最大功率点跟踪技术

最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏组件能够输出更多电能的电气系统，能够将太阳能电池组件发出的直流电有效地储存在蓄电池中。可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。从电子系统方面考虑，对光伏组件进行最大功率点跟踪是降低光伏发电系统发电成本、提高发电效率的最直接、最有效的方法。因此，光伏组件的最大功率点追踪算法研究一直是光伏发电系统的重要难题和关键技术之一。或许很多人不能理解这话的含义。 　　

部分遮挡环境下的光伏阵列组件输出功率曲线

首先，我们要知道，光伏阵列组件的输出功率曲线在理想光照环境下是一个单峰曲线，而在部分遮挡环境下则会出现多峰现象。光伏电池的输出功率与MPPT控制器的工作电压有关，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。以一个最大输出电压为10.8V的光伏阵列组件为例，如果采用额定电压为12V的蓄电池，则光伏发电系统采用采用升压式DC-DC转换器（BOOST），它的转换公式为Vin=（1-D）Vout，其中，Vin是BOOST电路的输入电压，即光伏阵列组件的输出电压，Vout是BOOST电路的输出电压，即蓄电池的输入电压，前面提过蓄电池的额定电压为12V，所以上式可以简化为Vin=12*（1-D），改变占空比D，即改变了光伏阵列组件的输出电压Vin即控制电压。下表给出了在Proteus实验平台中，不同占空比下，光伏阵列组件的输出功率统计。从表中可以看出，随着占空比D的增大，光伏阵列组件的输出功率先是增大，后减小，并且变化显著，因此从个表中我们可以看到光伏发电系统最大功率点跟踪的重要性。 　

人们在光伏阵列组件部分遮挡环境下最大功率点跟踪控制策略方面提出了很多算法，主要归纳为两个方面来介绍。

第一种是基于传统跟踪控制方法，主要有扰动观察法（Perturbation and Observation, P&O）、恒定电压控制法（CVT）、增量电导法（Incremental Conductance Method, IncCond法）等。这些已被广泛地应用于商业光伏发电。 　　

20世纪80年代，日本学者提出了恒压法，它是众多MPPT方法中最简单的一种。这种控制方法将光伏阵列组件的输出电压保持在一个恒定的电压值，其特点是控制简单，稳定性强，硬件易于实现。外太空中日照强度及温度变化比较缓慢，因此很多人造卫星中都使用恒压法。 　　

扰动观察法也成为爬山法（P&O），扰动的参考变量可以是电压，电流或占空比。其工作原理是给一个扰动输出电压信号（U+?U），再测量并计算其功率P2的变化，并与扰动之前的功率值P1相比，根据比较结果调整扰动方向。这种方法的特点是算法简单，实现容易，没有涉及复杂的计算。然而，它无法稳定在最大功率点，会随着参数的改变在稳定功率附近摆动。扰动观察法是使用较广泛的一种MPPT方法。

增量电导法（IncCond法），根据在最大功率点附近功率对电压的导数接近于零这一原则来进行判断。这个方法避免了扰动观察法的盲目性，同时可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。这种控制算法的最大优点是光伏阵列组件的输出端电压能以平稳的方式随着日照强度的变化而变化，其电压摆动的幅度相对扰动观察法来说要小。但是该算法实现起来相对复杂，且检测精度和速度在一定的程度上会影响跟踪的精度和速度。 　　

而另一种思路的算法是基于数学或数值模型提出来的。比如由Ahmed团队提出的斐波那契数列（Fibonacci sequence numbers）法，是一种通过对斐波那契序列号码的不断定义和改变搜索范围来获得最大功率点的峰值搜索方法。还有一种方法是根据Kobayashi等人提出的技术，然后通过测量开路电压、短路电流，估计最佳运行电阻Rpm。另一方面，目前开发了一种新的基于使用Lambert W-function的部分阴影条件下的光伏电池板数值模型。但是目前为止，以上这些方法还没有应用于光伏发电系统最大功率点的跟踪，因为它们都没有达到最优的效果。