太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术及仿真

金剑JIN Jian

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 412200）

0 引言

太阳能光伏发电的最大功率点是根据系统设计而言的，因为光伏发电系统在设计时会综合考虑进行优化，同时结合光伏发电组件的整体功率进行整个系统配置，所以说太阳能光伏发电的最大功率点就是组件的单块功率相加之和。

传统模式下，相关人员需要耗费大量时间对光伏发电系统等设备装置进行处理，即使相关太阳能通过特殊的半导体材料逐步转化为电力能源。然而，此种电能转换方式容易受到自然环境（气温）、光照强度等外界客观因素的影响，不利于长期使用，而最大功率点跟踪技术的普及推广与应用，能够在较短时间内对太阳能光伏电池的电压和输出电压进行综合管控，全面促使了光电转换效率的管理水平全面提升。

1 太阳能光伏发电系统的组成

通过查阅相关资料可以得知，光伏发电电池组阵列、电力电子变换器（逆变器）、负载和蓄电池构成了一个完整的光伏发电系统[1]，各系统重要组成零件运行功能如下：

第一，太阳能电池板又可以被称为光伏阵列，单个太阳能电池板每cm2输出的电压在4.4-4.6V 左右，在电流工作范围为20-26mA 的基础上，单个光伏电池无法满足电池板对负载的整体电量需求。故此，在实际的光伏电池总发电量和串并联需要的光伏板个数计算过程中，相关人员应结合负载用电量的电压、电流及功率情况来确定实际的电流工作范围，并采用特定方式保证每个光伏电池能量性能和实用功能完全一致。反之，将会对光伏板内部的电流、电压输出产生不利影响。如果需要对光伏电池板进行并联操作，就应确保每个光伏电池板电压基本相同。针对此种现象，管理人员应利用自身实际工作经验和专业技术能力对光伏发电系统的重要零部件进行统筹规划，确保整个系统的整体运行功能完整，在日后管理过程中，应派专业人员进行维修检验，定期更换受损零部件，从而达到预设的运行效果。

第二，电力电子变换器主要分为直流变换器和交流变换器两种。针对直流变换器，内部的重要零部件能够对线路的电流电压进行有效划分；在实际的交流变换器运行过程中，操作人员应采用特定管控措施促使整个电压电流调整成交流电。

第三，针对最大功率点跟踪控制器，通过科学合理地运用此种设备，整个控制器内部元器件会在较短时间内对系统运行期间产生的负载功率统筹规划，在整个光伏阵列能够有效连接的基础上，最大限度地发挥实用功能，即系统通过跟踪控制器能够使得电压电流输出效果良好，系统操作人员应积极学习并运用先进的系统操作方法，采用不同方式对其进行综合管控，全面获取最大功率点。与此同时，对于蓄电池控制器，其通过对输出的电压进行多元调节与管控后，能够在较短时间内促使两者能够与负载进行匹配。

简言之，整个储能元件的运行质量直接关系着太阳能光伏发电系统运行的安全性与稳定性。例如，在光照强度较大的昼间，太阳能能源一般会以电能的形式存储于蓄电池结构内部，当外界气温和光照强度逐渐降低且明显减弱，不能及时获取大量太阳能源，在系统内部的储存元件不能促使负载发挥功能时，将会直接降低系统的供电效果[2]。

通过查阅资料可以得知，太阳能光伏发电可以大致分为三类，具体如下：

①独立光伏发电系统，主要包括控制器、光伏阵列、变换器和蓄电池等，在实际应用期间，可以直接将太阳能转换为电能，满足太阳能应用的需求，为广大人民群众生活提供诸多便利。

②并网光伏发电系统，主要是和不可调度式并网光伏发电系统实现协同工作的，从而满足光伏发电的需求。

③混合型光伏发电系统，主要比发电系统多了一台发电机组，当发电量不够充足的时候，或是蓄电池所存储的电能不能满足使用需求时，就可以启动这个设备，使得太阳能发电系统可以平稳运行。

2 太阳能光伏发电的优越性

首先，太阳能光伏发电电池的体积较小，且重量较轻，由此构成的光伏阵列结构也相对简单，在占地空间较小的情况下，可以确保相关光伏阵列输出的电功率在60W 左右，与此同时，当地政府无需投入大量的建设资金进行太阳能光伏发电操作，整个发电系统的建立时间相对较短，管理人员按照国家规定的太阳能光伏发电技术即可实现大面积的并网发电效果；其次，太阳能光伏发电系统的修理流程相对简单、便捷，操作人员采用特定方式将太阳能电池板定期集中清理[3]后，就能够有效将大量太阳能转换成电能，对于那些规模较大的太阳能发电站，管理人员可以通过远程控制方式达到预设的工作效果；最后，实践表明，采用太阳能发电清洁、安全、无污染，利于社会的可持续发展。

