作者簡(jiǎn)介：宋風(fēng)達(dá)（1993-），男，漢族，河北省衡水市。助理工程師，本科，單位：榆林國(guó)遠(yuǎn)風(fēng)電有限公司，研究方向：新能源管理

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太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

宋風(fēng)達(dá)

榆林國(guó)遠(yuǎn)風(fēng)電有限公司? ? 陜西? ?榆林? 719199

摘 要：太陽(yáng)能作為綠色能源之一，由于其可再生性、對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染以及取之不盡用之不竭等特點(diǎn)，正在逐漸成為可再生能源研究中最受歡迎的一種。在太陽(yáng)能研究的進(jìn)程中，低價(jià)格、高效率是人們一直追求的目標(biāo)。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)是提高光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，學(xué)習(xí)研究最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)并將其應(yīng)用到光伏系統(tǒng)之中，在學(xué)術(shù)研究以及工程應(yīng)用中都具有重大的意義。本文首先對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電和最大功率點(diǎn)跟蹤的原理做了介紹，然后，對(duì)現(xiàn)如今光伏發(fā)電中比較常用的干擾觀測(cè)法（P&O）、電導(dǎo)增量法（IncCon）和人工智能的模糊邏輯控制法三種最大功率點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行說(shuō)明及比較 [1]。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;最大功率點(diǎn)跟蹤;

0前言

我國(guó)地處北半球，幅員遼闊，太陽(yáng)能資源比較豐富，大多數(shù)地區(qū)日平均輻射量每平方米可高達(dá)4kW/h，尤其是在西北地區(qū)，日平均輻射量可高達(dá)7千瓦時(shí)每平方米，我國(guó)太陽(yáng)能每年的儲(chǔ)量理論上相當(dāng)于1.7萬(wàn)億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，其開(kāi)發(fā)利用前景非常可觀。

最大功率追蹤技術(shù)（Maximum Power Point Tracking）可以根據(jù)檢測(cè)到的日照強(qiáng)度以及周邊環(huán)境溫度，發(fā)出信號(hào)作用于調(diào)整光伏逆變器的直流輸出，讓光伏逆變器發(fā)揮最大的發(fā)電效果，目的是：使得投資的光伏設(shè)備（逆變器+集能板+覆蓋建物+施工成本）具有最大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展、實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池陣列、功率調(diào)節(jié)器、電能表、線路等組成。早在1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾（Becqurel）就發(fā)現(xiàn)，光伏電池是一種具有光、電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件，將P型硅與N型硅相結(jié)合，在太陽(yáng)光的照射下，電子從化學(xué)鍵中釋放，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，由于PN型半導(dǎo)體特性導(dǎo)致電子和空穴的擴(kuò)散，兩種半導(dǎo)體交界區(qū)域形成一個(gè)電勢(shì)差，從而產(chǎn)生電壓和電流。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為“光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。如下圖1-1所以既為光伏電池在太陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生電能的過(guò)程。

圖1-1 光伏電池受光發(fā)電的原理圖

1.1 太陽(yáng)能光伏電池的等效模型

每個(gè)光伏電池單元的模型可以看作是一個(gè)恒電流源，然后并入一個(gè)正向的二極管。其等效電路模型如如1-2所示

圖1-2光伏電池等效電路圖

在圖1-2中，光伏電池產(chǎn)生的內(nèi)部電流為Iph，該電流的大小由光照強(qiáng)度以及光伏電池的面積大小決定;Id為在無(wú)光照的情況下光伏電池內(nèi)部流經(jīng)二極管的暗電流;Rs為光伏電池內(nèi)部的等效電阻，一般情況下比較小;I為光伏電池輸出的負(fù)載電流; U為光伏電池的開(kāi)路電壓，與環(huán)境溫度成反比，與光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，與光伏電池的面積大小無(wú)關(guān);

2 常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法

2.1 最大功率點(diǎn)的跟蹤原理

太陽(yáng)能電池板為非線性電源，其輸出特性通常與光照、溫度和負(fù)載R有關(guān)，在光照個(gè)溫度一定的情況下，太陽(yáng)能電池板可以設(shè)置輸出不同的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某一個(gè)特殊值時(shí)，輸出功率最大。在光伏系統(tǒng)中，為了提高光伏系統(tǒng)的效率，需要實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，即系統(tǒng)要能跟蹤太陽(yáng)電池輸出的最大功率點(diǎn)。而實(shí)現(xiàn)最大點(diǎn)跟蹤的方法就是通過(guò)不同的跟蹤算法來(lái)完成。

2.2 干擾觀測(cè)法

該方法又叫爬山法或登山法。其基本原理就是首先讓光伏電池工作在某一參考電壓下，每隔一段時(shí)間增大或減小輸出電壓，若發(fā)現(xiàn)輸出功率變大，則繼續(xù)向相同的方向改變電壓，否則向相反的方向改變電壓，電壓的該變量稱為步長(zhǎng)，以此可以不斷逼近光伏電池的最大功率點(diǎn)，最終在其附近較小的范圍內(nèi)往復(fù)振蕩運(yùn)行達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖2-1 干擾觀測(cè)法的控制原理圖

