光伏发电系统最大功率跟踪技术

杨思俊

（西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

为了提高光伏电池的光电转换效率，降低系统成本，最大可能的提高光伏电池的利用率，必须使光伏电池始终保持最大功率输出。采用最大功率跟踪（简称MPPT）技术可在同样的硬件成本上采用软件控制来提高发电效率。

1 光伏电池的伏安特性曲线

1.1 伏安特性曲线

通过曲线图1可以看到，光伏电池在光照下的输出电流和输出电压均与太阳辐射的通量密度成正比的关系。也就是说，不同的光照强度条件下可得到不同的特性曲线。光伏电池输出伏安特性曲线与电流轴的交点为短路电流ISC；与电压轴的交点为开路电压UOC。在较高电压区域内，该电源具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；而在较低电压区域内，该电源又具有高电阻特性，可以视为一系列不同等级的电流源。

在光照强度不变的情况下，它的功率输出具有极大值，出现在电压源与电流源的交点处，并且如果假设电池温度不变，这个极大值将随光照强度的增强或降低而增加或降低[1-3]。在这个极大值点的两侧，光伏电池的功率输出都在零与极大值之间连续变化。换言之，对于同样的功率输出，电源可以用作电压源，接电压型的负载，也可以用作电流源，接电流型的负载。

图1 光伏电池输出伏安特性曲线Fig.1 Output current-voltage curve of photovoltaic battery

1.2 输出功率

根据功率定义式P=UI，设定P为不同的常数，代入U和I，便可在光伏电池输出伏安特性曲线图上做出一系列的等功率曲线，如图2（a）所示，图中右上角的三条曲线在实际中，必有唯一的一条功率曲线与光伏电池输出伏安特性曲线相切，该功率曲线便代表着光伏电池在当前照强度下的最大输出功率，该切点称为最佳工作点M。从原点引出的交于M点的直线为最佳负载线，RL=RM；M点对应的电流值为最佳输出电流IM，对应的电压值为最佳输出电压UM；由UM和IM得到的矩形几何面积也是该特性曲线所能包揽的最大面积，成为光伏电池的最佳输出功率或最大输出功率PM，如图2（b）所示。

图2 特性曲线Fig.2 Characteristic curve

2 最大功率根据技术的硬件电路

最大功率根据技术的硬件电路如图3所示，用BUCK电路可以实现最大功率点的跟踪。BUCK电路（也称为斩波电路或斩波器）是接在光伏阵列和负载之间，通过控制电压将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。BUCK电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出电流值。而MPPT技术即是通过调节BUCK电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由BUCK电路实现MPPT技术时，光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时，才能实现较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时，BUCK电路的控制失去作用[4]。

图3 最大功率根据技术的硬件电路Fig.3 Circuit of MPPT

3 软件控制原理

3.1 主程序分析及流程

MPPT控制使工作电压在每隔一定时间稍微变动，然后测量此时的太阳电池的输出功率与前一次进行比较，就这样反复进行比较使输出始终跟踪太阳电池的最大功率点。MPPT控制的一个例子如图4所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同光照强度下太阳电池的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当光照强度发生变化，即太阳电池的输出特性由曲线2上升为曲线1。此时如果保持负载1不变，系统将运行在D点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果光照强度变化使得太阳电池的输出特性由曲线1减至曲线2，则相应的工作点由B点变化到C点，应当相应的调整负载2至负载1以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。

图4 MPPT控制示例Fig.4 Control example of MPPT

最大功率点跟踪（MPPT）的算法有：干扰观测法（Perturbation and observation，简称 P&O法）、增量电导法（Incremental conductance，简称 IncCond法）、模糊逻辑控制法等[5]。

增量电导法是MPPT控制常用的方法之一。通过光伏阵列P-U曲线可知最大值Pmax处的斜率为零，即寻求在斜率为零的这一最大功率点处工作。通过调整工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现最大功率点的跟踪。而增量电导法避免了微扰观察法的盲目性，它能够判断出工作点电压于最大功率点电压之间的关系。Un、In为检测到光伏阵列当前电压、电流值，Ub、Ib为上一控制周期的采样值，Umax为最大功率点对应的电压。这种MPPT控制算法最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测小。其中，d U=Un－Ub，d I=In－Ib。

当d U≠0时：

若 Un＜Umax，＞0即=I+U＞0可得：。要寻求最大功率点则要增加电压。

若 Un＞Umax，＜0即=I+U＜0可得：。要寻求最大功率点则要减小电压。

若 Un=Umax，=0即=I+U=0可得：。则Un即为最大功率点的电压。

当d U=0时：

若d I=0，则Un即为最大功率点的电压。

若d I＞0，由图5可知要寻求最大功率点则要减小电压。

若d I＜0，由图5可知要寻求最大功率点则要增加电压。

电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法同样需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高[6]。电导增量法的控制流程图如图5所示。

