【文章內(nèi)容簡介】 示。 123I L / AU L1 51 05 2 0溫 度 增 加 ， 電 流 增 加溫 度 降 低 ， 電 壓 增 加PU L溫 度 降 低 圖 26 溫度對光伏電池輸出參數(shù)的影響 圖 26 為保持光照強(qiáng)度不變，光伏陣列的輸出隨電池溫度和負(fù)載變化的 ILUL和 PUL 曲線族。由該曲線族可以看到開路電壓 UOC 線性的隨溫度變化，短路電流 ISC 隨溫度有微弱的變化。最大功率點(diǎn)功率 Pm 隨溫度的變化也有很大的變化。其中所指的溫度應(yīng)為光伏陣列本體的溫度而非環(huán)境溫度。光伏電池的溫度和環(huán)境溫度的關(guān)系為：光伏電池溫度 =環(huán)境溫度 +K*照度。 3 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）控制 光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（ maximum power point,MPP） [4]。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）。 MPPT 算法的原理 最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）控制策略實(shí)時(shí)檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當(dāng)前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當(dāng)前的阻抗情 況來滿足最大功率輸出的要求。這樣即使光伏電池的結(jié)溫升高使得列陣的輸出功率減少，系統(tǒng)仍然可以運(yùn)行在當(dāng)前工況下的最佳狀態(tài)。 MPPT 算法分析圖 [5]如圖 31 所示。 假設(shè)圖 31 中曲線 1 和曲線 2 為兩種不同光照強(qiáng)度下光伏陣列的輸出曲線，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)；并假設(shè)某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在 A 點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，即光伏陣列的輸出特性曲線 1 上升為曲線 2 時(shí)，此時(shí)，如果保持負(fù)載 1 不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在 A`點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了繼續(xù)追蹤最大功率點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)的負(fù)載特性由負(fù)載 1 變化至負(fù)載 2，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn) B。同樣，如果光照強(qiáng)度變化使得光伏陣列的輸出特性由曲線 2 減至曲線 1，則相應(yīng)的工作點(diǎn) B 點(diǎn)變化到 B`點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的調(diào)整負(fù)載 2 至負(fù)載 1，以保證系統(tǒng)在光照強(qiáng)度減小的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn) A。 曲 線 2曲 線 1負(fù) 載 2負(fù) 載 1A `BB `AI / AU / V 圖 31 MPPT 算法分析圖 現(xiàn)代最大功率點(diǎn)跟蹤方法 干擾觀察法 干擾觀察法 [6]（ Perturb amp。 Observer algorithms,Pamp。O）是目前實(shí)現(xiàn) MPPT 常用的自尋優(yōu)類方法之一。其基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓或電流，然后觀測光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢連續(xù)改變擾動(dòng)電壓或電流方向，使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。 對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)而言，從觀測對象來說，擾動(dòng)觀測法又分為兩種：一種是基于并網(wǎng)逆變器輸入?yún)?shù)的擾動(dòng)觀測法；另一種是基于并網(wǎng)逆變器輸出參數(shù)的擾動(dòng)觀測法?；诓⒕W(wǎng)逆變器輸入?yún)?shù)的擾動(dòng)觀測法直接檢測逆變器輸入側(cè)光伏電 池的輸 出電壓和電流，通過計(jì)算光伏電池的輸出功率并采用功率擾動(dòng)尋優(yōu)的方法來跟蹤光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)。 