太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT綜述

劉文洲，西燈考，蔡長青，李　寧，劉　巡

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012； 2.長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春 130012)

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太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT綜述

劉文洲1，西燈考2，蔡長青1，李寧2，劉巡2

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012； 2.長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，長春 130012)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行需要快速準確地進行最大功率點跟蹤，主要介紹了幾種常見的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，包括恒壓跟蹤法、電導增量法、擾動觀察法以及模糊控制法，分析了各自的優(yōu)缺點，并指出了MPPT方法的發(fā)展趨勢。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；MPPT；模糊控制

能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質基礎。隨著人類文明的日益發(fā)展，人類對能源的需求也日益增加。到目前為止，人們所依賴的能源主要是以石油、天然氣和煤炭為主體結構的化石能源。這些化石能源都是不可再生資源，經(jīng)過人類社會數(shù)千年的消耗，特別是自工業(yè)革命之后的大量消耗，化石能源即將消耗殆盡，能源危機已然呈現(xiàn)在我們面前。改變能源結構，發(fā)展風能、潮汐能、水能、太陽能等可再生清潔能源，走可持續(xù)發(fā)展道路，已成為當今世界各國的共識。

與其他新能源相比，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，可利用化最大，是最理想的可再生能源。近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，太陽能光伏發(fā)電成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。但太陽能電池的輸出功率受光照強度、環(huán)境溫度影響較大。所以，研究改善太陽能光伏發(fā)電技術、提高光伏發(fā)電效率即最大功率點追蹤(MPPT)具有重要的意義。本文對幾種常用的MPPT方法進行了概括性總結，并分析了各自的優(yōu)缺點，希望能對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制提供參考。

1　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT概念

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須提高太陽能電池的轉換效率，使其輸出最大功率。然而，太陽能電池的輸出功率隨著光照強度、環(huán)境溫度和負載的變化而變化，其具有非線性的輸出特性。在一定的日照強度和溫度下，太陽能電池可以在不同的輸出電壓下工作，但是只有在某一輸出電壓值時，其輸出功率才能達到最大值，這一點的功率稱之為最大功率點(Maximum Power Point，MPPT)，如圖1[1]所示。由圖可知當光伏電池的工作電壓小于最大功率點電壓Vmax時，光伏電池的輸出功率隨端電壓上升而增加；當電池的工作電壓大于最大功率點電壓Vmax時，電池的輸出功率隨端電壓上升而減小。MPPT的實現(xiàn)實質上是一個自尋優(yōu)過程，即通過控制太陽能電池端的電壓來控制最大功率的輸出。

圖1　太陽能光伏電池的輸出功率特性

2　最大功率點追蹤方法(MPPT)

由以上分析可見：進行最大功率追蹤研究是很有必要的。關于太陽能光伏電池板的最大功率跟蹤法先前有許多文獻都有這方面的討論，最大功率點跟蹤的算法有很多種，常用的有：恒壓跟蹤法、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法等。

2.1恒壓跟蹤法

恒壓跟蹤法是較早產(chǎn)生的一種最大功率跟蹤控制方法。因為光伏電池在不同的光照下的最大功率點總是近似在某一恒定的電壓值Umax附近，根據(jù)這個特點，利用DC/DC轉換電路把最大功率跟蹤控制簡化為穩(wěn)壓控制，只需調整光伏電池的端電壓與Umax相等就能使輸出功率達到最大值。

圖2　恒壓跟蹤法控制流程圖

該方法的優(yōu)點：控制簡單，易實現(xiàn)，可靠性高，具有良好的穩(wěn)定性，可以方便地通過硬件實現(xiàn)。控制方法的缺點：控制精度差，溫度變化時功率點發(fā)生變化，易產(chǎn)生功率損失。隨著光伏系統(tǒng)控制技術的智能化，該方法逐漸被新方法所替代。

2.2擾動觀察法

擾動觀察法是先檢測光伏電池的輸出電壓Vn、電流In，并計算輸出功率Pn，在此基礎上，給該電壓一個擾動ΔV，再檢測輸出功率Pn+1，如果Pn+1>Pn，則保持原來的擾動方向，反之則進行反方向擾動。[2]其控制流程如圖3所示。

圖3　擾動觀察法控制流程圖

此法優(yōu)點：控制回路簡單，測量參數(shù)少，跟蹤算法簡明，對傳感器精密度要求不高；易于硬件實現(xiàn)。缺點：在最大功率點附近產(chǎn)生震蕩，容易造成部分功率損失；在光照變化較快的環(huán)境中，該算法可能失效，導致誤判。

