摘要：随着化石能源紧缺和环境污染等问题愈来愈严重，太阳能其独特的优势，得到飞快的发展与运用，而光伏发电则是太阳能的主要应用方向。如何能够最大效率的获得太阳能一直是光伏发电主要研究问题，并且蓄电池作为独立光伏发电系统的储能设备，其循环使用寿命也严重影响系统的稳定性，所以对蓄电池能量管理也极其重要。文章重点就独立光伏发电系统的MPPT控制及能量管理进行研究分析，以供参考和借鉴。
关键词：光伏发电系统；MPPT控制；能量管理；研究
引言
光伏发电在中国未来能源发展中扮演着重要的角色，政府也针对光伏发电出台了一系列具有操作性和系统性的政策，包括光伏发电上网电价、分布式光伏发电示范项目等一系列政策及相关配套措施。预计未来中国太阳能发电累计装机容量有望突破150GW。由此可见，我国太阳能光伏发电行业前景广阔，开展光伏发电系统的研究，具有重大的理论和现实意义。
1MPPT控制法概述
光伏产业是当今世界上增速最快的行业之一，为了实现环境和能源的可持续发展，光伏发电已成为很多国家发展新能源的重点，光伏发电将是未来主要的能量来源。太阳能电池板的输出功率与电池结温，负载和日照的变化的关系十分密切，具有很强的非线性特点。在特定工作条件下，光伏阵列存在着唯一的最大功率点。如果直接应用，很难使之工作在最大功率点，无法使太阳能量得到充分的利用。为了充分利用太阳能源，通过最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法来使能量最大化以逐渐成为发展趋势。
2独立光伏发电系统的MPPT控制及能量管理方法
2.1扰动观测法
扰动观测法是最大功率跟踪算法中使用最广泛的一种算法，基本思想是：首先增加或减小光伏电池板的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化再连续改变电压的幅值，使光伏电池输出功率最终工作于最大功率点，其算法流程如图1所示。
图1扰动观察流程图
扰动观察法由于简单易行而被广泛用于MPPT控制中，但随着研究的深入，该方法存在的不足之处逐渐显现出来，即存在震荡和误判的问题。在实际应用过程中，由于检测精度和计算速度的限制，电压扰动的步长一般是一个定值，在这种情况下就会产生震荡。当步长越小时，震荡就越小，跟踪的速度就越慢。要想达到理想的状态，就要在速度和精度做权衡考虑。在扰动观察算法运行过程中，当工作电压达到最大功率点附近时，由于步长恒定，有些情况下工作电压会跨过最大功率点，改变扰动方向后，工作电压再一次反向跨过最大功率点，如此往复循环，即出现了震荡，即扰动观察法的震荡问题。当日照、温度等外界条件发生变化时，光伏阵列的特性缺陷也会跟着发生变化。而扰动算法却无法察觉到，算法还认为是在一条曲线上进行扰动观察，此时就会出现扰动方向误判的情况，即扰动观测法的误判问题。定步长的扰动观测法存在震荡和误判的问题，使系统不能准确的跟踪到最大功率点，造成了能量损失，所以需要对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中基于变步长的扰动观测法可以在减小震荡的同时，使系统更快的跟踪到最大功率点；基于功率预测的扰动观测法可以解决外部环境剧烈变化时所产生的误判现象；基于滞环比较的扰动观测法在最大功率点跟踪过程中的震荡和误判这两方面均有较好的性能。
2.2电导增量法（INC）
