刍议光伏发电中 MPPT 控制方法

摘要：本文根据作者多年工作经验，对光伏发电中MPPT控制方法进行了探讨，并提出相关见解，仅供同行参考。

关键词：最大功率点跟踪；光伏发电；双步长扰动观察法；迭代比较法

中图分类号：U223 文献标识码：A

太阳能光伏产业是目前世界发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境的可持续发展，众多国家将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点，光伏电能将会是未来主导的绿色能源之一。光伏阵列的输出功率与日照强度、电池结温以及负载的变化密切相关并且呈现出强非线性特性，在特定的工作环境下存在唯一的最大功率输出点(MPP)，但实际应用中太阳电池输出功率达不到理想的功率值，导致了一部分功率损耗，为了获得最大的光伏利用率，大多采用最大功率点输出跟踪(MPPT)控制的方法。

1 MPPT 原理

图 1、2 所示的 I-U 和 P-U 特性可看出在不同的日照和温度下，光伏阵列的电压、电流和功率输出是有很大变化的。日照越强，光伏阵列的输出电流越大；太阳电池板的温度越高，光伏阵列的输出电压越小。但在一定的光照和温度下光伏阵列的输出都会有一个最大功率点(MPP)。光伏阵列的输出功率与它所受的日照强度、环境温度以及负载密切相关。在不同外部环境情况下，其输出功率会有较大的变化，因此光伏发电系统常采用外加电路和控制策略对输出功率加以控制使其输出最大功率。

理论上如果将光伏阵列与负载完全匹配，光伏阵列就能实现最大功率点跟踪。但实际中如果不加 MPPT 控制很难达到最佳匹配，图 3 为使用 BUCK 变换器的 MPPT 光伏控制器简图。设 BUCK 变换器工作在电感电流连续状态，D 为功率开关管的占空比。对于理想的 BUCK 变换器有：，，则其等效输入阻抗为：

。

当 BUCK 变换器实际负载的阻抗一定时，改变开关占空比，就可以改变功率变换器的等效输入阻抗，即可改变光伏电池的等效负载，进而改变改变光伏阵列的工作点和输出功率。

按一定的控制规律控制功率变换器占空比的变化过程，就可以使光伏电池工作于某一特定条件下的最大功率点处或其附近很小的变化范围之内，从而实现光伏系统的最大功率点跟踪。

2 MPPT 控制方法

(1) 常规 MPPT 控制方法

恒电压跟踪法(CVT)依靠光伏阵列在不同的日照强度和相同的温度下最大功率点电压基本不变的原理，控制光伏阵列的输出电压 Uv恒定工作在电压 Vm来完成对最大功率的追踪。开路电压法是其最大功率点工作电压V1与开路电压V2的比值约为 0.76，将其工作电压设定为 0.76 倍的开路电压，此时光伏阵列即近似工作在最大功率点。短路电流法是其最大功率点输出电流 Im与短路电流 Is的比值近似等于 0.91 而设计的算法。

这些方法较实用，但它们只是近似的 MPPT 方法，在环境条件快速变化的时候，会带来较大的能量损失。扰动观察法是初设一个光伏阵列工作电压，通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周期性扰动，比较扰动前后的输出功率，如果增加，则光伏电池工作于 MPP 左侧，保持当前的扰动方向，增大光伏阵列输出端电压；反之亦然。该方法简单，但会导致输出在 MPP 附近振荡，造成一定的功率损失，并且当环境变化剧烈时有可能导致跟踪失败。增量电导法是依据光伏阵列在最大功率点处 dP/dU=0，所以有：dP/dU=I +U×dI /dU=0，即dI/dU=－I/U，则当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，光伏电池工作在 MPP 附近。增量电导法控制相对精确、跟踪速度较快，基本可以消除在 MPP 振荡现象，与扰动法相比，他们都存在跟踪速度与跟踪精度矛盾的问题，该方法对硬件的要求特别是传感器要求较高，成本也相对较高。此外还有神经网络法、模糊控制法等，这些方法在一定程度上能够较好地缓解跟踪速度与跟踪精度的矛盾，但在实际的工程应用中运用较少，也很难实现。

(2) 双步长扰动观察法

扰动观察法可通过减小占空比变化量 DD 改善光伏器件在 MPP 附近的功率振荡现象，但 DD 较小会降低系统对日照变化的响应速度，当外界环境变化较大的时候，跟踪速度会比较慢，但较大的 DD 又会使其跟踪的精度降低，可考虑根据光伏器件工作点调整 MPPT 控制中的 DD 从而兼顾 MPPT 的快速性和精度。模糊控制也是普遍使用的变步长 MPP 控制方法，它虽具有较佳的快速性和稳定性，但该方法实现复杂，工程应用较为困难。此双变步长 MPPT 控制方法是在控制过程中 Dd 共有两个等级，较大者用于日照突变时 MPPT 控制；较小者用于光伏器件工作在 MPP 附近，以降低功率振荡。由图 1、2 可知 DP/DU 在 MPPT 两侧的符号是不同的，但可以判断：

