最大功率跟踪的控制原理

最大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种：

（1）恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低；

（2）爬山法，通过周期性的不断的给太阳电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境；

（3）导纳微分法(又称增量电导法)，认为太阳电池阵列的的最大功率点处，输出功率对输出电压的一阶倒数等于零。因此在环境光强发生改变时，根据dI/dV的计算结果是否等于－I/V，决定是否继续调整输出电压，既可实现最大功率点的跟踪。该方法相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性。

上述三种方法各有特点，但是都不同时具有低成本、高稳定性、快速追踪的特性。第一种方法只是粗略估计了最大功率点的位置，在光强变化到很大或较小时都会产生很大的误差。后两种方法本质上都是通过判断当前工作点是否处于最大工作点来决定是否继续调整及调整的方向，因此最终的结果是逆变器始终工作在最大功率点的左右，来回振荡，而不是真正的工作在最大功率点处，反应在太阳电池阵列的输出上就是，太阳电池阵列的输出电压或电流总是以一个直流电平为中心上下跳跃，波形很不稳定，而且在光强变化速度较快时，不能及时反应。

三、太阳能电池功率追踪访法及算法

扰动观察法是目前太阳能电池最大功率追踪技术中最为成熟以及被采用最多的方法，其系统方块图如图12所示。由图中可以很明显的看出此法的硬件需求较少，模拟／数字转换器节省得相当多，因此在制造的成本上将大为降低。扰动观察法之缺点在于最大功率追踪过程中，当大气条件迅速改变时，由于响应速度未能因应调整，会使追踪的速度变缓，造成功率的损失，不过此一缺点可以用软件技术来加以改善，赋予系统自我调整响应速度之功能，这也是本文的研究重点，亦即以软件算法来达到太阳能电池最大功率的追踪，并分析系统操作于较高频率下，其追踪的性能。

依电路理论而言，当太阳能电池的等效输出阻抗等于负载端的等效输入阻抗时，太阳能电池所送出的功率为最大，这就是最大功率转移定理。因此当太阳能电池模块串接直流－直流转换器之后如图13，若要得到太阳能电池的最大功率，则转换器的输入阻抗必须和太阳能电池的输出阻抗相等，但是太阳能电池的输出功率受到大气条件的影响，使得其等效输出阻抗并不会固定在某一定值。对转换器而言，其输入阻抗是随着工作周期的改变而有所不同，所以转换器若要维持太阳能电池于最大功率下操作，就必须随时地调整其工作周期。

当输入到转换器的功率为一定值，且转换器的输出是可调时，则此转换器即具有负阻抗的特性如图14所示，也就是说，若输入电压减少则输入电流将增加，以维持输入到转换器的功率为一定。在图14中，是输出可调时的最小输入电压，即当输入电压小于此值，则转换器就不具有调节功能，而转换器所呈现的是正阻抗的特性。由于转换器具有负阻抗的特性，使得在追踪最大功率的过程中易造成系统崩溃，因为当转换器的输入阻抗比太阳能电池的输入阻抗小时，系统将无法追踪到最大功率。换句话说，当太阳能电池操作在高阻抗区时，系统为了要追踪太阳能电池的最大功率，因此会调整开关的责任周期，使得导通时间增加，这将造成太阳能电池的输出电压降低，如此反复循环，最后使得开关的责任周期保持在最大，但却不是系统的最大功率。因此对于一个具有负阻抗特性的转换器，太阳能电池只能操作在低阻抗区，即最大功率点的右边区域，而不能操作在高阻抗区。

为了改善上述现象，系统控制之设计需避免转换器操作在负阻抗特性区。由于引起负阻抗的原因是当输入电压（或电流）增加时，造成输入电流（或电压）的减少，所以在追踪最大功率的过程中，当电压增加时，经由回授与控制器的计算判断，促使开关的导通时间增加，电流也因此而增加。由于输入到转换器的功率为一定值，所以电压将会因电流的增加而减少。上述过程中，因电压的增加造成电流的增加，所以负阻抗的性质就不存在了，太阳能电池也因此可以操作在高阻抗区域，系统追踪流程如图15所示。

