光伏系统中最大功率点跟踪研究

1 引言　

　　随着科学技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求量越来越多，而传统的化石能源日益枯竭，同时化石能源的过度开采严重破坏了生态环境，化石能源的利用严重污染着生活环境。能源短缺、环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。因此，开发利用清洁的可再生能源是全世界各国共同追求的目标。太阳能因其发电清洁环保，无噪声，取之不竭、用之不尽等特点受到世界各国的青睐。但目前，太阳能光伏发电系统仍存在部分问题，如光伏电池的转换效率低且其实际输出功率随日照强度、环境温度、阴、晴雨、雾等气象条件的变化而变化。因此，如何进一步提高光伏电池的转换效率，如何充分利用光伏电池所转换的能量，成为光伏系统研究的热点。那么将现有转换效率的光伏电池应用到光伏发电系统中，控制光伏电池瞬时的输出功率，使其在任何日照条件下都能工作在最大功率点，实现最大功率点的跟踪就变得尤为重要。

2 光伏电池组件的特性

　　光伏电池是利用硅等半导体的光伏效应通过pn结直接把太阳能转化为电能。在光伏发电系统中，单个光伏电池的输出功率太小，故常常将若干个光伏电池串联或并联后封装在一起，构成光伏电池组件。按照光伏系统所需功率及电压的大小，可以用多个组件按串、并联规则组合在一起，构成光伏阵列。

　光伏电池组件的伏安特性曲线如图1所示。从伏安特性曲线可以看出，光伏电池的输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。图1所示的参数在标准状态（光伏电池组件表面温度25℃，光谱分布am1.5，辐射照度1000w/m2）下的含义如下：

　　开路电压（uoc）：正负极间为开路状态时的电压；

　　短路电流（isc）：正负极间为短路状态时的工作电流；

　　最大输出工作电压（um）：输出功率最大时的工作电压；

　　最大输出工作电流（im）：输出功率最大时的工作电流；

　　最大输出功率（pm）：最大输出工作电压（um）×最大输出工作电流（im）。

　　光伏电池组件的伏安特性强烈的随日照强度和较强烈的随电池温度的变化而变化。图2a）和图2b）分别是光伏阵列在日照1000w/m2时，不同温度下输出的伏安特性和伏瓦特性。由图2a）和图2b）可知，温度对光伏阵列的输出电流影响不大，短路电流随温度升高而略有增加，但对光伏阵列的开路电压影响较大，开路电压随温度升高近似线性地降低，因而对最大功率影响明显，见图2b）各实线的波峰幅值变化。图2c）和图2d）分别是光伏阵列在温度为25℃时，不同日照下表现出的伏安特性和伏瓦特性。图2c）和图2d）可知，光伏阵列的输出短路电流和最大功率点电流随日照强度的上升而增大，但日照的变化对光伏阵列的输出开路电压影响不大，其最大功率点的变化也不大，如图2d）虚线与各实线的交点所示。

　　由图2可知，光伏阵列的输出功率会随着日照强度和电池表面温度的改变而变化。这种变化使光伏电池的工作点一直向最大功率点跟踪变化，控制光伏电池产生最大功率，这种控制称为最大功率点跟踪（mppt：maximum power point tracking）控制。

　　由光伏电池输出特性分析知道，温度主要影响光伏电池的输出电压，而光照度主要影响其输出电流3 光伏阵列最大功率点跟踪的原理

　　由于光伏阵列的伏瓦特性随着日照和温度改变而变化，因此要准确描绘某一条件下的光伏阵列的功率特性曲线，并将其用于mppt控制是很困难的。但不管光伏阵列的伏瓦特性曲线如何随外在因素变化，都具有如图3所示的大致形状。

　3.1 光伏阵列伏瓦特性的特征

　　光伏阵列伏瓦特性的特征如下：

　　（1）对应光伏阵列电压，光伏阵列输出功率的极值是唯一的，且该极值也是最大值；

　　（2）在功率最大点两侧，伏瓦曲线是单调递增或单调递减的。

　　3.2 最大功率点跟踪控制必须达到的控制目标

　　光伏发电系统的最大功率点跟踪控制必须达到以下控制目标：

　　（1）不需要事先确定精确的光伏电池伏瓦曲线；

　　（2）mppt控制算法适用于任何不同配置的光伏阵列；

　　（3）对于随机变化的天气，mppt控制要保证系统的稳定性；

　　（4）日发电量最大。

4 光伏阵列最大功率点跟踪的方法——扰动观察法

　　最大功率点跟踪方法实质上是自寻优过程，主要包括固定电压法、扰动观察法、电导增量法 、间歇扫描法和智能控制法等，下面介绍扰动观察法。

　　对于光伏发电系统的发电功能而言，能量的传递方向是由光伏阵列送给电网的，图4示出了光伏发电系统直流测的电流关系。

其中，udc（n）—当前采样电压值，isp（n）—当前采样电流值，|△udc|—扰动电压步长，