一般正常情況下，光伏電池 PU 特性曲線是一個(gè)以最大功率點(diǎn)為極值的單峰值函數(shù)，這一特點(diǎn)為采用擾動(dòng)法來尋找最大功率點(diǎn)提供了條件，而擾動(dòng)觀測法實(shí)際上采用了步進(jìn)搜索的思路，即從起始狀態(tài)開始，每次對輸入信號做一有限的變換，然后測量由于輸入信號變換引起輸出變換的大小和方向，待方向辨別后，再控制被控對象的輸入按需要的方向調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)最優(yōu)控制。將步進(jìn)搜索應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的 MPPT 控制時(shí)，就是所稱的擾動(dòng)觀測法。 擾動(dòng)觀測法 的 MPPT 過程，具體描述如下： 當(dāng)增大參考電壓 U（ U1=U+△ U）時(shí)，若 P1P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持增大參考電壓的擾動(dòng)方式，即 U2=U1+△ U，其中 U2為二次調(diào)整后的電壓值，如圖 32a 所示。 當(dāng)增大參考電壓 U（ U1=U+△ U）時(shí)，若 P1P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)采用減小參考電壓的擾動(dòng)方式，即 U2=U1△ U，如圖 32b所示。 當(dāng)減小參考電壓 U（ U1=U△ U）時(shí)，若 P1P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持減小參考電壓的擾動(dòng)方式，即 U2=U1△ U，如圖 32c所示。 輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0PP 1P 2UU 1U 2Δ U( a )輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0P 2PP 1U 2U 1UΔ U( b ) 當(dāng)減小參考電壓 U（ U1=U△ U）時(shí)，若 P1P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)采用增大參考電壓的擾動(dòng)方式，即 U2=U1+△ U，如圖 32d 所示。 輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0PP 1P 2UU 1U 2Δ U( c )輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0P 2PP 1U 2U 1UΔ U( d ) 圖 32 擾動(dòng)觀測法的 MPPT 過程示意圖 可見，擾動(dòng)觀測法就是按照圖 32 所示的過程反復(fù)進(jìn)行輸出電壓擾動(dòng)，并使其電壓不斷變化，使光伏電池輸出功率朝大的方向改變，直到工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)。 檢測 U、 I 計(jì)算功率 P=UI P（ k） ≤P（ k1） ? U(k)U(k1)? U(k)U(k1)? Uref=Uref+△ U Uref=Uref△ U Uref=Uref△ U Uref=Uref+△ U N 開始 返回 Y N Y Y N 圖 33 定步長擾動(dòng)觀測法的流程圖 擾動(dòng)觀測法按每次擾動(dòng)的電壓變化量是否固定，可以分為定步長擾動(dòng)觀測法和變步長擾動(dòng)觀測法，其中，定步長擾動(dòng)觀測法的流程圖如圖 33 所示。 擾動(dòng)觀測法這種控制方法雖然算法簡單，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度很慢，只適用于那些光照強(qiáng)度變化非常緩慢的場合。而且穩(wěn)定情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅度振蕩，因此，會(huì)造成一定的功率損失，而光照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，得到判斷錯(cuò)誤的跟蹤方向。 模糊邏輯控制 由于太陽光照強(qiáng)度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負(fù)載情況的變化以及光伏陣列輸出特征的非線性特征，要實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確跟蹤需要考慮的因素是很多的。針對這樣的非線性系統(tǒng)，使用模糊邏輯控制 [7]（ fuzzy logic control）方法進(jìn)行控制，可以獲得比較理想的效果。 引入模糊控制，首先應(yīng)當(dāng)確定模糊邏輯控制器的輸入和輸出變量。 