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摘要：在光伏发电系统里，为了能充分利用光伏发电功率，最大功率点跟踪（MPPT）起着无法替代的作用。本文将进行具体的分析，以供参考。
关键词：光伏发电；MPPT；控制；应用
1、前言
光伏產业是当今世界上增速最快的行业之一。为了实现环境和能源的可持续发展，光伏发电已成为很多国家发展新能源的重点，光伏发电将是未来主要的能量来源。为了充分利用太阳能源，通过最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法来使能量最大化以逐渐成为发展趋势。
2、常见的MPPT控制方法
2.1 扰动观测法
扰动观测法是最大功率跟踪算法中使用最广泛的一种算法，基本思想是：首先增加或减小光伏电池板的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化再连续改变电压（或电流）的幅值，使光伏电池输出功率最终工作于最大功率点。扰动观察法由于简单易行而被广泛用于MPPT控制中，但随着研究的深入，该方法存在的不足之处逐渐显现出来，即存在震荡和误判的问题。
在实际应用过程中，由于检测精度和计算速度的限制，电压扰动的步长一般是一个定值，在这种情况下，就会产生震荡。当步长越小时，震荡就越小，跟踪的速度就越慢。要想达到理想的状态，就要在速度和精度做权衡考虑。在扰动观察算法运行过程中，当工作电压达到最大功率点附近时，由于步长恒定，有些情况下，工作电压会跨过最大功率点，改变扰动方向后，工作电压再一次反向跨过最大功率点，如此往复循环，即出现了震荡，即扰动观察法的震荡问题。当日照，温度等外界条件发生变化时，光伏阵列的特性缺陷也会跟着发生变化。而扰动算法却无法察觉到，算法还认为是在一条曲线上进行扰动观察，此时就会出现扰动方向误判的情况，即扰动观测法的误判问题。
定步长的扰动观测法存在震荡和误判的问题，使系统不能准确的跟踪到最大功率点，造成了能量损失，因此需要对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中，基于变步长的扰动观测法可以在减小震荡的同时，使系统更快的跟踪到最大功率点；基于功率预测的扰动观测法可以解决外部环境剧烈变化时所产生的误判现象；基于滞环比较的扰动观测法在最大功率点跟踪过程中的震荡和误判这两方面均有较好的性能。
2.2 双步长扰动观察法
扰动观察法可通过减小占空比变化量DD改善光伏器件在MPP附近的功率振荡现象，但DD较小会降低系统对日照变化的响应速度，当外界环境变化较大的时候，跟踪速度会比较慢，但较大的DD又会使其跟踪的精度降低，可考虑根据光伏器件工作点调整MPPT控制中的DD从而兼顾MPPT的快速性和精度。模糊控制也是普遍使用的变步长MPP控制方法，它虽具有较佳的快速性和稳定性，但该方法实现复杂，工程应用较为困难。此双变步长MPPT控制方法是在控制过程中Dd共有两个等级，较大者用于日照突变时MPPT控制；较小者用于光伏器件工作在MPP附近，以降低功率振荡。
2.3常规MPPT控制方法
恒电压跟踪法（CVT）依靠光伏阵列在不同的日照强度和相同的温度下最大功率点电压基本不变的原理，控制光伏阵列的输出电压Uv恒定工作在电压Vm来完成对最大功率的追踪。开路电压法是其最大功率点工作电压V1与开路电压V2的比值约为0.76，将其工作电压设定为0.76倍的开路电压，此时光伏阵列即近似工作在最大功率点。短路电流法是其最大功率点输出电流Im与短路电流Is的比值近似等于0.91而设计的算法。这些方法较实用，但它们只是近似的MPPT方法，在环境条件快速变化的时候，会带来较大的能量损失。扰动观察法是初设一个光伏阵列工作电压，通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周期性扰动，比较扰动前后的输出功率，如果增加，则光伏电池工作于MPP左侧，保持当前的扰动方向，增大光伏阵列输出端电压；反之亦然。该方法简单，但会导致输出在MPP附近振荡，造成一定的功率损失，并且当环境变化剧烈时有可能导致跟踪失败。
增量电导法是依据光伏阵列在最大功率点处dP/dU=0，所以有：dP/dU=I+U×dI/dU=0，即dI/dU=-I/U，则当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，光伏电池工作在MPP附近。增量电导法控制相对精确、跟踪速度较快，基本可以消除在MPP振荡现象，与扰动法相比，他们都存在跟踪速度与跟踪精度矛盾的问题，该方法对硬件的要求特别是传感器要求较高，成本也相对较高。此外还有神经网络法、模糊控制法等，这些方法在一定程度上能够较好地缓解跟踪速度与跟踪精度的矛盾，但在实际的工程应用中运用较少，也很难实现。
3、本文提出的MPPT方法
3.1 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。
3.2 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。
4、结束语
在实际应用过程中针对不同控制方法存在的实际问题还需要做进一步研究。随着新兴能源的不断发展和各国政府的不断支持下，光伏阵列最大功率跟踪算法精度和速度的提高将是未来的发展趋势。
参考文献：
[1]乔兴宏，吴必军，王坤林，等.基于模糊控制的光伏发电系统[J]2017（2）；35
