光伏发电最大功率跟踪方法（MPPT)优化

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光伏阵列在工作时有一个最大功率点(Maximum Power Point，简称MPP) ，由于光伏电池具有明显的非线性特性，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪。目前，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT) 的方法有很多，如恒定电压控制法，扰动观测法，导纳增量法，模糊控制法，基于预测数据的最大功率跟踪方法等等。

光伏电池的模型

光伏电池阵列等效为如图 1 所示的电路图:

图 1 光伏电池阵列等效电路图

根据图 1 的电路模型，可得到:

………………（1）

式中，Ud=V+IRs；Ish=（V+IphRs）/Rsh

所以，输出端电流为:

………………（2）式中: IL为光生电流源，其值正比于光伏阵列的表面积、光照强度等；I0 为光伏电池内部等效二极管的 p－n 结反向饱和电流，它与材料特性有关；A为二极管的品质因子；q为电子电荷 1.610－19C；k为玻尔兹曼常数1.3810－23J/K；T为绝对温度，T =t + 273K；Ｒs为串联电阻，一般小于1Ω，主要由电池的表面电阻、导体电阻、电极与硅表面接触电阻等组成；Ｒsh 为并联电阻，是旁路电阻，阻值巨大，可达几千Ω。当视Ｒs为无穷小、Ｒsh 为无穷大，则式(2)简化为：

………（3）

由式(3)，输出电压 V 可计算得到输出电流 Iph，进而得到输出功率 P = VIph。综上所述，为了充分使用太阳能，就要使光伏电池的输出功率P 尽可能大，而 P 值直接取决于 V，即通过调节 V 到恰当的值，可获得最大的功率输出，这就是光伏系统的最大功率点跟踪(MPPT)技术。

光伏系统 MPPT 算法比较

1、恒定电压控制法(CVT)

(1) 原理: 在光伏电池温度一定时，最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。因此，CVT控制法思路即是将光伏电池输出电压控制在该电压处，此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。

(2) 优缺点分析: 采用 CVT 控制的优点是控制简单且易实现；系统工作电压具有良好的稳定性。但其缺点是，MPPT 精度差，系统工作电压的设置对系统工作效率影响大；控制的适应性差，即当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差。

2、扰动观测法( P＆O)

(1) 原理: P＆O 法的原理是扰动光伏系统的输出电压，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制。

(2) 优缺点分析: 采用 P＆O 法的优点是控制思路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟踪，提高系统的利用效率。但其缺点是，稳态时，只能在最大功率点附近振荡运行；存在着因功率跟踪过程中非单调性造成的误差；存在着因 P＆O 法自身算法的不严谨，而在日照强度变化时产生跟踪错误。

3、导纳增量法( IncCond)

(1) 原理:

在最大功率点处有 dP/dU = 0，通过简单的数学推导可以得出在最大功率点处有下式成立: dI/dU =I/U

因此，将式( 2) 作为判定光伏电池是否工作在最大功率点的依据，并对系统进行相应的控制，即可以实现对最大功率点的跟踪。

(2) 优缺点分析: 采用 IncCond 法的优点是控制效果好，控制稳定度高，不受功率时间曲线的影响。但其缺点是控制算法较复杂，对控制系统要求较高。

4、基于梯度变步长的导纳增量法

(1) 原理: 由光伏电池的 P－U 特性曲线图可见，在整个电压范围内功率曲线为一单峰函数，在最大功率点 Pm 处 dP/dU=0，在Pm两端dP/dU均不为0。若令Step = A·abs (dP/dU)作为IncCond 法中的步长数据，在 U 离 Pm 较远时，系统跟踪的步长较大; 当 U 离 Pm 较近时，系统跟踪的步长较小。通过设置合适的A，同时结合 IncCond 法跟踪精度高的优点，可以在 MPPT 过程中实现变步长跟踪。