图5 电导增量法的流程图Fig.5 Flow diagram of Incremental conductance

3.2 滤波程序

采样的电压电流信号是单片机控制的参考，也是最大功率跟踪的关键依据，所以要对所采样的信号进行准确处理，以防止路灯的误接入和MPPT跟踪技术中的可能出现的错误跟踪[7]。

其滤波过程如下，在2 s内分别取电压、电流的采样的信号20次，然后依照大小冒泡排序，在排完序的数组中依次去掉5个最大的值和5个最小的值，再将其求平均，得到一个可靠性较高的数，并以此来作为占空比或路灯的接入与否的依据。作实验时，选择2 s取一个有效信号，可以明显看到电压表电流表的表针在来回摆动寻优。滤波后的数值产生MPPT误调的可能性将大大减小。程序实现如图6所示。

图6 滤波程序流程Fig.6 Filter processes

其中对采样数值的排序采用冒泡排序法。将尚未排序的各元素从头到尾依次比较相邻的两个元素是否逆序（与欲排顺序相反），若逆序就交换这两元素，经过第一轮比较排序后便可把最大（或最小）的元素排好，然后再用同样的方法把剩下的元素逐个进行比较，就得到了所要的顺序。可以看出如果有20个元素，那么一共要进行19轮比较，第i轮要进行j=20－i次比较。

4 系统检测结果

在实验系统中，为了提高发电效率，对于太阳能光电池转换效率低的问题，引用了MPPT（最大功率跟踪）技术来提高太阳能电池的利用率。分别采集了带MPPT技术的太阳能基站电源的控制器与不带MPPT技术的控制器的电压、电流，并将发电功率进行了比较，在设计中作了大量的实验，并形成了图表予以分析。以下是日光强度逐渐减弱时的数据测试。实际采集过程是每5 s采集一次，这里将简单将每隔1 min的数据进行列表分析。

在同样的外界条件下，日光逐渐减弱时引入MPPT技术的太阳能发电技术和无MPPT技术的情况下，由表1的数据可统计，在引入MPPT技术的太阳能发电技术后，发电功率增长了25.9%。

表1 日光强度逐渐减弱时数据表Tab.1 Sun light gradually decreased data

5 结束语

对于太阳能光电池转换效率低的问题，引用了MPPT（最大功率跟踪）技术来提高太阳能电池的利用率。在利用同样的参数的太阳能电池板，对带MPPT技术的控制器与不带MPPT技术的控制器发电功率进行了比较，在设计中作了大量的实验，采集了输出电压、电流，并形成了图表予以分析。但实验图表亦存在一些局限性，实验数据采集过程中，是采用太阳能电池板通过控制器直接接负载（即电阻丝）来测量控制器的输出功率的。而实际应用中应为太阳能电池板通过控制器向蓄电池充电。电阻丝只吸收功率，而蓄电池（本设计中采用额定电压为24 V）会将控制器的输出电压钳位在21.6～26.4 V之间，当输出电压在这之间时，带MPPT技术的控制器的输出功率将比此时此刻不接蓄电池而接电阻丝的输出功率要低。没有采用给蓄电池充电的方式进行实验比较是因为无法一直获得电量等同的蓄电池，带MPPT技术的控制器对蓄电池充电较快，所以无法使两种控制器一直在同等条件下工作。在实际应用时，即太阳能电池板通过带MPPT技术的控制器对蓄电池充电比太阳能电池板通过不带MPPT技术的控制器对蓄电池充电高的效率将小于20%。但并不是说引入MPPT技术没有必要，论文中实验数据就是有效的证明。在光伏发电的并网运行中，由于电网的负载性质，引入MPPT技术后，效率的提高将大于本设计中的实验数据，意义重大。在本设计中，引入MPPT技术后功率的提高所费的成本与增加太阳能电池板来提高功率相比将占有绝对大的优势。

[1]杨思俊.基于MPPT技术的光伏路灯控制系统的研究[D].西安：西安科技大学，2009.

[2]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D].安徽：合肥工业大学硕士学位论文，2005.

[3]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社，2005.

[4]杨思俊.光伏发电通信基站电源远程监测系统的设计[J].电子设计工程，2011，19（10）:169－172.YANG Si-jun.The remote monitoring system of photovoltaic energy communication power supply[J].Electronic Design Engineering，2011，19（10）:169－172.

[5]汪令祥.光伏发电用DC/DC变换器的研究[D].安徽：合肥工业大学，2006.

[6]陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程，2003，22（3）：18－21.CHEN Wei，LI Jian-hong.Research on the tracker controller methodologies in utilization of solar energy[J].Energy Engineering，2003，22（3）：18－21.

[7]曹祖亮，王斌，王帅.光伏发电系统及其最大功率点跟踪控制方法比较[J].广东电力，2010，23（6）:16－19.CAO Zu-liang，WANG Bin，WANG Shuai. Photovoltaic generation system and comparison of control methods for maximum power point tracking[J].Guang Dong Electric Power，2010，23（6）:16－19.