同擾動(dòng)觀察法一樣，為實(shí)現(xiàn) MPPT 控制，模糊邏輯控制系統(tǒng)也是將采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算，判斷出工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)之間的位置關(guān)系，自動(dòng)校正工作點(diǎn)電壓值，使工作點(diǎn)趨于最大功率點(diǎn)。所以可定義模糊邏輯控制器的輸出變量為工作點(diǎn)電壓的校正值 dU。輸入變量則分別為光伏電池 PU 特性曲線上連續(xù)采樣的兩點(diǎn)連線的斜率值 E 以及單位時(shí)間斜率的變化值 CE，即 )1()( )1()()( ?? ??? kIkI kPkPkE （ 31） )1()()( ??? kEkEkCE （ 32） 其中， P（ k）和 I（ k）分別為光伏電池的輸出功率及輸出電流的第 k 次采樣值。顯然，若 E（ k） =0，則表明光伏電池已經(jīng)工作在最大功率輸出狀態(tài)。 對光伏電池 PU 特性曲線進(jìn)行分析，可得出 MPPT 的模糊邏輯控制的規(guī)則，如圖 34 所示。 1） E（ k） ＜ 0, CE（ k） ≥ 0 時(shí)， P 由左側(cè)向 Pm 靠近；則 dU 應(yīng)為正，以繼續(xù)靠近最大功率點(diǎn)； 2） E（ k） ＜ 0, CE（ k） ＜ 0 時(shí)， P 由左側(cè)遠(yuǎn)離 Pm；則 dU 應(yīng)為正，以繼續(xù)N 靠近最大功率點(diǎn)； 3） E（ k） ＞ 0, CE（ k） ≤ 0 時(shí)， P 由右側(cè)靠近 Pm；則 dU 應(yīng)為負(fù)，以繼續(xù)靠近最大功率點(diǎn)； 4） E（ k） ＞ 0, CE（ k） ＞ 0 時(shí)， P 由右側(cè)遠(yuǎn)離 Pm；則 dU 應(yīng)為負(fù)，以繼續(xù)靠近最大功率點(diǎn)； 0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值E ( k ) ＜ 0C E ( k ) ≥ 0E ( k ) ＜ 0C E ( k ) ＜ 0E ( k ) ＞ 0 C E ( k ) ＞ 0E ( k ) ＞ 0C E ( k ) ≤ 0 圖 34 MPPT 的邏輯控制規(guī)則示意圖 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用模糊邏輯方法實(shí)現(xiàn) MPPT 控制，可以通過 DSP 比較方便的執(zhí)行，其中控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容： ① 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量 ② 歸納和總結(jié)幕后控制器的控制規(guī)則 ③ 確定模糊化和反模糊化的方法 ④ 選擇論域并確定有關(guān)參數(shù) 在模糊邏輯控制中，通常用系統(tǒng)的實(shí)際輸出量與設(shè)定的期望值相比較，得到一個(gè)偏差值 E，一般還需要根據(jù)該偏差的變化率 EC 進(jìn)行綜合判斷。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用模糊邏輯控制方法控制流程圖如圖 35 所示。 圖 35 光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用模糊邏輯控制方法控制流程圖 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法 [8]（ Incremental Conductance， INC）也是 MPPT 控制常用的算法之一。它是從光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的規(guī)律出發(fā)，推導(dǎo)出系統(tǒng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)時(shí)的電導(dǎo)和電導(dǎo)率的直接關(guān)系，進(jìn)而提出相應(yīng)的 MPPT算法。 根據(jù)擾動(dòng)觀測法的分析，表明，最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)質(zhì)上就是搜索滿足條件dP/dU=0 的工作點(diǎn)。為提高 MPPT 算法對最大功率點(diǎn)的跟蹤精度，采用功率全微分近似替代 dP 的 MPPT 算法，即從 dP=UdI+IdU 出發(fā)，推演出以電導(dǎo)和電導(dǎo)率的直接關(guān)系為搜索判據(jù)的 MPPT 算法，即電導(dǎo)增量法。 光伏電池 PU 特性曲線及 dP/dU 變化特征如圖 36 所示。 開始 檢測光伏陣列輸出電壓 Vin 電流 Iin 計(jì)算 dP/dI（ n） 模糊化 △iout(n1) 模糊規(guī)則運(yùn)算 反模糊化 輸出 △ iout(n) dP/dI（ n1） = dP/dI（ n）；△ iout(n1)=△ iout(n) 給定并網(wǎng)電流 △ iout(n) 結(jié)束 dP/dI(n1) 0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0d P / d U = 0