光伏发电最大功率点跟踪控制算法综述

邓明旭　陆承与　樊天宇　杨振伟　陈伟　王梓懿

【摘 要】光伏发电最大功率点跟踪控制是提高光伏发电效率的重要措施。以光伏发电最大功率跟踪控制算法为研究对象，对常用算法的基本原理、存在的问题、以及研究现状进行归纳总结，包括电导增量法、恒定电压法、扰动观察法。然后着重针对扰动观察法的优缺点进行总结，包括其步长设定问题、扰动方向出错等局限性，并对现有典型改进方法的原理、效果进行阐述。以期为光伏发电最大功率点跟踪控制的研究人员提供参考和启发。

【关键词】最大功率点跟踪；扰动观察法；新能源利用

【Abstract】Photovoltaic maximum power tracking control algorithm is one of the important measures to improve the efficiency of photovoltaic power generation. In this paper， maximum power tracking control algorithms of photovoltaic were researched， including the basic principle of some algorithms， the existence question， and a review of current researches. The algorithms mentioned above include incremental conductance method， constant voltage method， and the disturbance & observation method. Then the advantages and disadvantages of disturbance & observation method were analyzed， especially the disadvantages which may cause defects of disturbance direction when change step length. Finally， the existing typical principle and the effects of improved method are concluded in this paper and reference and inspiration are provided for researchers focused on the topic of maximum power point tracking control of photovoltaic.

【Key words】Photovoltaic power generation； Perturbation and observation method； New-energy utilization

0 绪论

1）光伏发电研究的意义

随着经济技术的快速发展，人们对能源的需求也越来越大，而现今运用最广泛的化石能源因其不可再生的特性使其总量在人类不断地开采下越来越少。寻找新能源成为了人类必须面对的现实。太阳能作为现今自然界中最为理想的新能源之一，收到越来越普遍的重视。太阳能与其他绿色可再生新能源相比有储量丰富；分布范围广泛；能源清洁的特性。

太阳能光伏发电在可再生能源和新能源中占有很大的比例，被全社会公认为当前世界最有发展潜力的新能源技术。太阳能光伏发电有如下优点：

（1）光伏发电设备操作维护简单，运行稳定可靠；

（2）光伏发电污染小，不排放有害气体，不发出噪音；

（3）太阳能资源丰富且便于获得；

（4）太阳能电池组件结构简单，体积小重量轻，便于运输和安装。

2）最大功率点跟踪控制的意义

为了使光伏电池板能够随着温度、光照强度变化始终运行于最大功率点处，光伏发电系统常采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术。它是提高光伏发电效率的重要措施。常用MPPT算法有电导增量法、恒定电压法和扰动观察法。由于算法自身特点，上述算法均有其局限性和优越性。

本文对MPPT常见算法及其研究现状进行了归纳总结。特别是对扰动观察法的步长变化、扰动方向出错的局限性以及针对这些问题的现有改进方法进行了归纳分析。

1 光伏发电MPPT算法

1.1 MPPT原理

根据光伏电池的输出特性，光伏电池在不同温度和光照强度下的输出功率-电压曲线P-U曲线分别如图1和图2所示。

由图1和图2可知，在给定的光照强度和温度下，输出的功率值存在一个最大值并且对应一个电压，此点即最大功率点（Maximum Power Point，MPP），对应电压为最优电压。这个最大功率点会随着温度和光照的变化而变化。

因此，光伏发电最大功率点跟踪的原理为，跟随不同的光照和温度条件，控制光伏电池的电压，使其始终运行于最优电压下，即可获得最大功率输出。

1.2 MPPT算法

1.2.1 电导增量法

电导增量法[1-2]是从光伏系统输出功率随输出电压变化率而变化的角度来实现最大功率跟踪。通过光伏阵列的dP/dU-U曲线可以得到式（1）所示的判据：

dP/dU=0，运行点位于最大功率点dP/dU>0，运行点在最大功率点左侧dP/dU<0，运行点在最大功率点右侧 （1）

通过判断dP/dU的符号就可以判断光伏阵列是否工作在最大功率点。在最大功率点处有dP/dU=0，此时保持电压不变；在最大功率点左侧dP/dU>0，此时应增大输出电压；在最大功率点右侧dP/dU<0，此时应减小输出电压。由于不便求得dP/dU的值，所以直接判断存在困难。因此，电导增量法在实际应用时采用如下判据：

光伏系统工作在最大功率点情况时，系统输出功率为：

在实际应用中，可以通过判断（dI/dU+I/U）的符号来判定光伏系统是否处于最大功率点。当其为零时，表明此时系统处于最大功率点处；当符号为正时，表明系统此时处于最大功率点的左侧；当符号为负时，表明系统此时处于最大功率点的右侧，具体算法流程图如图3所示。图中C为扰动步长的调整系数。

1.2.2 恒定电压法

当温度不发生剧变，辐照强度大于某一定值时，从光伏阵列输出曲线上看，最大功率点处的电压基本位于某一竖直直线两侧，此处电压值约为（0.7～0.9）Uoc，其中Uoc为光伏电池板开路电压。恒定电压法[3-4]就是把最大功率点处电压默认在开路电压70%～90%，从而计算出功率。即光伏阵列的最大功率点电压Umpp与光伏阵列的开路电压Uoc之间存在近似的线性关系，如式（5）所示。

