太阳能光伏最大功率点跟踪控制技术

陈小玲胡洋

摘要：随着社会文明水平的不断进步，人民素质的日益提高，传统能源（如石油、煤炭等）已经不能人类日益增长的物质需要。可持续发展概念的提出对可再生能源的关注度不断提高。太阳能是一种新兴的可再生能源，主要是指太阳的热辐射能，在现代一般被用作发电或者为热水器提高热能。太阳能光伏系统是一种以太阳能为主要能源的新型发电系统，此系统可以与电网系统直接连接并网运行，具有很高的发电效率和很好的环保性能。光伏发电是太阳能最简单有效的利用形式，但受其非线性输出特性的影响，总不能使输出的能量最大化，因此，对太阳能光伏最大功率点跟踪控制技术进行研究是非常重要的。本文提出几种了几种行之有效的最大功率点跟踪控制措施。

关键词：太阳能；光伏发电；最大功率点；跟踪控制措施

引言：太阳能光伏发电系统利用的基础原理是太阳能电池半导材料的光伏效应，这种系统可以直接将太阳光辐射能直接转化为电能，它有并网运行和独立运行两种方式。光伏发电系统在独立运行时需要配备蓄电池来储存收集到的电能，这种运行方式主要用于未架设电网系统的偏远地区，因其造价过高，所以很少使用。在建有电网系统的地区可用并网方式运行，可以直接接入当地的电网系统，将太阳能电池板收集到的电能直接输送到电网系统中，省去了大量的蓄电池，大幅度的降低了造价。当此系统在自然环境下运行时，其输出特性会被干扰，为了实现太阳能光伏发电系统的高效利用，可以通过采取一些控制措施，来稳定光伏发电系统的输出特性。

一、太阳能光伏发电原理

太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

二、最大功率点跟踪控制措施

2.1恒定电压跟踪控制

环境具有恒定温度的情况下，无论如何改变光照强度，光伏电池的最大功率点都大致处于相同一条垂直线的两侧，所以，我们可以将一条垂直线大致当作最大功率线，设置一个恒定电压并让光伏电池在此电压下进行工作，以上所述即为固定电压跟踪法控制法。在此之前，人们采用在负载与光伏阵列之间进行阻抗变换，让光伏发电系统变成稳压器，组成固定电压式的MPPT的方法进行光伏发电系统最大功率点的跟踪控制，此法有一个缺点，就是不可以在任意温度条件下对光电系统的最大功率点进行跟踪控制。可是，因为在实际操作时，由于周围环境因素不稳定，温度会变化不定，所以这种早期技术更适合在恒温或温度波动较小的环境下使用。

2.2太阳能光伏发电系统阵列的串并联数设计

若固定了光伏发电系统的负载，我们能够设计或改变光伏系统的发电阵列，保证光伏发电系统在此固定负载下输出最大功率。因为当太阳的光照强度等因素有了变化，光伏发电系统的输出阻抗就会随之而改变，他们二者之间的关系为负相关，即太阳光照强度越弱，光伏发电系统的输出阻抗就会越大，同样的，若想使光伏发电系统的输出阻抗变小，就要增强太阳光的光照强度。另外，经过多年的研究观察及试验发现，当光伏发电系统输出功率达到峰值时，唯能根据太阳光照强度来确定光伏发电系统内部的串并联数。太阳光照强度比较弱的时候，要保证光伏发电系统内并联数占多数，串联数占少数；相对的，当太阳光照强度比较强的时候，光伏发电系统内串联数占多数，并联数占少数。所以，在对太阳能光伏发电系统阵列进行设计的过程中，要先确保选用较低耗能的数据采集仪器。然后，要采用可靠、经济的蓄电池及太阳能发电板。在设计太阳能光伏发电系统阵列时不仅要防止太阳能发电板的系统容量太大，出现浪费的现象；还应该杜绝由于太能发电板系统容量太小，在阴雨期不能进行测量的现象出现。

2.3脉宽调制法

脉宽调制法的控制原理是，通过利用DC/DC变换器对系统进行控制。开关工作在开关状态时，变化器通过控制系统信号，把阵列的直流输出变换成一个有可变占空比的方波信号，从而改变了系统的等效负载。在实践中，一般采用脉宽调制对DC/DC变换器进行驱动，它与太阳能光伏发电系统板串联，通过改变PWM波的占空比，控制系统电压达到最大功率跟踪的目的。DC/DC变换电路来实现，通过调节PWM波的占空比控制功率的输出。在Boost变换器的电路中串入最大功率控制控制系统，利用Matlab搭建仿真模型，编写S函数作为最大功率控制的控制模块，对光伏电池的最大功率点进行追踪。

选择短路电流3.2A、开路电压22V、最大功率点电流2.94A和最大功率点电压17V的光伏电池模块组成光伏电池阵列进行仿真，即其短路电流和光伏电池阵列的开路电压分别为3.2A和374V，光伏电池阵列最大功率点电流和最大功率点电压分别为2.94A和289V。光伏阵列输入太阳光照强度为1000W/m，温度为25℃。对系统仿真结果进行分析，发现基于脉宽调制法控制的光伏电池输出功率范围很大，输出功率比较稳定，跟踪速度也比较快，提高了最大功率跟踪的效率。

2.4其他方法

基于粒子群优化BP神经网络的光伏电池跟踪控制技术是通过粒子群优化技术中显著的寻优功能而提出的；基于模糊逻辑的MPPT技术是通过模糊控制技术针对非线性系统具有良好控制精度特点提出的，此法对响应速度进行了提高，但是因为在面对外界环境的变化时神经网络有非常强大的自习功能，所以学者们使神经网络与模糊算法相互融合，提出了更为精确的MPPT控制技术，同时还有光源跟踪控制法、扰动观察法、开路电压法、负载跟踪控制法等多种最大功率点跟踪控制法。

结语：太阳能作为一种新兴的可再生能源，因其可开展大规模的开发利用，且绿色程度极高，所以具有广阔的发展前景和巨大的潜力。对于其输出的稳定性，我们可以通过对太阳能光伏发电系统最大功率点的规律进行深入的研究，以此为基础，实施一些行之有效的控制措施，从而达到太阳能光伏发电系统的高效利用。从目前的发展趋势来看，光伏系统最大功率点的跟踪控制必然会朝着集成化和智能化的方向发展。本文是笔者结合实际情况通过分析研究所得，望对读者有所帮助，对我国的太阳能发电事业有所贡献。

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