实现光伏系统最大功率跟踪的方法综述

在实践中可以采用三种方法是光伏电池或方阵的输出功率最大：太阳追踪(sun tracking)、最大功率点跟踪(maximu power point tracking)或两种方法综合使用。出于经济方面的考虑，在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法。

最大功率点的跟踪方法有很多种，比较简单的如：功率匹配电路(power matching scheme)、曲线拟合技术(curve-fitting technique)以及后来的微扰观察法(perturb and observe method)和增量电导法(incremental conductance algorithm)。

1、功率匹配电路

选择太阳电池或太阳电池组合使其输出特性与特定的负载相匹配。由于该技术主要的与日射和负载条件相关，所以只能大概的估计MPP的位置。

2、曲线拟合技术

预先测得太阳电池组件的输出特性，并用显示的数学表达式描述。该方法不能预测一些复杂因素的影响，如老化、温度或者某些电池的击穿等。

3、微扰观察法

是一个不断重复的过程，通过不断扰动太阳电池的工作点，找到使功率输出最大的变化方向。基本的工作过程是周期性的给太阳电池的端电压施加扰动，并与上一个周期比较输出功率的大小。最大功率控制实际上就是通过功率反馈控制使功率的导数等于零。该方法的优点是不需要太阳电池的输出特性。但该方法不适用于环境条件变化快的情况。太阳电池输出功率计算可以通过单片机或模拟乘法器实现。

4、衡电压法

基于这样一个事实：太阳电池最大功率点电压约为其开路电压的76%。为了确定最大功率点，需要暂时把负载断开并对开路电压采样和保持作为控制环的参考电压。

5、增量电导法

通过比较太阳电池的瞬时电导和增量电导克服了微扰观察法的不足。是上述方法中精确度最高的，开关电源的输入阻抗被调整到与太阳电池阻抗达到最佳匹配的值。该方法既使在快速变化的环境条件下也工作良好。通常实现该方法需要采用单片机或DSP，使系统成本增加，不适合小规模的系统。

专利权项

1、独立光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法，其特征在于，该方法依次含有以下步骤：步骤1：用微处理器作为该最大功率点跟踪控制器，检测太阳能电池光伏阵列的输出电压 Vn，电流In；步骤2：微处理器判断当前输出电压Vn和上一控制周期的输出电压采样值Vb之差dV：若：dV＝0，则：判断当前输出电流In和上一控制周期的输出电流采样值Ib之差dI；若：dV≠0，则：判断dI/dV是否等于-I/V；步骤3：根据步骤2的判断结果：若：dI＝0，则：Vb＝Vn，Ib＝In，结束；若：dI/dV＝-I/V，则：Vb＝Vn，Ib＝In，结束；步骤4：根据步骤3的判断结果：若：dI≠0，则：判断dI＞0否；若：dI/dV≠-I/V，则：判断dI/dV＞-I/V 否；步骤5：根据步骤4的判断结果：若：dI＞0，则：微处理器控制方波发生电路和与该电路串接的脉宽调制脉冲形成电路，产生脉宽调制脉冲去减小连接在太阳能电池光伏阵列输出端的BUCK电路的占空比，并使Vb＝Vn， Ib＝In，结束；若：dI/dV＞-I/V，则：微处理器按所述步骤5的方法减小占空比，并使Vb＝Vn，Ib＝In，结束；若：dI＜0，则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使Vb＝Vn，Ib＝In，结束；若：dI/dV＜-I/V，则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使Vb＝Vn，Ib＝In，结束；所述BUCK电路含有：输入电容：该电容通过接入开关并接于所述太阳能电池光伏阵列输出端； MOS管：该MOS管的控制端与所述脉宽调制脉冲形成电路的输出端相连，其余两端分别对地并接了一个上述输入电容和一个反接的二极管；输出滤波电容：该电容并接着一个储能用的铅酸蓄电池，该电容同时又经过一个滤波电感接所述的二极管的负极。