Umpp=KUoc（5）

其中，K的值取决于光伏阵列的特性，一般K的取值大约在0.7～0.9。

恒定电压法作为一种开环的MPPT控制，算法简单，硬件实施方便，工程应用广泛。目前主要使用在对精度要求不高，气温变化不剧烈的场所。在实际应用中，恒定电压法一般作为前期粗略寻找的手段，以求最快速度到达最大功率点附近。再结合其他复杂算法进一步精确。

1.2.3 扰动观察法

扰动观察法（Perturbation and Observation，P&O）也称为爬山法（Hill Climbing，HC），其工作原理与电导增量法思路相近，即测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压基础上增加一个小电压分量扰动后，其输出功率会发生改变，测量变化后的功率，与变化前的功率进行比较，即可获知功率变化的方向。如果功率增大就继续按原方向扰动电压，如果功率减小则改变原扰动方向。通过反复扰动和观测最终使系统输出功率趋于最大[5-6]，其流程如图4所示。

2 扰动观察法存在问题及研究现状

2.1 扰动观察法存在问题

扰动观察法虽然实施简单，参数测量较少，传感器的精度要求不是特别高。但是同样存在问题[7-9]。

（1）在即将到达最大功率点时，该算法会产生功率振荡。其原因在于，在最大功率点附近时，扰动步长极有可能大于实际所需增加电压值，从而越过了最大功率点到达右侧，系统检测到功率值减少，判断出扰动方向相反，减小扰动电压回到之前左边的工作点，重复上述过程，系统始终无法恰好到达最大功率点，最终工作点总是在实际最大功率点附近振荡，产生了能量的损耗。

（2）采用固定的搜索步长时存在的矛盾。搜索步长过长使得最大功率点附近的振荡幅度较大，降低了跟踪精度，而步长过短又会影响算法的搜索速度。

（3）在特定的情况下会出现搜索方向误判的情况。当日照强度变化比较大时，易发生最大功率点误判。

2.2 现有改进方法

2.2.1 变步长的扰动观察法

针对上述问题（1）和问题（2），现有改进方法主要通过变步长设计来进行改善，例如，根据运行点距离最大功率点的远近不同，可以设计不同的搜索步长，在此方面，典型的方法之一是设置门槛电压。以最大功率点为中心设置一个常数区间，在此区间内，采用小步长追踪，而在此区间外可进行大步长追踪[10]；另一种典型变步长算法是以？驻U=r×（dP/dU）的形式获得动态变步长的搜索算法，其中r为步长调整系数，dP/dU在恒定温度和光照强度时能够反映运行点与最大功率点的远近，当接近最大功率点时，dP/dU趋近于0变步长的设计既提高了搜索的效率，又减少了最大功率点处功率振荡的幅度[11]。

2.2.2 搜索方向的改进设计

针对扰动观察法存在的问题（3），一般通过搜索方向的调整来避免。现有改进方法中对于搜索方向的调整具有较大差异。文献[12]提出当外界因素变化较大时，太阳能电池的输出功率P也跟着有较大变化；当外界因素变化很小时，太阳能电池的输出功率P也跟着只有很小的变化。利用这一输出特性，改进方法是：先测得太阳能电池阵列的输出功率P（i），确定一个功率值范围？驻Pm，对其工作点进行扰动，测得扰动后太阳能电池阵列的输出功率P（i+1），计算？驻P=P（i+1）-P（i）数值大小，当？驻P>0时，若？驻P>+？驻Pm，继续原来扰动方向，增加步长；若？驻P<+？驻Pm，继续原来扰动方向，减小步长；当？驻P<0时，若？驻P>-？驻Pm，往相反方向扰动，减小步长；若？驻P<-？驻Pm，往相反方向扰动，增加步长。文献[13]提出光伏电池产生的电流和光照强度有一定的线性关系，光照强度增加时，输出电流增大；光照强度减小时，输出电流减小。所以可以认为当光照强度变化时，光伏电池输出电流和电压呈正向关系，即dI/dU>0，反之则dI/dU<0。而当dU=0时，dI≠0，说明光照强度发生了变化。因此，当光照强度发生变化时，以微小步长？驻Umin进行扰动。待环境条件稳定后，再以正常步长扰动跟踪，从而有效提高光伏电池的效率。

3 结论

在科技快速发展的今天，能源问题是人类现今乃至今后都要面临的重大问题。所以新能源开发是一直是科学界关注的主题，而太阳能作为新能源的一个代表性个体也成为了人们关注的对象。从前人的资料中可知，光电转换率的较低现状一直阻碍着光电事业的发展，而要改善这个问题就要对光伏发电最大功率点进行追踪。本文总结了光伏发电最大功率点追踪技术的研究背景，传统MPPT算法的基本原理。此外，针对扰动观察法存在的问题，对前人的研究成果进行了归纳总结，以期为同行提供参考。

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[责任编辑：王楠]