1 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對能源的需求量越來越多，而傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，同時化石能源的過度開采嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，化石能源的利用嚴(yán)重污染著生活環(huán)境。能源短缺、環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大問題，制約著人類經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。因此，開發(fā)利用清潔的可再生能源是全世界各國共同追求的目標(biāo)。太陽能因其發(fā)電清潔環(huán)保，無噪聲，取之不竭、用之不盡等特點(diǎn)受到世界各國的青睞。但目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仍存在部分問題，如光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低且其實(shí)際輸出功率隨日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、陰、晴雨、霧等氣象條件的變化而變化。因此，如何進(jìn)一步提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，如何充分利用光伏電池所轉(zhuǎn)換的能量，成為光伏系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。那么將現(xiàn)有轉(zhuǎn)換效率的光伏電池應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制光伏電池瞬時的輸出功率，使其在任何日照條件下都能工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤就變得尤為重要。
2 光伏電池組件的特性
光伏電池是利用硅等半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)通過pn結(jié)直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，單個光伏電池的輸出功率太小，故常常將若干個光伏電池串聯(lián)或并聯(lián)后封裝在一起，構(gòu)成光伏電池組件。按照光伏系統(tǒng)所需功率及電壓的大小，可以用多個組件按串、并聯(lián)規(guī)則組合在一起，構(gòu)成光伏陣列。
光伏電池組件的伏安特性曲線如圖1所示。從伏安特性曲線可以看出，光伏電池的輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降率很大。圖1所示的參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（光伏電池組件表面溫度25℃，光譜分布am1.5，輻射照度1000w/m2）下的含義如下：
開路電壓（uoc）：正負(fù)極間為開路狀態(tài)時的電壓；
短路電流（isc）：正負(fù)極間為短路狀態(tài)時的工作電流；
最大輸出工作電壓（um）：輸出功率最大時的工作電壓；
最大輸出工作電流（im）：輸出功率最大時的工作電流；
最大輸出功率（pm）：最大輸出工作電壓（um）×最大輸出工作電流（im）。
光伏電池組件的伏安特性強(qiáng)烈的隨日照強(qiáng)度和較強(qiáng)烈的隨電池溫度的變化而變化。圖2a）和圖2b）分別是光伏陣列在日照1000w/m2時，不同溫度下輸出的伏安特性和伏瓦特性。由圖2a）和圖2b）可知，溫度對光伏陣列的輸出電流影響不大，短路電流隨溫度升高而略有增加，但對光伏陣列的開路電壓影響較大，開路電壓隨溫度升高近似線性地降低，因而對最大功率影響明顯，見圖2b）各實(shí)線的波峰幅值變化。圖2c）和圖2d）分別是光伏陣列在溫度為25℃時，不同日照下表現(xiàn)出的伏安特性和伏瓦特性。圖2c）和圖2d）可知，光伏陣列的輸出短路電流和最大功率點(diǎn)電流隨日照強(qiáng)度的上升而增大，但日照的變化對光伏陣列的輸出開路電壓影響不大，其最大功率點(diǎn)的變化也不大，如圖2d）虛線與各實(shí)線的交點(diǎn)所示。
由圖2可知，光伏陣列的輸出功率會隨著日照強(qiáng)度和電池表面溫度的改變而變化。這種變化使光伏電池的工作點(diǎn)一直向最大功率點(diǎn)跟蹤變化，控制光伏電池產(chǎn)生最大功率，這種控制稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（mppt：maximum power point tracking）控制。
由光伏電池輸出特性分析知道，溫度主要影響光伏電池的輸出電壓，而光照度主要影響其輸出電流。
3 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的原理
由于光伏陣列的伏瓦特性隨著日照和溫度改變而變化，因此要準(zhǔn)確描繪某一條件下的光伏陣列的功率特性曲線，并將其用于mppt控制是很困難的。但不管光伏陣列的伏瓦特性曲線如何隨外在因素變化，都具有如圖3所示的大致形狀。
3.1 光伏陣列伏瓦特性的特征
光伏陣列伏瓦特性的特征如下：
（1）對應(yīng)光伏陣列電壓，光伏陣列輸出功率的極值是唯一的，且該極值也是最大值；
（2）在功率最大點(diǎn)兩側(cè)，伏瓦曲線是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的。
3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制必須達(dá)到的控制目標(biāo)
光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制必須達(dá)到以下控制目標(biāo)：
（1）不需要事先確定精確的光伏電池伏瓦曲線；
（2）mppt控制算法適用于任何不同配置的光伏陣列；
（3）對于隨機(jī)變化的天氣，mppt控制要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
（4）日發(fā)電量最大。
4 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的方法——擾動觀察法
最大功率點(diǎn)跟蹤方法實(shí)質(zhì)上是自尋優(yōu)過程，主要包括固定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法 、間歇掃描法和智能控制法等，下面介紹擾動觀察法。
對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功能而言，能量的傳遞方向是由光伏陣列送給電網(wǎng)的，圖4示出了光伏發(fā)電系統(tǒng)直流測的電流關(guān)系。
