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最大功率點跟蹤技術

最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）系統(tǒng)是一種通過調節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏組件能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)，能夠將太陽能電池組件發(fā)出的直流電有效地儲存在蓄電池中?？捎行У亟鉀Q常規(guī)電網不能覆蓋的偏遠地區(qū)及旅游地區(qū)的生活和工業(yè)用電，不產生環(huán)境污染。從電子系統(tǒng)方面考慮，對光伏組件進行最大功率點跟蹤是降低光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本、提高發(fā)電效率的最直接、最有效的方法。因此，光伏組件的最大功率點追蹤算法研究一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要難題和關鍵技術之一?；蛟S很多人不能理解這話的含義。 　　

部分遮擋環(huán)境下的光伏陣列組件輸出功率曲線

首先，我們要知道，光伏陣列組件的輸出功率曲線在理想光照環(huán)境下是一個單峰曲線，而在部分遮擋環(huán)境下則會出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。光伏電池的輸出功率與MPPT控制器的工作電壓有關，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。以一個最大輸出電壓為10.8V的光伏陣列組件為例，如果采用額定電壓為12V的蓄電池，則光伏發(fā)電系統(tǒng)采用采用升壓式DC-DC轉換器（BOOST），它的轉換公式為Vin=（1-D）Vout，其中，Vin是BOOST電路的輸入電壓，即光伏陣列組件的輸出電壓，Vout是BOOST電路的輸出電壓，即蓄電池的輸入電壓，前面提過蓄電池的額定電壓為12V，所以上式可以簡化為Vin=12*（1-D），改變占空比D，即改變了光伏陣列組件的輸出電壓Vin即控制電壓。下表給出了在Proteus實驗平臺中，不同占空比下，光伏陣列組件的輸出功率統(tǒng)計。從表中可以看出，隨著占空比D的增大，光伏陣列組件的輸出功率先是增大，后減小，并且變化顯著，因此從個表中我們可以看到光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的重要性。 　

人們在光伏陣列組件部分遮擋環(huán)境下最大功率點跟蹤控制策略方面提出了很多算法，主要歸納為兩個方面來介紹。

第一種是基于傳統(tǒng)跟蹤控制方法，主要有擾動觀察法（Perturbation and Observation, P&O）、恒定電壓控制法（CVT）、增量電導法（Incremental Conductance Method, IncCond法）等。這些已被廣泛地應用于商業(yè)光伏發(fā)電。 　　

20世紀80年代，日本學者提出了恒壓法，它是眾多MPPT方法中最簡單的一種。這種控制方法將光伏陣列組件的輸出電壓保持在一個恒定的電壓值，其特點是控制簡單，穩(wěn)定性強，硬件易于實現(xiàn)。外太空中日照強度及溫度變化比較緩慢，因此很多人造衛(wèi)星中都使用恒壓法。 　　

擾動觀察法也成為爬山法（P&O），擾動的參考變量可以是電壓，電流或占空比。其工作原理是給一個擾動輸出電壓信號（U+?U），再測量并計算其功率P2的變化，并與擾動之前的功率值P1相比，根據比較結果調整擾動方向。這種方法的特點是算法簡單，實現(xiàn)容易，沒有涉及復雜的計算。然而，它無法穩(wěn)定在最大功率點，會隨著參數(shù)的改變在穩(wěn)定功率附近擺動。擾動觀察法是使用較廣泛的一種MPPT方法。

增量電導法（IncCond法），根據在最大功率點附近功率對電壓的導數(shù)接近于零這一原則來進行判斷。這個方法避免了擾動觀察法的盲目性，同時可以判斷出工作點電壓與最大功率點電壓之間的關系。這種控制算法的最大優(yōu)點是光伏陣列組件的輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式隨著日照強度的變化而變化，其電壓擺動的幅度相對擾動觀察法來說要小。但是該算法實現(xiàn)起來相對復雜，且檢測精度和速度在一定的程度上會影響跟蹤的精度和速度。 　　

而另一種思路的算法是基于數(shù)學或數(shù)值模型提出來的。比如由Ahmed團隊提出的斐波那契數(shù)列（Fibonacci sequence numbers）法，是一種通過對斐波那契序列號碼的不斷定義和改變搜索范圍來獲得最大功率點的峰值搜索方法。還有一種方法是根據Kobayashi等人提出的技術，然后通過測量開路電壓、短路電流，估計最佳運行電阻Rpm。另一方面，目前開發(fā)了一種新的基于使用Lambert W-function的部分陰影條件下的光伏電池板數(shù)值模型。但是目前為止，以上這些方法還沒有應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的跟蹤，因為它們都沒有達到最優(yōu)的效果。