几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进

在光伏发电系统中需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪 分析了4 种常见的最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)方法,比较了其优缺点 针对MPPT 启动过程中特性较差的问题,提出了一种改进启动特性的MPPT方法,并通过实验验证了该方法的有效性 ### 几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进 #### 一、引言 随着全球能源危机的加剧，各国都在积极寻找可再生能源的利用方案。在这些方案中，光伏发电因其灵活性和可行性而受到广泛关注。然而，光伏电池的输出功率会受到光照强度和温度的影响，呈现出非线性特性。因此，为了最大化光伏发电系统的功率输出，需要采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）技术来实时调整光伏阵列的工作点。目前，MPPT技术已发展出了多种不同的方法，包括恒定电压控制法、扰动观测法、导纳增量法、模糊控制法以及基于预测数据的最大功率跟踪方法等。 #### 二、光伏电池等效模型及特性 ##### 2.1 光伏电池等效模型 光伏电池的输出特性可以用以下公式表示： \[ I = I_{ph} - I_0 \exp\left(\frac{U + R_s I}{n k T}\right) - \frac{I - U + R_s I}{R_{sh}} \] 其中： - \( I \)：光伏电池输出电流； - \( U \)：光伏电池输出电压； - \( I_0 \)：二极管反向饱和电流； - \( I_{ph} \)：光生电流； - \( g \)：电子电荷量，\( g = 1.6 \times 10^{-19} C \)； - \( R_s \)：光伏电池串联电阻； - \( n \)：二极管特性因子； - \( k \)：玻耳兹曼常数，\( k = 1.38 \times 10^{-23} J/K \)； - \( R_{sh} \)：光伏电池并联电阻。 ##### 2.2 光伏电池的电气特性 光伏电池的电气特性受到太阳辐射强度和温度的影响。图2展示了在不同太阳辐射强度相同温度和不同温度相同太阳辐射强度条件下的电流-电压（I-U）和功率-电压（P-U）特性曲线。这些特性曲线表明，光伏电池的输出功率随光照强度和温度的变化而变化，并且存在一个最大功率点（MPP），在这一点上，光伏电池能够输出最大的功率。 #### 三、光伏系统MPPT算法比较 本文将重点分析四种常见的MPPT方法：恒定电压控制法（CVT）、扰动观测法（P&O）、导纳增量法（IncCond）和模糊控制法。 ##### 3.1 恒定电压控制法（CVT） - **优点**：简单易实现。 - **缺点**：当环境条件变化时，固定的电压值可能不是最大功率点对应的电压值，导致效率降低。 ##### 3.2 扰动观测法（P&O） - **优点**：简单有效，广泛应用于实际系统中。 - **缺点**：可能会出现振荡现象，特别是在光照或负载快速变化的情况下；并且在MPP附近时收敛速度较慢。 ##### 3.3 导纳增量法（IncCond） - **优点**：能够精确地找到MPP，特别是在环境条件变化缓慢时。 - **缺点**：计算复杂度较高，对于快速变化的环境条件响应较慢。 ##### 3.4 模糊控制法 - **优点**：可以处理复杂的非线性问题，具有较强的鲁棒性和适应性。 - **缺点**：设计较为复杂，需要大量的实验数据来优化模糊规则。 #### 四、改进启动特性的MPPT方法 针对现有MPPT方法在启动过程中的不足，本文提出了一种改进启动特性的MPPT方法。该方法通过结合多种MPPT技术的优点，提高了启动阶段的性能。具体来说，该方法在启动初期采用了扰动观测法，以便快速接近最大功率点；而在接近MPP时，则切换到导纳增量法，以提高跟踪精度。此外，还通过引入自适应调节机制来优化扰动步长，从而减少跟踪过程中的振荡现象。 #### 五、结论 本文通过对几种常见的MPPT方法进行分析比较，并提出了一种改进启动特性的MPPT方法，旨在提高光伏系统的整体性能。实验结果验证了所提方法的有效性，能够在各种环境下高效准确地跟踪最大功率点，从而提高了光伏发电系统的能量转换效率。未来的研究可以进一步探索更加先进的控制策略，以应对更加复杂多变的实际应用环境。