浙江大學(xué) 李君妍

21世紀(jì)安全、清潔和可持續(xù)的能源供應(yīng)是最重要的科學(xué)技術(shù)，也是人類面臨的最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中光伏發(fā)電是近年來發(fā)展最快的能量轉(zhuǎn)換方法之一。為了提高光伏發(fā)電的效率，最大功率點跟蹤技術(shù)已成為近年來的研究熱點之一。但光伏發(fā)電技術(shù)相對于火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電方式較不成熟，它發(fā)電效率低、受環(huán)境影響大，如何提高發(fā)電效率是近幾年研究的熱門內(nèi)容之一。

光強度、溫度以及負(fù)載都是影響太陽能電池輸出特性的主要因素，在電壓一定的基礎(chǔ)上輸出功率才能達(dá)到最大值，因此太陽能電池可在最短的時間內(nèi)產(chǎn)生最大的電能。而在此過程中，太陽能電池輸出功率特性曲線的最高點則為電壓功率點，其被稱之為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）。通過分析太陽能電池的輸出特性，在溫度和光照同時變化時，這種情況下最大功率點的范圍跨度會變大。在光伏發(fā)電過程中，可對太陽能板的發(fā)電電壓通過運用最大功率點跟蹤技術(shù)實現(xiàn)實時檢測，并追蹤發(fā)電的最高電壓以及電流值，以此能實現(xiàn)最大化的系統(tǒng)輸出功率，進(jìn)而促使光伏發(fā)電的效率有效提高，使得光伏發(fā)電的成本在一定程度上減少。

1 傳統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)

目前國內(nèi)外研究人員一般情況下都會運用到的最大功率點跟蹤法包括恒壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法，它們都有各自的優(yōu)缺點。

恒壓跟蹤法。是太陽能電池最大功率點跟蹤方法中較早期的策略之一，是建立在恒定的電壓值基礎(chǔ)上保持以及控制光伏陣列的輸出電壓，在此過程中只需獲得最大功率點輸出對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，同時根據(jù)電壓數(shù)據(jù)控制電池的輸出電壓。這種方法從根本意義上并不屬于真正的MPPT控制方法，其主要原因是在于如果外界環(huán)境發(fā)生變化，那么在運用這種方法時并不能實現(xiàn)自動跟蹤到新的最大功率點處。

電導(dǎo)增量法。具備較為復(fù)雜的跟蹤過程，且檢測精度會受在很大程度上影響到最大功率點跟蹤的速度以及準(zhǔn)確率。

擾動觀察法。在實際運用過程中需通過調(diào)整參考電壓、針對于最大功率點進(jìn)行持續(xù)跟蹤，并要建立在P=UI計算擾動前后光伏陣列的輸出功率的基礎(chǔ)上，比較擾動前輸出功率以及擾動后輸出功率，本質(zhì)上是一個自動尋找最優(yōu)解的方法，故而又被稱之為爬山法。其缺點是在實際運用過程中并不能做到同時兼?zhèn)湓谧畲蠊β庶c附近的擺動及造成的功率損耗和穩(wěn)態(tài)精度與跟蹤速度。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了以下方案：對爬坡率進(jìn)行修改優(yōu)化，對擾動觀察法在運用過程中的復(fù)合控制策略進(jìn)行修改優(yōu)化，能使MPPT的整體性能獲得進(jìn)一步改善；針對于跟蹤速度以及穩(wěn)態(tài)精度同時存在的問題，可通過恒定電壓法與擾動觀察法相互結(jié)合的復(fù)合控制策略加以解決。但無論是恒壓跟蹤法還是擾動觀察法以及電導(dǎo)增量法，其在實際運用過程中都存在著電壓增量步長不容易確定的問題，這種情況下也就意味著應(yīng)深入研究步長的設(shè)定。

傳統(tǒng)擾動觀察法原理。傳統(tǒng)的定步長擾動觀察法在改變輸出功率的過程中，是通過對光伏電池工作的每個周期內(nèi)的電壓施加擾動得以實現(xiàn)，以此對功率進(jìn)行尋優(yōu)[1]。它的特點為加入一個干擾，利用干擾的影響追蹤最大功率點。其步長為dk=dk-1±N×Δd，其中Δd是最小設(shè)定步長，N是大于0的整數(shù)，N的值越大則表示調(diào)整的步長越大，反之調(diào)整的步長越小。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 改進(jìn)的變步長擾動觀察法MPPT的模型