其中，udc（n）—當(dāng)前采樣電壓值，isp（n）—當(dāng)前采樣電流值，|△udc|—擾動電壓步長，s—擾動方向，udc（n-1）—前一次電壓值，p（n）—當(dāng)前太陽電池功率計(jì)算值，p（n-1）—前一次計(jì)算的太陽電池功率值，△p—兩次功率之差。
擾動觀察法的工作原理就是借以周期性的改變負(fù)載大小來改變光伏電池的輸出電壓及功率，也就是改變光伏陣列的工作點(diǎn)，它通過觀察比較和變動前后兩次的輸出功率和輸出電壓的大小來決定下個周期負(fù)載的變動是增加還是減少。該方法的具體操作是給輸出電壓一個擾動值，其方向可正（s=1），可負(fù)（s=-1），然后根據(jù)測出的電壓電流值計(jì)算出太陽電池的輸出功率p（n），然后將其與上一個測量值p（n-1）進(jìn)行比較。若輸出功率增大，說明擾動所加的方向有利于輸出功率的提高，此后繼續(xù)向這個方向施加擾動并繼續(xù)觀察，若施加的擾動使光伏陣列的輸出功率減小，說明擾動的方向錯誤，則在下一次的擾動中使方向相反，如此不停的觀察調(diào)整，以使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近。擾動觀察法的算法流程圖如圖5所示。
擾動觀察法的實(shí)現(xiàn)原理較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)，并且不用考慮溫度或光照強(qiáng)度的變化，獨(dú)立于系統(tǒng)使用環(huán)境，因此適應(yīng)性較強(qiáng)。但是頻繁的功率擾動使得系統(tǒng)多數(shù)時間只能工作在最大功率點(diǎn)附近，即使系統(tǒng)偶爾恰好工作在最大功率點(diǎn)，算法也會強(qiáng)制系統(tǒng)離開，所以擾動觀察法的最大功率點(diǎn)跟蹤效率并不是很高。而且采用這種控制策略的光伏系統(tǒng)的最大跟蹤效率和跟蹤速度取決于跟蹤步長的大小。此外，這種控制方法也可能在光強(qiáng)變化的情況下或多電池板串并聯(lián)時會產(chǎn)生最大功率點(diǎn)“誤判”的情況，可能使最大功率點(diǎn)跟蹤的擾動方向在一段時期內(nèi)始終朝著一個方向，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，或是最大功率點(diǎn)跟蹤停留在多峰曲線的“假”最大功率點(diǎn)上。
5 基于變換器輸出電流控制的最大功率點(diǎn)跟蹤的算法
由第4節(jié)的擾動觀測法可知，為了判斷施加擾動量后光伏電池輸出功率的變化情況，需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采樣并計(jì)算功率，以便根據(jù)功率變化情況決定施加擾動量的方向，以此進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。與其它最大功率點(diǎn)跟蹤法相比，擾動觀測法具有算法簡單、實(shí)現(xiàn)方便，受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)。但是擾動觀測法需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測，而一般變換器（并網(wǎng)型逆變器或獨(dú)立運(yùn)行充電控制器）只在輸出端裝電流傳感器，用其進(jìn)行電流控制，這就需要額外的兩個傳感器，從而增加系統(tǒng)成本，另外，擾動觀測法需要對采樣結(jié)果進(jìn)行功率計(jì)算（乘法運(yùn)算），也增加了單片機(jī)的運(yùn)算量。如果能夠根據(jù)變換器輸出電流作為判斷依據(jù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，則不僅可以省去兩個傳感器，而且無需乘法運(yùn)算，在繼承擾動觀測法算法簡單、受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，減輕單片機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤法正是基于這點(diǎn)提出的。為了簡化其工作原理的分析，先做兩個假設(shè)：變換器自身功率損耗為零，即光伏電池輸出功率等于變換器輸出功率；負(fù)載兩端電壓（蓄電池電壓或電網(wǎng)電壓）恒定不變。
根據(jù)假設(shè)，可得到式（2）：
式（4）為變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤判斷依據(jù)。變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤調(diào)節(jié)過程類似于擾動觀察法調(diào)節(jié)過程。變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤算法流程圖如圖6所示。變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤僅需一個電流傳感器，根據(jù)負(fù)載電流大小直接進(jìn)行擾動方向判斷，不再需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測及功率計(jì)算，簡化算法，降低成本。
6 結(jié)束語
基于變換器輸出電流控制的最大功率點(diǎn)跟蹤法是在擾動觀測法的基礎(chǔ)上，僅以變換器輸出電流作為判斷依據(jù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，不僅可以省去兩個傳感器，而且無需乘法運(yùn)算，在繼承擾動觀測法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，減輕單片機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。基于變換器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤法通過周期性檢測并計(jì)算變換器輸出電流的有效值，實(shí)時調(diào)節(jié)擾動方向，使得變換器輸出電流有效值始終維持最大可輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。該方法控制簡單，響應(yīng)速度快，對傳感器精度要求不高，在天氣條件變化較快的場合也能達(dá)到很好的跟蹤效果。本研究在光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用中具有重要的科學(xué)研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。
