太阳能光伏最大功率点跟踪控制技术研究

汪春生

摘 要：由于能源危机越来越影响人类的生存，因此，人们越来越关注如何高效利用绿色能源，其中，在人们日常生活中应用最广泛的当属太阳能能源，在对太阳能能源利用是离不开太阳能光伏电池的使用，可是，因为光伏电池具有非线性输出的特点，所以怎样提高太阳能资源利用率，怎样使太阳能的输出能量达到最大化成为了人们关注的重点，进而，最大功率点跟踪控制技术成为了研究和讨论热点。本文阐述了最大功率点跟踪控制技术，并提出最大功率点跟踪控制策略，为后续研究方向提供一定的参考。

关键词：太阳能；最大功率点跟踪；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.145

1 引言

将太阳能通过太阳能电池直接变成人类可以使用的电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统。它的主要部件是太阳能电池、逆变器、控制器及蓄电池，其中太阳能电池的组成少不了具有光伏特性的特殊半导体材料。太阳能系统的特点是输出功率受周围光强、温度等诸多自然条件的干扰。光伏发电系统具有独立性强、可以并网运行、较为环保、比较可靠且耐用性高，当它处于自然环境中时，它的输出特性也会受到干扰，最佳工作地及最大功率点的改变就是最明显的体现。所以，若想高效利用太阳能可以选择跟踪调控太阳能光伏最大功率点。

通过理论研究可以看出，为实现高效利用太阳能光伏发电系统的目标，可以采用一些控制策略，在遵照太阳能光伏发电系统的规律的前提下使太阳能光伏发电系统得到稳定。在以前，主要通过恒压跟踪的简单设计来完成控制光伏发电系统工作，但是，这与最大功率的跟踪并不相同。本文通过分析恒定电压跟踪控制、太阳能光伏发电系统阵列的串并联数设计以及脉宽调制法这三大类最大功率点跟踪控制策略，期待为中国太阳能光伏发电系统做出贡献。

2 最大功率点跟踪控制策略

2.1 恒定电压跟踪控制

环境具有恒定温度的情况下，无论如何改变光照强度，光伏电池的最大功率点都大致处于相同一条垂直线的两侧，所以，我们可以将一条垂直线大致当作最大功率线，设置一个恒定电压并让光伏电池在此电压下进行工作，以上所述即为固定电压跟踪法控制法。在此之前，人们采用在负载与光伏阵列之间进行阻抗变换，让光伏发电系统变成稳压器，组成固定电压式的MPPT的方法进行光伏发电系统最大功率点的跟踪控制，此法有一个缺点，就是不可以在任意温度条件下对光电系统的最大功率点进行跟踪控制。可是，因为在实际操作时，由于周围环境因素不稳定，温度会变化不定，所以这种早期技术更适合在恒温或温度波动较小的环境下使用。

2.2 太阳能光伏发电系统阵列的串并联数设计

若固定了光伏发电系统的负载，我们能够设计或改变光伏系统的发电阵列，保证光伏发电系统在此固定负载下输出最大功率。因为当太阳的光照強度等因素有了变化，光伏发电系统的输出阻抗就会随之而改变，他们二者之间的关系为负相关，即太阳光照强度越弱，光伏发电系统的输出阻抗就会越大，同样的，若想使光伏发电系统的输出阻抗变小，就要增强太阳光的光照强度。另外，经过多年的研究观察及试验发现，当光伏发电系统输出功率达到峰值时，唯能根据太阳光照强度来确定光伏发电系统内部的串并联数。太阳光照强度比较弱的时候，要保证光伏发电系统内并联数占多数，串联数占少数；相对的，当太阳光照强度比较强的时候，光伏发电系统内串联数占多数，并联数占少数。所以，在对太阳能光伏发电系统阵列进行设计的过程中，要先确保选用较低耗能的数据采集仪器。然后，要采用可靠、经济的蓄电池及太阳能发电板。在设计太阳能光伏发电系统阵列时不仅要防止太阳能发电板的系统容量太大，出现浪费的现象；还应该杜绝由于太阳能发电板系统容量太小，在阴雨期不能进行测量的现象出现。

2.3 脉宽调制法

对系统进行控制时选择用DC/DC变换器的方法为是脉宽调制法。当开关处于开放状态时，变换器通过对太阳能光伏发电系统信号进行控制，将阵列的直流输出改变成一个具有可变占空比的PWM波信号，继而对太阳能光伏发电系统的等效负载进行改变。在实际操作时，通常在对DC/DC变换器进行驱动时选择采用脉宽调制法，它串联与太阳能光伏发电系统板，通过对PWM波的占空比进行改变，进而实现使太阳能光伏发电系统电压达到最大功率跟踪的目标。将最大功率控制系统串联到Boost变换器的电路中，同时，采用Matlab技术构建仿真模型，将编制S函数的方法当作最大功率控制的控制模块，随之追踪控制光伏电池的最大功率点。

2.4 其他方法

基于粒子群优化BP神经网络的光伏电池跟踪控制技术是通过粒子群优化技术中显著的寻优功能而提出的；基于模糊逻辑的MPPT技术是通过模糊控制技术针对非线性系统具有良好控制精度特点提出的，此法对响应速度进行了提高，但是因为在面对外界环境的变化时神经网络有非常强大的自习功能，所以学者们使神经网络与模糊算法相互融合，提出了更为精确的MPPT控制技术，同时还有光源跟踪控制法、扰动观察法、开路电压法、负载跟踪控制法等多种最大功率点跟踪控制法。

3 结束语

综上所述，太阳能是如今生态环境中可再生能源里面允许进行大规模开发利用、最具有发展前景、绿色程度最高的再生能源，它的潜在力量不容小觑。我们可以依照太阳能光伏发电系统的最大功率点的规律借由一些控制措施使它自身稳定，进而实现最高效利用太阳能光伏发电系统的目标。在科学技术持续飞速发展的当今社会，过去陈旧落后的控制方法显然已不再符合经济适用的要求，太阳能最大功率点跟踪控制的控制器集成化、智能化必将成为一种发展趋势。本文通过对几种最大功率点跟踪控制策略的阐述和分析，总结归纳出脉宽调制法输出功率既稳定又范围广度大，而且具有相当迅速的跟踪速度，这就对最大功率跟踪的控制效率进行了有效的提高，所以最为推荐此法。希望本文对太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制技术策略的分析和阐述，可以在一定程度上对各位读者有所帮助，为我国未来的太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制的研究贡献一份力量。

参考文献：

[1]雷元超，陈春根，沈骏.光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究[J].电工电能新技术，2004，23（03）：76-80.endprint