此外，太阳能利用方便，只要在阳光照射下的区域就可以对太阳能进行利用，不需要长距离输电，就能达到预设的供电效果。将太阳能应用在发电系统中，转换方法相对容易，不会给周边环境带来严重的污染，具有较高的应用价值，并且凭借设备安装时间短、操作简单容易等诸多优势，在应用期间不需要人工值守，能够合理压缩管理成本。

3 太阳能光伏发电系统中的最大功率点跟踪技术

3.1 最大功率点跟踪控制技术

进一步了解后发现，整个最大功率点会结合气温环境、光照强度的变化而不断变化，因此，管理人员应结合自然界环境的变化及时调整并合理管控太阳能光伏电池的布局状态，采用特定方式促使最大功率点能够有效被跟踪控制，此种控制策略的机理如下：管理人员合理运用相关监测设备对光伏电池的输出功率进行智能监测，运用相应的控制算法对当前环境下光伏电池的最大输出功率进行全面预测，制定完整的程序指令对负载的阻抗能力进行调节，最大限度地促使输出功率的最大化。

假定太阳能光伏发电输出曲线可以构成一个完整的特性曲线图，曲线上方特定环境下的最大功率点设定为A点、B 点，在一定条件下，太阳能光伏发电系统在A 点运行，此时，整个光照强度逐渐变大，整个输出曲线的变化幅度也逐步上升，如果负载不变，光伏发电系统会在变化后的A1 点上运行，这样就偏离了最大功率点[4]。针对此种现象，管理人员应采用适当方式确保系统运行过程中的最大功率曲线点在可控范围内，结合实际的情况对系统负载运行情况进行统一安排，并结合系统实际运行情况合理调节，在一定环境下实现最大功率点的跟踪。

据有关资料显示，负载阻抗可以对最大功率点进行跟踪与管理，然而，在现实应用过程中，却存在一定的困难，大量模拟试验和实践表明，对最大功率点的跟踪就是一个动态自动寻求最佳效果的过程，管理人员采用特定方式将光伏发电系统的光伏发电阵组内部的电流电压输入至相关架构中，通过完整的计算方法能够对当前功率和记忆功率予以确定。与此同时，管理人员通过合理运用相应的比较器对两者进行对比，坚持“去小留大”的原则，对各种干扰条件有效去除后，结合PMW 的信号输出结果进行动态优化与调整。例如，在此期间，管理人员应不断优化并改进最大功率点的跟踪模式，系统采用动态的管理模式将最大功率点的运行线路进行及时记录，并利用先进的计算机技术及时归档保管，通过大量模拟实验和实践探索，全面掌握有效的动态跟踪处理技术，与此同时，应确保相关人员具备与时俱进的思想，摒弃传统落后的思想，确保跟踪速度和跟踪精度的完整性和真实性，应妥善运用先进的最大功率点跟踪算法提升发电系统运行水平。

3.2 最大功率点跟踪的算法

在实际运用过程中，干扰观测算法（P&Q）的合理运用能够对系统功率进行综合调节与控制，具体实现方式如下：首先，管理人员在光伏发电系统输出电压上适当增加一个干扰输出的电压信号（V+Δν），随后，每间隔一段时间采用特定方式对一次输出的电压和电流进行全面收集，乘法器就会根据内部运行程序对获取的数据信息进行相乘计算，在最短时间内求出系统的瞬时功率数据信息，管理人员应在具备相关理论知识的基础上，利用先进的计算机技术及时调取不同周期的瞬时功率数据，在与技术部门交流的基础上，全面掌握系统内部各个功率的变化幅度；其次，管理人员应合理运用相应的DC/DC 转换器，采用适当方式对转换器的占空比进行优化调整，促使整个系统的电压向最大功率点方向移动。一般情况下，当功率逐渐变大，则代表干扰正确，由此可以推定功率向同一方向（+Δν）干扰，当功率逐渐变小，由此可以推定功率向反方向（-Δν）干扰[5]。

近年来，管理人员通过不断优化与调整，合理运用P&Q 算法后，即可使用简单的操作方法对功率进行跟踪，与此同时，此种算法的运用，能够有效支持模块化控制回路，有效地确保整个光伏发发电系统运行的安全性与稳定性。对此，管理人员采用适当方式对P&Q 算法进行优化与改进，选择大步长跟踪模式对距离最大功率点较远的位置实现跟踪速度的加快，选择小步长跟踪模式对距离最大功率点较近的位置实现振荡速度的调节。

4 最大功率点跟踪的仿真实现

4.1 系统控制原理

管理人员应采用特定方式对采集到的光伏电池内部的输入电流、电压进行快速收集，并以相关数据信息作为整个MPPT 的输入参数，例如，应合理运用先进的参数控制算法，及时计算出相关周期内利于趋向最大功率的占空比输出信息，在应用PWM 信号的形式对计算结果予以表示后，进一步控制开关管的运行状态，最大限度地对光伏电池输出电压进行有效控制。