2.3電導增量法

電導增量法(Incremental Conductance Algorithm)[3]是目前實現(xiàn)MPPT最常用的算法之一，也是一種以擾動太陽能電池的輸出電壓來進行太陽能電池最大功率點追蹤的一種策略。由太陽能光伏電池的輸出功率特性曲線可知，在最大功率點處其斜率為0。而對于功率有

P=VI，

(1)

對式(1)兩端V求導，并將I作為V的函數(shù)，可得

(2)

(3)

圖4　電導增量法控制流程圖

算法優(yōu)點：控制精度高，當光照強度等環(huán)境變化時，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追蹤其變化，電壓波動較擾動觀察法好，同時也可保證最大功率輸出，減少能量損耗。然而，該方法計算復雜，對硬件特別是傳感器的精度及系統(tǒng)整體響應速度要求高，成本自然也就比較高，當受到噪聲測量誤差和數(shù)字控制量化誤差的影響時，該方法也無法避免最大功率點附近的振蕩，特別是當外界環(huán)境變化劇烈時。

2.4模糊控制法

模糊控制法[4]是一類人工智能算法。針對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的非線性特性，使用模糊控制算法可以獲得比較理想的效果。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用模糊控制法實現(xiàn)MPPT控制，一般可通過DSP執(zhí)行，其主控內容包括以下幾個方面：確定模糊控制器的輸入、輸出變量；歸納總結模糊控制器的控制規(guī)則；確定模糊化和反模糊化的方法；選擇論域并確定有關參數(shù)?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

該控制方法相比其他傳統(tǒng)控制方法，跟蹤速度快、靈活、全面、兼容性好。但其模糊化、反模糊化和模糊推理規(guī)則的確定比較困難，實施起來有一定難度。

3　結語

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制算法有多種形式，各有優(yōu)缺點，目前控制算法主要有恒壓跟蹤法、電導增量法、擾動觀察法、模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等。恒壓跟蹤法簡單且容易實現(xiàn)，但跟蹤效果比較差，現(xiàn)在已很少使用。電導增量法和擾動觀察法同為MPPT經(jīng)典算法，但電導增量法對硬件要求較高，需要高精度的KSI轉換器；擾動觀察法抗干擾能力較差，容易發(fā)生誤判現(xiàn)象。兩種算法跟蹤步長設置大小都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，且較難找到平衡點，故這些不足都限制了兩種算法的應用。模糊控制法是一種依賴專家的經(jīng)驗和知識來進行邏輯推理，不依賴數(shù)學模型，能夠模仿人思維方式的控制算法[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡算法具有很強的自學習能力，具備黑箱建模學習模式的特點，但從其輸入輸出

得出的關系無法用人們易于接受的方式表達出來，是一種模擬人腦的思維和組織結構而形成的數(shù)學模型[4]。如果將模糊控制法與神經(jīng)網(wǎng)絡算法相結合，揚長避短，必將取得更好的控制效果，而且這也將會是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制未來方法的發(fā)展方向。

圖5　模糊邏輯控制法控制流程圖

[1] 王巖.光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法的研究[D].保定：華北電力大學，2007.

[2] 劉軍，王得發(fā)，薛蓉.光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法的研究及改進[J].電子測量技術，2016，39(5):10-13.

[3] 榮德生，劉鳳.自適應神經(jīng)模糊算法在光伏MPPT中的仿真分析[J].微電子學與計算機，2016，33(5):92-96.

[4] 李紹武，馬曉紅，龍洋，等.基于光伏系統(tǒng)負載變化的一種模糊MPPT方法[J].湖北民族學院學報，2016，34(1):54-56.

The Review of MPPT for Solar Photovoltaic Power Generation System

LIU Wen-zhou，etc.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

It is necessary to track the maximum power point(MPPT)of the PV array rapidly and accurately.This article mainly describes several common methods of Maximum Power Point Tracking(MPPT)，including constant voltage tracking，incremental conductance method，perturb and observation method，fuzzy logic control algorithm and analyzes the advantages and disadvantages of those methods.The development trend of MPPT methods also has been pointed out.

solar photovoltaic power generation；MPPT；fuzzy control

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.009

2016-06-04

長春市科技局項目(120150003)

劉文洲(1969-)，男(漢)，吉林長嶺，教授

主要研究風力發(fā)電控制技術及智能微網(wǎng)。

TM615

A

1009-8984(2016)03-0039-03

吉林省教育廳項目(2015116)