[2]王夏楠.独立光伏发电系统及其MPPT的研究[D].南京：南京航空航天大学，2016
关键词：光伏发电；MPPT；控制；应用
1、前言
光伏產业是当今世界上增速最快的行业之一。为了实现环境和能源的可持续发展，光伏发电已成为很多国家发展新能源的重点，光伏发电将是未来主要的能量来源。为了充分利用太阳能源，通过最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法来使能量最大化以逐渐成为发展趋势。
2、常见的MPPT控制方法
2.1 扰动观测法
扰动观测法是最大功率跟踪算法中使用最广泛的一种算法，基本思想是：首先增加或减小光伏电池板的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化再连续改变电压（或电流）的幅值，使光伏电池输出功率最终工作于最大功率点。扰动观察法由于简单易行而被广泛用于MPPT控制中，但随着研究的深入，该方法存在的不足之处逐渐显现出来，即存在震荡和误判的问题。
在实际应用过程中，由于检测精度和计算速度的限制，电压扰动的步长一般是一个定值，在这种情况下，就会产生震荡。当步长越小时，震荡就越小，跟踪的速度就越慢。要想达到理想的状态，就要在速度和精度做权衡考虑。在扰动观察算法运行过程中，当工作电压达到最大功率点附近时，由于步长恒定，有些情况下，工作电压会跨过最大功率点，改变扰动方向后，工作电压再一次反向跨过最大功率点，如此往复循环，即出现了震荡，即扰动观察法的震荡问题。当日照，温度等外界条件发生变化时，光伏阵列的特性缺陷也会跟着发生变化。而扰动算法却无法察觉到，算法还认为是在一条曲线上进行扰动观察，此时就会出现扰动方向误判的情况，即扰动观测法的误判问题。
定步长的扰动观测法存在震荡和误判的问题，使系统不能准确的跟踪到最大功率点，造成了能量损失，因此需要对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中，基于变步长的扰动观测法可以在减小震荡的同时，使系统更快的跟踪到最大功率点；基于功率预测的扰动观测法可以解决外部环境剧烈变化时所产生的误判现象；基于滞环比较的扰动观测法在最大功率点跟踪过程中的震荡和误判这两方面均有较好的性能。
2.2 双步长扰动观察法
扰动观察法可通过减小占空比变化量DD改善光伏器件在MPP附近的功率振荡现象，但DD较小会降低系统对日照变化的响应速度，当外界环境变化较大的时候，跟踪速度会比较慢，但较大的DD又会使其跟踪的精度降低，可考虑根据光伏器件工作点调整MPPT控制中的DD从而兼顾MPPT的快速性和精度。模糊控制也是普遍使用的变步长MPP控制方法，它虽具有较佳的快速性和稳定性，但该方法实现复杂，工程应用较为困难。此双变步长MPPT控制方法是在控制过程中Dd共有两个等级，较大者用于日照突变时MPPT控制；较小者用于光伏器件工作在MPP附近，以降低功率振荡。
2.3常规MPPT控制方法
恒电压跟踪法（CVT）依靠光伏阵列在不同的日照强度和相同的温度下最大功率点电压基本不变的原理，控制光伏阵列的输出电压Uv恒定工作在电压Vm来完成对最大功率的追踪。开路电压法是其最大功率点工作电压V1与开路电压V2的比值约为0.76，将其工作电压设定为0.76倍的开路电压，此时光伏阵列即近似工作在最大功率点。短路电流法是其最大功率点输出电流Im与短路电流Is的比值近似等于0.91而设计的算法。这些方法较实用，但它们只是近似的MPPT方法，在环境条件快速变化的时候，会带来较大的能量损失。扰动观察法是初设一个光伏阵列工作电压，通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周期性扰动，比较扰动前后的输出功率，如果增加，则光伏电池工作于MPP左侧，保持当前的扰动方向，增大光伏阵列输出端电压；反之亦然。该方法简单，但会导致输出在MPP附近振荡，造成一定的功率损失，并且当环境变化剧烈时有可能导致跟踪失败。
增量电导法是依据光伏阵列在最大功率点处dP/dU=0，所以有：dP/dU=I+U×dI/dU=0，即dI/dU=-I/U，则当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，光伏电池工作在MPP附近。增量电导法控制相对精确、跟踪速度较快，基本可以消除在MPP振荡现象，与扰动法相比，他们都存在跟踪速度与跟踪精度矛盾的问题，该方法对硬件的要求特别是传感器要求较高，成本也相对较高。此外还有神经网络法、模糊控制法等，这些方法在一定程度上能够较好地缓解跟踪速度与跟踪精度的矛盾，但在实际的工程应用中运用较少，也很难实现。
3、本文提出的MPPT方法
3.1 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。
3.2 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。
4、结束语
在实际应用过程中针对不同控制方法存在的实际问题还需要做进一步研究。随着新兴能源的不断发展和各国政府的不断支持下，光伏阵列最大功率跟踪算法精度和速度的提高将是未来的发展趋势。
参考文献：
[1]乔兴宏，吴必军，王坤林，等.基于模糊控制的光伏发电系统[J]2017（2）；35
[2]王夏楠.独立光伏发电系统及其MPPT的研究[D].南京：南京航空航天大学，2016