为了保证最大功率点跟踪技术能够全面推广并应用，需要利用先进的计算机技术、互联网技术及云计算方法。以Matlab 软件为主要对象，采用适当方式积极建立健全一个完整的系统仿真模型，整个模型主要包含太阳能光伏电池模块、MPPT 模块、PWM 模块及升压转换器模块等四个重要组成部分，具体的操作流程如下：首先，操作人员应及时在光伏电池输出侧分别安设一个电流检测单元和一个电压检测单元，促使两者形成一个完整的并联关系，能够共用一个输出，此时，应保证整个输出线能够直接与MPPT 控制单元的输入侧有效连接，使大量数据信息能够及时获取，为后期跟踪算法计算工作创设诸多有利条件。如图1 所示，为一种光伏发电系统最大功率点的跟踪方法图。

图1 一种光伏发电系统最大功率点的跟踪方法研究

4.2 太阳能光伏电池的仿真

此处以太阳能光伏电池的工程模式为主要基础条件，管理人员应对气温条件、光照强度等诸多因素进行合理调整，积极学习国内外先进的方法，运用Matlab 软件建立相应的仿真模型，并采用适当方式对其输出特性进行仿真处理，整个工程模型计算公式如下：

以上等式中，标准测试条件下太阳能电池的短路电流由Isc表示，计量单位为A，C1和C2代表两个电容，计量单位为μF，同时，输入电压由V 代表，开路电压由Voc表示，在某种模式下，会形成一个完整的太阳能光伏电池输出特性曲线图。进一步了解后发现，利用整个仿真系统形成的输出特性曲线图主要表现为以下几个特点：

第一，太阳能光伏电池的最大功率点电压为78V，此时开路电压在97.5V 左右，此时最大功率点电压是开路电压的0.8 倍；第二，太阳能短路电流与光照强度为正相关，而开路电压与电池温度呈负相关关系；第三，整个太阳能电电池输出功率在78V 时达到最大值，此点位为最大功率点。

从整个仿真模型在不同气温环境、光照强度条件下的变化曲线分析，光照强度越大，此时太阳能电池的输出功率就越强。例如，当光照强度在200W/m2左右时，最大输出功率可以达到36.3W，当光照强度在600W/m2左右时，最大输出功率可以达到70.8W，当光照强度在1000W/m2左右时，最大输出功率可以达到104.6W，而环境温度越高，太阳能电池的输出功率越低，例如，当温度环境在0℃左右，最大输出功率为136.6W，当温度环境在25℃左右，最大输出功率为133.1W，当温度环境在50℃左右，最大输出功率为130.9W，此种模式的最大功率变化不明显。

4.3 最大功率点跟踪模块的实现

完整的P&Q 算法下整个变步长计算公式如下：

以上等式中，变步长由L 表示，功率导数由dP 代表，电压导数由dV 代表。如果变步长的计算数值超过1.8，就应使用大步长，此时占空比变化值为0.01，有利于对跟踪速度的调节控制，如果变步长的计算数值低于1.8，就应使用较小步长，此时占空比变化值为0.01，为跟踪精度的获取工作奠定基础。

值得重点说明的是，管理人员应采用特定模式对P&Q 算法和改进的P&Q 算法进行合理运用，当外界自然气候、光照强度及其他水文条件在系统可承受的范围时，应排除外界各种干扰因素，及时根据各类算法的具体运行机理统一绘制科学合理的跟踪曲线平面图。通过两种算法跟踪曲线图可以发现，其都能够真实反映出光伏发电系统的输出功率。大量实践表明，理想状态下的输出功率在135W 左右，基于P&Q 算法和改进的P&Q 算法系统最大输出功率可达133.7W，经过0.1s 的跟踪后，2 种算法能够有效地在此种环境下实现最大功率点的跟踪。

最后，以某地太阳能系统应用情况为例，对太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术及仿真进行统筹规划后，能够有效对太阳能资源进行开发与综合利用，利用恒电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法进行精确计算后，促使太阳能能够满足实际工作的需求，进一步推动太阳能的服务能力，人们生活品质得到改善。

5 结束语

综上所述，文章对太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术及仿真工作涉及的内容是相对较多的。发电企业管理人员还要利用先进的计算机技术、大数据技术及云计算处理方法，积极更新并学习国内外先进的太阳能光伏发电管理模式，建立健全科学完整的仿真模型，合理运用最大功率点跟踪技术，进一步对最大功率点进行验证，确保光伏发电系统不会受到气温、光照强度的影响，达到预设的跟踪效果，最后促进社会的可持续发展。