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(duì)能源的需求量越來(lái)越多，而傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，同時(shí)化石能源的過(guò)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(wèn)題，制約著人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(guó)共同追求的目標(biāo)。太陽(yáng)能因其發(fā)電清潔環(huán)保，無(wú)噪聲，取之不竭、用之不盡等特點(diǎn)受到世界各國(guó)的青睞。但目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)仍存在部分問(wèn)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(shí)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(guò)pn結(jié)直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，單個(gè)光伏電池的輸出功率太小，故常常將若干個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)的電壓；

　　短路電流（isc）：正負(fù)極間為短路狀態(tài)時(shí)的工作電流；

　　最大輸出工作電壓（um）：輸出功率最大時(shí)的工作電壓；

　　最大輸出工作電流（im）：輸出功率最大時(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)最大功率影響明顯，見(jiàn)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(shí)，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(duì)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(huì)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：

　?。?）對(duì)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；

　?。?）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；

　?。?）mppt控制算法適用于任何不同配置的光伏陣列；

　?。?）對(duì)于隨機(jī)變化的天氣，mppt控制要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

　?。?）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(dòng)觀察法

　　最大功率點(diǎn)跟蹤方法實(shí)質(zhì)上是自尋優(yōu)過(guò)程，主要包括固定電壓法、擾動(dòng)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(dòng)觀察法。

　　對(duì)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(cè)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(dòng)電壓步長(zhǎng)，s—擾動(dòng)方向，udc（n-1）—前一次電壓值，p（n）—當(dāng)前太陽(yáng)電池功率計(jì)算值，p（n-1）—前一次計(jì)算的太陽(yáng)電池功率值，△p—兩次功率之差。

　　擾動(dòng)觀察法的工作原理就是借以周期性的改變負(fù)載大小來(lái)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(guò)觀察比較和變動(dòng)前后兩次的輸出功率和輸出電壓的大小來(lái)決定下個(gè)周期負(fù)載的變動(dòng)是增加還是減少。該方法的具體操作是給輸出電壓一個(gè)擾動(dòng)值，其方向可正（s=1），可負(fù)（s=-1），然后根據(jù)測(cè)出的電壓電流值計(jì)算出太陽(yáng)電池的輸出功率p（n），然后將其與上一個(gè)測(cè)量值p（n-1）進(jìn)行比較。若輸出功率增大，說(shuō)明擾動(dòng)所加的方向有利于輸出功率的提高，此后繼續(xù)向這個(gè)方向施加擾動(dòng)并繼續(xù)觀察，若施加的擾動(dòng)使光伏陣列的輸出功率減小，說(shuō)明擾動(dòng)的方向錯(cuò)誤，則在下一次的擾動(dòng)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(dòng)觀察法的算法流程圖如圖5所示。

　　擾動(dòng)觀察法的實(shí)現(xiàn)原理較為簡(jiǎn)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(dòng)使得系統(tǒng)多數(shù)時(shí)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(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)離開，所以擾動(dòng)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(zhǎng)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(shí)會(huì)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(dòng)方向在一段時(shí)期內(nèi)始終朝著一個(gè)方向，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)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(dòng)觀測(cè)法可知，為了判斷施加擾動(dòng)量后光伏電池輸出功率的變化情況，需要對(duì)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(dòng)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(dòng)觀測(cè)法具有算法簡(jiǎn)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(dòng)觀測(cè)法需要對(duì)光伏電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，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(gè)傳感器，從而增加系統(tǒng)成本，另外，擾動(dòng)觀測(cè)法需要對(duì)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(gè)傳感器，而且無(wú)需乘法運(yùn)算，在繼承擾動(dòng)觀測(cè)法算法簡(jiǎn)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(jiǎn)化其工作原理的分析，先做兩個(gè)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(guò)程類似于擾動(dòng)觀察法調(diào)節(jié)過(guò)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(gè)電流傳感器，根據(jù)負(fù)載電流大小直接進(jìn)行擾動(dòng)方向判斷，不再需要對(duì)光伏電池輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測(cè)及功率計(jì)算，簡(jiǎn)化算法，降低成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　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(dòng)觀測(cè)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(gè)傳感器，而且無(wú)需乘法運(yùn)算，在繼承擾動(dòng)觀測(cè)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)?；谧儞Q器輸出電流控制最大功率點(diǎn)跟蹤法通過(guò)周期性檢測(cè)并計(jì)算變換器輸出電流的有效值，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)擾動(dòng)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(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，對(duì)傳感器精度要求不高，在天氣條件變化較快的場(chǎng)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。

（轉(zhuǎn)載）