(2) 优缺点分析: 基于梯度变步长的IncCond 法的优点是控制效果好，且控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能快速追踪其变化，不受功率时间曲线的影响；在系统启动过程中可实现快速跟踪。但其缺点是，在外界环境条件发生改变时，由于控制作用较强，因此输出功率有所波动，控制算法较复杂。

改进启动特性的MPPT方法

1、基本思想

在第一阶段，以一个较大电压间隔△D 把 U 值可能的取值范围分为很多段，并分别得到对应段上的 P 值，然后比较各 P 值大小，找到 P 值最大的点；只要△D 选取合适，最大功率点 Pmax 肯定就在P1点附近；第二阶段，再以P1点为中心，△D 为半径，P2、P3点为界组成的区域内以较小的电压间隔△d 细分为更小的小段，然后同理得到各小段上的P值并比较得出最大值，此时的最大值点已经是真正的最大功率值 Pmax了。

2、MPPT方法的优点

(1) 方法简单且成本较低。主要需要做的就是各分段上的电压采集，再通过式(2) 计算得到相应的电流值，从而得到各点处的输出功率 P。该方法不需要微分器、积分器等复杂设备，在成本控制上也有优势。

(2) 值得一提的是，传统方法基本都假设了P－U曲线是光滑的单峰曲线，而事实上光伏电池板会因为所处环境的变化而时刻发生变化，从而造成P－U曲线并非如此光滑，也并非真正的单峰。如光伏板上有阴影出现时，P－U曲线会形成明显的局部峰值，成为多峰状。如图 2 所示，P0点处的峰值并非真正的 Pmax 值，传统方法很有可能会陷入该局部峰值，而本文的方法却不会。

图 2 当 P－U曲线出现多峰值时

3、仿真

我们在标准测试条件下( 温度 25℃ ，光照 1000W/m2 ) ，采用光伏板进行测试，利用式(2)得到光伏电池板的P－U曲线。

第一阶段: 先对光伏板可能输出的电压范围U(0～48V) 以间隔△D( 仿真中△D = 1V，共抽取49点) 进行分区抽样，并得到对应的功率输出。经第一阶段的抽样和比较，得知在 U = 37V 处输出功率最大，Pmax1 = 158.5606W。

第二阶段，将目标集中到 U = 37V 点附近，半径为△D的区域内，并在此区域内以△d( 仿真中△d = 0.04V，共抽样51个点) 为电压间隔进行分段抽取。在此阶段，由于系统一直在最大功率点附近，整个过程中纵坐标并未有大幅度变化，说明此阶段并未造成
太多的功率损失。

经第二阶段的抽样和比较，得知在U = 36．28V 处输出功率最大，Pmax2= 158．5891W，该值正是我们要跟踪的最大功率值。

总结

(1) 仿真中第一阶段得到 Pmax1=158.5606W，该值非常接近于真正的最大值 Pmax2(158.5891W) ，所以只要电压间隔△D和△d选取合适，经过两个阶段，该算法能跟踪到最大功率值。

(2) 如何更快速地跟踪到最大功率点，减少在寻找过程所造成的功率损失呢? 这与采样间隔△D和△d有关。因为第二阶段，系统已工作于很接近最大功率点附近，并未造成太大功率损失，所以主要与△D有关。当△D越大，能更快速地跟踪到最大点，减少功率损失，但也不能过大，因为△D越大，最大功率跟踪的准确性会降低。可见，快速性与准确性之间存在矛盾，需要权衡。

(3) 实际中，最大功率点往往不是固定在某一点，而是会发生移动，本算法在找到最大功率点后，如何稳定地跟踪到新的最大功率点? 本算法在第二阶段找到最大功率点后，系统便工作于该点( 如仿真得到 U = 36.28V 的点) ，为适应最大功率点发生偏移的情况，可在每隔一个时间间隔△t 就在最大功率点为中心，△D为半径的范围内重复第二阶段的电压分段抽取，并跟踪到新的最大功率点。因为重复的是第二阶段，所以并未造成太大功率损失。

文章摘自网络