光伏发电最大功率跟踪控制优化

图3-32a示出了光伏电池板表面温度T一定时，不同光照辐射强度S（W/m²）时光电池伏安特性和光电池输出功率特性。例如某个光伏组件在光照辐射强度为S=1000W/m²时，光生电流I_ph=5.4A，开路电压V_OC=45V，其功率特性曲线③上最大功率点发生在V_L=35V，最大功率P_L=P_Lmax=175W，这时I_L=5A。如果光照变小为S=600W/m²，则光伏电流I_ph=3.15A，开路电压V_OC=43V，最大功率也近似发生在V_L=35V，最大功率P_L=P_Lmax=105W/m²，这时I_L=3A。因此，在温度T不变时，若光照强度从S=1000W/m²减小到600W/m²时，最大功率P_maxhh从175W减小到105W，同时还看到当光照辐射强度S再减小到S=100W/m²时最大功率减小到P_max=15W，这也发生在V_L≐35V左右。因此只要电池板表面温度T不变，当光照强度在较大范围内变化时，最大功率所对应的电压V_m（V_L）都近似为一个定值，但温度变化时，V_m改变。由图3-33可知，当温度上升时，光生电流I_ph（≈I_SC）随之缓慢线性上升，而开路电压V_OC则显著线性下降，最大功率P_max也显著下降，因此光伏电池的伏安特性受温度影响很大，温度上升时由于时V_OC线性显著减小，故出现最大功率所应的电压V_m（V_L）也显著减小，所以在温度改变时应随之改变光伏电池的输出电压V_L，使V_L=V_m才能使其输出达到最大功率，充分利用光能。

由图3-32和图3-33可知，太阳光照射强度改变和电池板温度变化都会使光伏电池的伏安特性和功率特性发生变化，为使运行中任意光照强度和任意温度T时都能使光伏电池在输出最大功率P_max所对应的电压V_m、电流I_m下运行，只要电力电子变换器运行的指令电压V∗或电流指令I∗跟踪输出最大功率所对应的电压V_m（或电流I_m），即可实现最大功率点M的跟踪控制MPPT（Maximum Power Point Tracking）。实现光伏发电最大功率跟踪控制有两类方法：

1.按温度修正指令电压的最大功率跟踪法

由图3-32和图3-33可看到，在电池板表面温度T一定时，无论入射光强度多大，出现最大输出功率的电压V_m都是近似一定的，因此事先制定该光伏组件输出最大功率P_max时的电压V_m与温度T的函数关系V_m=f（T），再根据光伏电池运行中实测的电池表面温度T，即可得知V_m、P_max，取此值为光伏系统中变换器的控制指令电压V_L∗=V_m，即可实现任意温度和光强时的最大功率跟踪控制。

2.扰动观测法最大功率点跟踪控制(www.xing528.com)

图3-31a和图3-31b中，V_m、I_m为最大功率点P_max时对应的电压、电流，若V_L、I_L为实际运行电压、电流，当V_L<V_m时，光伏电池在近似恒流区下工作，V_L增大时，I_L减小很少，且P增大，dP/dV_L>0，同时工作点越接近最大功率点M时|dP/dV_L|越小；当V_L>V_m时，光伏电池在近似恒压源区工作，V_L增大时，I_L急剧减小，P减小，dP/dV_L<0，也是工作点越接近最大功率点M时|dP/dV_L|越小；当V_L=V_m时，光伏的电池在最大功率点运行，这时V_L=V_m，P=P_max，I_L=I_m，dP/dV_L=0。

扰动观测法最大功率跟踪控制的基本原理是：运行中不断改变光伏电池组电压闭环控制系统中输出电压指令值V_L∗_n，若V_L∗（n-1）为前一个电压指令值，ΔV_L∗_n为第n次电压指令值的增量或步长，则ΔV_L∗_n=V_L∗（n_-1）+ΔV_Ln。连续检测前后两个指令电压后光伏电池组实际输出的电压、电流V_L（n_-1）、IL（n-1）和VLn、ILn，计算此两个指令电压时光伏电池组实际输出的功率P_L（n-1）、PLn或电压、电流、导纳（ΔI/ΔV_L）变化。由图3-31或图3-32即可判断前后两次指令电压时的工作点是处于图3-31中的近似恒流区V_L<V_m（如E、F点）还是处于近似恒压V_L>V_m（如C、G点），同时可判断第n次电压指令后工作点是更接近最大功率点M（|dP/dV_L|变小），还是更远离最大功率点M（|dP/dV_L|变大）。据此，即可确定下一个，即第n+1个电压指令V_L∗（n+1）的增量ΔV_L∗（n+1）应是正值（增大V_L使之更接近V_m）还是负值（减小V_L使之更接近V_m），使下一个指令电压V_L∗（n+1）=V_L∗_n+ΔV_L∗（n+1）时的P更接近P_max。如此不停的一步一步地改变电压指令，直到指令电压V_L∗使dP/dV_L=0，V_L=V_m，P=P_max为止，指令电压V_L∗就不再改变，实现了最大功率跟踪控制，但此后仍继续不停地检测光伏电池组的输出功率或电压电流，一旦光伏电池的光照强度或温度有所改变，而使检测值P_Ln≠P_L（n_-1）时，则改变指令电压V_L∗（n+1）=V_L∗_n+ΔV_L（n+1），使P跟踪新的P_max。

从图3-31b还可看到，工作点离M点越远（如E、G点），则|dP/dV_L|越大；工作点离M点越近（如F、C点），|dP/dV_L|越小。因此，若最大功率跟踪控制的指令步长不固定，即每次指令电压的增量ΔV_L不固定，而取步长ΔV_L与|dP/dV_L|成正比，即ΔV_L=k|dP/dV_L|（k为一个系数），则当检测到|dP/dV_L|越大时，则表明跟踪过程中工作点还远离M点，应取较大的步进长度ΔV_L，而当检测到|dP/dV_L|越小时，表明跟踪过程中工作点已接近M点，应取较小的步进长度ΔV_L。依此可实现变步长的最大功率跟踪控制，既可快速完成最大功率跟踪过程，又能实现接近最大功率点附近的精细调节，提高跟踪性能。这种变步长的扰动观察法显然是一种比较好的最大功率跟踪控制方法。