傳統(tǒng)定步長擾動觀察法也有缺點：擾動步長變小能實現(xiàn)功率振蕩減小，但卻會加長跟蹤時間；反之，擾動步長變大雖能實現(xiàn)縮短蹤時間，但卻會導(dǎo)致功率振蕩變大。存在跟蹤速度和跟蹤精度二者不可兼得的缺點[2]。本文對步長進(jìn)行了較為合理的取值，比較之前和之后測得的兩個功率值后，如果兩個值變化很小則意味著輸出功率接近最大功率點，此時的步長變化很小。反之，如果兩個值變化很大，由于輸出功率不在最大功率點附近，此時的階躍變化也變化較大，階躍變化較大可減小功率波動并提高跟蹤速度。

該模型令前后兩次的步長dk、dk-1滿足 dk=f|ΔP|/dk-1，其中dk的取值在0與1之間變化；|ΔP|=P(k)-P(k-1)，表示功率的變化；f反應(yīng)了步長調(diào)節(jié)的靈敏性，是一個常數(shù)。當(dāng)ΔP很小時|ΔP|/dk-1也很小，那么dk很小即步長變??；同理當(dāng)|ΔP|很大時|ΔP|/dk-1也很大，dk很大即步長變大，因此可以提高跟蹤最大功率的速度。

調(diào)節(jié)Boost電路中PWM信號的占空比可以進(jìn)行與光伏列陣的輸出阻抗匹配，可減少設(shè)計的復(fù)雜度，因此可將光伏發(fā)電接入Boost電路中，實現(xiàn)MPPT。

2.2 仿真

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏陣列、MPPT跟蹤控制器、直流變換器及負(fù)載。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1。MPPT跟蹤控制器通過電流、電壓傳感器檢測得到光伏陣列的輸出電流Ip與輸出電壓Up，兩者相乘得到其輸出功率。比較輸出功率與最大功率間的差值通過MPPT跟蹤控制器調(diào)整光伏陣列的輸出電壓期望值UREF，將UREF與Up進(jìn)行比較，控制得到期望的PWM波，使得Up能夠跟隨UREF，從而光伏電池即能工作在最大功率點上。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

2.3 仿真結(jié)果與分析

光強和溫度變化時光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓的變化被稱之為仿真結(jié)果。通過變換器輸出的提供給負(fù)載的功率被稱之為輸出功率；太陽能電池發(fā)出的輸入給變換器的功率被稱之為輸入功率。設(shè)置溫度一開始為25℃，0.1s時溫度變?yōu)?5℃，0.2s時溫度變?yōu)?5℃。光照強度一開始為1000W/m2，0.1s時為600W/m2，0.2s時為800W/m2。

圖2顯示了溫度和光強變化時，采用傳統(tǒng)定步長P&O法光伏電源的輸出功率，由圖可知，光伏列陣達(dá)到最大功率的時間相對較長且存在著功率的波動。圖3顯示了采用改進(jìn)的變步長擾動法后光伏系統(tǒng)輸出的功率波形圖，圖中輸出功率能很快到達(dá)最大功率點，而且在0.2s與0.4s外界條件變化時，輸出的功率很穩(wěn)定。因此，本文提出的改進(jìn)的P&O方法精度更高，到達(dá)最大功率點的速度更快，功率波動較小，在實際情況中應(yīng)用度更高。本文模型和傳統(tǒng)定步長P&O模型間的指標(biāo)分別為：到達(dá)最大功率點時間0.01s/0.06s，功率波動較小/較大，誤差百分比13.66%/20.86%。

圖2 傳統(tǒng)P&O法下輸出功率

圖3 改進(jìn)變步長P&O法下輸出功率

綜上，未來MPPT的研究中可考慮如下改進(jìn)：更多研究比較不同算法的仿真結(jié)果，得出在不同規(guī)模、地區(qū)、用途下的環(huán)境中應(yīng)使用哪一種算法；挑選跟蹤效果、硬件設(shè)備、算法復(fù)雜程度都較優(yōu)的算法進(jìn)行實驗驗證，比較與仿真結(jié)果的差別。