电网的，图4示出了光伏发电系统直流测的电流关系。其中，udc（n）—当前采样电压值，isp（n）—当前采样电流值，|△udc|—扰动电压步长，s—扰动方向，udc（n-1）—前一次电压值，p（n）—当前太阳电池功率计算值，p（n-1）—前一次计算的太阳电池功率值，△p—两次功率之差。

扰动观察法的工作原理就是借以周期性的改变负载大小来改变光伏电池的输出电压及功率，也就是改变光伏阵列的工作点，它通过观察比较和变动前后两次的输出功率和输出电压的大小来决定下个周期负载的变动是增加还是减少。该方法的具体操作是给输出电压一个扰动值，其方向可正（s=1），可负（s=-1），然后根据测出的电压电流值计算出太阳电池的输出功率p（n），然后将其与上一个测量值p（n-1）进行比较。若输出功率增大，说明扰动所加的方向有利于输出功率的提高，此后继续向这个方向施加扰动并继续观察，若施加的扰动使光伏阵列的输出功率减小，说明扰动的方向错误，则在下一次的扰动中使方向相反，如此不停的观察调整，以使光伏电池工作在最大功率点附近。

　　扰动观察法的实现原理较为简单，容易实现，并且不用考虑温度或光照强度的变化，独立于系统使用环境，因此适应性较强。但是频繁的功率扰动使得系统多数时间只能工作在最大功率点附近，即使系统偶尔恰好工作在最大功率点，算法也会强制系统离开，所以扰动观察法的最大功率点跟踪效率并不是很高。而且采用这种控制策略的光伏系统的最大跟踪效率和跟踪速度取决于跟踪步长的大小。此外，这种控制方法也可能在光强变化的情况下或多电池板串并联时会产生最大功率点“误判”的情况，可能使最大功率点跟踪的扰动方向在一段时期内始终朝着一个方向，导致系统无法正常工作，或是最大功率点跟踪停留在多峰曲线的“假”最大功率点上。

3 基于变换器输出电流控制的最大功率点跟踪的算法

由扰动观测法可知，为了判断施加扰动量后光伏电池输出功率的变化情况，需要对光伏电池输出电压和输出电流进行采样并计算功率，以便根据功率变化情况决定施加扰动量的方向，以此进行最大功率点跟踪。与其它最大功率点跟踪法相比，扰动观测法具有算法简单、实现方便，受环境因素影响小等优点。但是扰动观测法需要对光伏电池输出电压和输出电流进行检测，而一般变换器（并网型逆变器或独立运行充电控制器）只在输出端装电流传感器，用其进行电流控制，这就需要额外的两个传感器，从而增加系统成本，另外，扰动观测法需要对采样结果进行功率计算（乘法运算），也增加了单片机的运算量。如果能够根据变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省去两个传感器，而且无需乘法运算，在继承扰动观测法算法简单、受环境因素影响小等优点的基础上，进一步降低系统成本，减轻单片机运算负担。变换器输出电流控制最大功率点跟踪法正是基于这点提出的。为了简化其工作原理的分析，先做两个假设：变换器自身功率损耗为零，即光伏电池输出功率等于变换器输出功率；负载两端电压（蓄电池电压或电网电压）恒定不变。

结论

光伏发电最重要的在于功率的大小，功率越大，实际的发电效率也就越高，同时也就更加需要重视进行相关的发电控制，以提升经济效益和社会方面的效益，在这样的实际情况下，也更是可以促进社会的发展和进步，所以需要重视进行相关技术的创新和改进，以促进光伏发电领域的发展与进步。

参考文献：

[1]靳肖林,文尚胜,倪浩智,杨禹轩,文玉良.光伏发电系统最大功率点跟踪技术综述[J].电源技术,2019,43(03):532-535.

[2]邓孟华.光伏发电系统最大功率点跟踪技术的研究与仿真[J].电子世界,2018(18):159-160.

[3]戴亦宗,赵德安.基于遗传算法模糊控制的光伏发电系统最大功率点跟踪技术的研究[J].机电工程技术,2013,42(09):56-59.

[4]林期远,杨启岳,徐,周鑫发.分布式光伏发电系统最大功率点跟踪技术比较研究[J].能源工程,2012(02):1-10.