如上圖2-1所示，首先設(shè)定一個(gè)參考電壓U0，此時(shí)我們可以得到輸出功率為P0，然后等待一個(gè)設(shè)定好的時(shí)間間隔以后，增加或者減小電壓使其變?yōu)閁1，此時(shí)我們可以得到此刻的輸出功率P1，如果P1大于P0，測(cè)表明電壓的擾動(dòng)方向?yàn)檎较颍凑f(shuō)明此時(shí)的輸出功率正在逐漸靠近最大功率點(diǎn)處，輸出電壓小于Umax，則下一步的擾動(dòng)方向依然和上步相同;如果P1小于P0，測(cè)表明電壓的擾動(dòng)方向?yàn)榉捶较?，即說(shuō)明此時(shí)的輸出功率正在逐漸遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)處，輸出電壓大于Umax，則下一步的擾動(dòng)方向應(yīng)該和上步相反【2】。

2.3 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法也是在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種跟蹤方法，其控制思想和干擾觀測(cè)法大致相同，通過(guò)比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變系統(tǒng)的控制信號(hào)。從2.2.1中圖2-1中可以看出，光伏電池的功率—電壓輸出特性曲線可以看出，光伏電池的P-U曲線是一個(gè)單峰值曲線，最大功率點(diǎn)處于曲線頂點(diǎn)。由此可得該方法的數(shù)學(xué)模型是：

由公式可得以下三個(gè)結(jié)論：

① ，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處

② >0，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)，應(yīng)該提高輸出電壓

③ <0，光伏電池工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)，應(yīng)該減小輸出電壓

電導(dǎo)增量法實(shí)際應(yīng)用中，需要給出一個(gè)合適的閾值E，并設(shè)定時(shí)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)處，當(dāng)電導(dǎo)增量值小于這個(gè)閾值時(shí)，無(wú)需改變工作點(diǎn);當(dāng)電導(dǎo)增量值大于這個(gè)閾值時(shí)，需要相應(yīng)的變化工作點(diǎn)。所以選擇合適的閾值非常關(guān)鍵。該方法的優(yōu)缺點(diǎn)跟干擾觀測(cè)法差不多，因?yàn)槠湓O(shè)定了閾值，其穩(wěn)態(tài)精度的震蕩比擾動(dòng)觀測(cè)法小，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。該方法的缺點(diǎn)在于它對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求較高，特別是對(duì)傳感器的精度和各個(gè)部分響應(yīng)速度要求較高，增加了一定的成本。

2.4模糊邏輯控制法

模糊邏輯控制簡(jiǎn)稱為模糊控制，該控制理論由美國(guó)加州大學(xué)自動(dòng)控制系的L.A.Zedeh教授提出，開(kāi)創(chuàng)了模糊控制學(xué)的基礎(chǔ)。

模糊控制的控制過(guò)程分為三步：第一步是首先采集變量信息，并將信息模糊化;第二步則是結(jié)合知識(shí)庫(kù)進(jìn)行模糊決策，即通過(guò)輸入的模糊集合得到輸出的模糊集合;第三步則是將輸出的模糊集合進(jìn)行結(jié)模糊化，得到精確量，作用于被控對(duì)象。

模糊控制的基礎(chǔ)是建立在模糊邏輯上面，不需要太精確的數(shù)學(xué)模型。它比傳統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)更接近于人類的思維和語(yǔ)言表達(dá)方式，使得操作人員易于接受。在一些復(fù)雜系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)存在定性的不精確和不確定信息的情況下，模糊控制的效果常優(yōu)于常規(guī)控制 。模糊系統(tǒng)的組成如圖2-2所示。[3]

模糊控制亦存在其不足之處，由于發(fā)展歷史還不夠長(zhǎng)，在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合中，往往需要大量的前人的研究數(shù)據(jù)，事先對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而導(dǎo)致模糊控制算法的設(shè)計(jì)難度較大，而且其運(yùn)算量比較大，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是不夠的。在上述方面還需要進(jìn)行進(jìn)一步做深入的研究。在國(guó)際大趨勢(shì)的推動(dòng)下，模糊控制已經(jīng)開(kāi)始和向多元化和交叉學(xué)科方向發(fā)展。在未來(lái)的研究領(lǐng)域，這也必然將成為熱點(diǎn)。[4]

3 結(jié)語(yǔ)

由上述幾種算法控制效果以及成本之間的對(duì)比可以看出，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高的控制方法必然是建立在高成本的基礎(chǔ)上，所以可以推測(cè)出未來(lái)MPPT算法的幾種發(fā)展趨勢(shì)：

1）為了追求大型光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必然是像模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制這樣的人工智能方法，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)而且穩(wěn)態(tài)精度高。

2）為了節(jié)約成本，一些小型的發(fā)電項(xiàng)目，比如太陽(yáng)能路燈等對(duì)控制精度要求不是很高的場(chǎng)合，可以采用干擾觀測(cè)法、恒定電壓法進(jìn)行MPPT控制，在硬件的投入上可以節(jié)約不少。

3）將之前提出的算法進(jìn)行混合，優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，既可以提高發(fā)電效率，又可以減少硬件方面的投入。

隨著對(duì)運(yùn)算控制器的性能進(jìn)行不斷地提高，以及對(duì)人工智能方法的理論方面不斷完善，在跟蹤效率以及成本降低方面一定會(huì)實(shí)現(xiàn)雙提高。

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭(zhēng)鳴，陳劍等著.太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]趙慶平，姜恩華，朱旋. 基于MATLAB的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究[N].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào).2013（5）：26～27.

[3]李人厚.智能控制理論和方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[4]李國(guó)勇著.神經(jīng)模糊控制理論及其應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2009.