经过研究，最大功率点跟踪实质上就是搜索满足条件的工作点，由于数字控制中检测及控制精度的限制，以近似代替，影响了MPPT算法的精确型。一般而言，由步长决定，当最小步长一定时，MPPT算法的精度就由对dP的近似程度决定。扰动观测法用两点功率差近似替代微分dP，即从出发推演出以功率增量为搜索判据的MPPT算法。实际上为了进一步提高MPPT算法对最大功率点的跟踪精度，可以考虑采用功率全微分近似替代dP的MPPT算法，即从dP=UdI+IdU出发，推演出以电导和电导变化率之间的关系为搜索判据的MPPT算法，即电导增量法。由于INC法在实际数字实现时，一般用来代替，因此当在最大功率点附近一个步长范围内搜索工作点电压时，会出现工作点在最大功率点两边震荡的情形，这就是INC法的震荡问题。当采用INC法时，在最大功率点处会出现三种工作状态：第一种工作状态为稳定在一点的工作状态；第二种工作状态为两点震荡工作状态；第三种工作状态为三点震荡工作状态。当外界辐照度发生突变时，同扰动观测法一样，使用电导增量法进行最大功率点跟踪时也会出现误判。基于以上问题，研究出了几种改进方法，其中基于变步长的电导增量法可有效的抑制震荡问题，基于功率预测的电导增量法可有效的解决因环境变化而产生的误判现象，而基于中心差分法的电导增量法则能够减少震荡和误判的发生，有效的提高了MPP的精度。
2.3迭代比较法
在实际的跟踪最大功率的过程中，P随占空比D的变化曲线是单峰值曲线，设[Da，Db]为迭代区间，对应于占空比D，其最大区间为[0，1]，e为误差值，Dx，Dy为迭代变量，设有Dx，Dy的值即Dx=Da＋0.382（Db－Da)，Dy=Da＋0.618（Db－Da)作为脉宽调制信号，驱动开关管，通过电压电流传感器检测到功率Px、Py，并根据Px、Py的值作如下判断：若Px大于Py，则说明最大功率点对应的占空比在区间[Da，Db]内，则令[Da=Da，Db=Dy，D=Dx]；若Px小于Py，则说明其对应的占空比在区间[dx，db]内，则令[da=dx，db=db，d=dy]；若Px="Py，则说明其所对应的占空比在区间[Dx，Dy]内，[Da=Dx，Db=Dy，D=（Da+Db)/2]。再计算出"dx，dy，并计算出功率=""Px、Py。此方法最大功率点跟踪的灵敏度与精确度相比普通扰动观察法有很大的提高，并且直接控制的是占空比实现起来也相对简单。
2.4电流固定参数法与扰动观测法结合
该控制方法的原理是当系统实现短路电流法的控制目标后，即知道光伏阵列的短路电流就能使光伏阵列的输出功率重新接近MPP，再通过小步长扰动观察法使光伏器件的工作点继续向MPP移动，最后稳定在那里。其具体的过程是对光伏阵列输出电压V、输出电流I进行采样，并计算出DPK/DVK，根据DPK/DVK的符号判断光伏阵列工作在最大功率点左侧还是右侧，然后根据其工作状态采取不同的控制方法即当DPK/DVK小于0时，通过改变MPPT电路开关的占空比，使其工作在最大功率点左侧。根据采样得到光伏阵列的输出电压V、输出电流I，通过计算得到K时刻光伏阵列的短路电流IK=DPK/DVK及（K+1)时刻光伏阵列的短路电流IK+1=DPK+1/DVK+1，并比较两次电流的误差DIK。如果DIK在误差范围内，那么IK近似等于短路电流，将该电流用于MPP的短路电流控制。如果DIK超过规定范围，同时DPK/DVK大于0表明系统工作在最大功率点左侧且靠近最大功率点处，此时采用小步长扰动观察法进行控制。该方法由于使用短路电流法与扰动观测法的结合，在外界环境变化较小时在最大功率点附近扰动步长较小，因此功率振荡现象基本消除，在外界环境变化较快时能根据短路电流法使其工作点快速到达最大功率点附近，但该方法实现起来有一定难度。
3结束语
由于光伏电池的输出特性受日照强度和温度等外界环境的影响而具有明显的非线性性质，其功率控制成为一个复杂的综合性问题，但是现代控制技术和智能处理方法的发展已经为光伏电池MPPT控制在理论上和实践上取得大量应用的成果。
参考文献：
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[4]彭道福.超级电容器储能系统在光伏发电系统中的研究与应用[D].北京交通大学，2011.
论文作者:韩旭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/5
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