上式表明 J 为正时，光伏器件未到达 MPP；J 由正变负时，工作点从 MPP 一侧转移到另一侧，光伏器件工作在 MPP附近。

当 J >0 时，光伏器件仍未达到 MPP，此时 DD 较大，以快速跟踪外部环境变化能力。

当 J

此时 J 赋值为零，同时 DD 变为正常，以使系统快速跟踪外部环境变化。该控制方法能较好地解决跟踪速度与跟踪精度之间的矛盾，同时在实际的工程项目中容易实现。

(3) 迭代比较法

在实际的跟踪最大功率的过程中，P 随占空比 D 的变化曲线是单峰值曲线，设[Da,Db]为迭代区间，对应于占空比 D，其最大区间为[0,1]，e 为误差值，Dx，Dy为迭代变量，设有 Dx,Dy的值即 Dx= Da＋0.382(Db－Da)，Dy= Da＋0.618(Db－Da)作为脉宽调制信号，驱动开关管，通过电压电流传感器检测到功率 Px、Py，并根据 Px、Py的值作如下判断：若 Px>Py，则说明最大功率点对应的占空比在区间[Da，Db]内，则令 [Da=Da，Db=Dy，D=Dx]；若 Px

(4) 电流固定参数法与扰动观测法结合

该控制方法的原理是：当系统实现短路电流法的控制目标后即知道光伏阵列的短路电流就能使光伏阵列的输出功率重新接近 MPP，再通过小步长扰动观察法使光伏器件的工作点继续向 MPP 移动，最后稳定在那里。其具体的过程是对光伏阵列输出电压 V、输出电流 I 进行采样，并计算出 DPK/DVK，根据 DPK/DVK的符号判断光伏阵列工作在最大功率点左侧还是右侧，然后根据其工作状态采取不同的控制方法即当 DPK/DVK0 表明系统工作在最大功率点左侧且靠近最大功率点处，此时采用小步长扰动观察法进行控制。

该方法由于使用短路电流法与扰动观测法的结合，在外界环境变化较小时在最大功率点附近扰动步长较小，因此功率振荡现象基本消除，在外界环境变化较快时又能根据短路电流法使其工作点快速到达最大功率点附近，但该方法实现起来有一定难度。

变步长电导增量法与电压固定参数法结合

由图 1、2 知在最大功率点处有唯一的最大功率点，则有dp/du=0，而在最大功率点两端均不为 0，可以令 step=N ×｜dp/du｜作为算法中每步步长数据，通过设置合适的 N，提高系统的控制精度，其中的 dp/du 为一个自调整因子，当工作点偏离最大功率点稍远时，dp/du 随之增大，以较大步长调整工作点电压，当工作点与最大功率点接近时，其随之减小，以较小的步长调整工作点电压，从而提高了最大功率点的跟踪精度。如果光照强度变化比较快，相对而言光伏电池表面温度的变化是缓慢的，假设光伏电池表面的温度在短时间内保持不变，而在工作点电压不变的情况下，光伏阵列的输出电流与光照强度近似为线性关系，在系统设计中，另外增加一个电流检测回路，当电流增量到达一定值即 Di>e 时 (e 为一给定值，非负值)说明光照强度发生了较大变化，此时马上调整控制策略，由文中提到的开路电压法知道，光伏阵列最大功率点电压约为开路电压的 76%，则可以调整的策略是检测开路电压 U1，使输出电压 U=76%U1，从而使工作点快速转到 MPP附近，实现功率点的快速跟踪，当光照稳定，电流变化较小的时候，则进入之前说的变步长电导增量法模式，精确的跟踪最大功率点，该算法能够很好的解决最大功率点中跟踪精度与跟踪速度之间的矛盾，但是该算法在实现的过程中对硬件的要求特别是传感器的要求较高，并且在实现过程中难度较大。

3 结语

文中对光伏阵列的输出特性以及最大功率点原理进行了比较详细的阐述，并在此基础上对一些常用的最大功率点跟踪算法进行了描述，指出其运用中的优缺点。但在实际的工程项目寻找最大功率点的过程中，往往通过改变 DC-DC 电路中功率开关管的占空比来达到光伏阵列与负载的最佳匹配，从而达到最大功率点跟踪的目的，所以电压电流增量最终都需要转化成占空比的变化量，会增加一定的难度。同样光伏阵列的 P-D 曲线也具有唯一的峰值，可以通过控制功率开关管的占空比而达到最大功率点跟踪的目的，会使实现变得相对简单。文中提到的双步长扰动观察法与迭代比较法在一定的程度上减弱了在最大功率点跟踪过程中跟踪速度与跟踪精度间的矛盾，并易于实现。最后根据各算法各自的优缺点以及为了更好更快地跟踪外部环境不平稳变化下的最大功率点，对一些算法进行了有机的结合。如何将各种最大功率点跟踪控制方法进行有机结合、取长补短，使其更好满足现场实际需求，是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究方向。随着太阳能等可再生能源利用的蓬勃发展，光伏阵列最大功率点跟踪技术的实现方法及简化以及跟踪速度和跟踪精度的提高是将来必然的发展趋势。

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