光伏系统最大功率点跟踪技术的基本原理详解

光伏发电系统中，光伏电池在不同太阳光照强度下输出最大功率时，其两端电压值并不固定，而且当工作温度发生变化时，相应于同一光照强度的最大功率，电压值也将发生变化。光伏电池的输出与光照强度和环境的温度有很大的关系，为了使光伏电池在任意的光照和温度下，都能有最大的功率输出，即光伏电池始终工作在最大功率点处，首先要确定最大功率点在光伏电池伏安特性曲线上的位置。

图6-1 光伏电池电流（功率）-电压曲线

曲线1—I-U曲线；曲线2—P-U曲线(www.xing528.com)

如图6-1所示为光伏电池电流（功率）-电压关系曲线，它表示了在特定的光照强度和温度下，电池输出的电流I（功率P）与电压U的关系。由前面对光伏电池输出特性的分析可知曲线1和曲线2均表明了电池的特性，且具有明显的非线性特征。图中曲线2类似于一个抛物线，即光伏电池在输出最大功率P_m（I_mU_m）时，最大功率点电压（最大工作电压）U_m小于开路电压U_oc，最大功率点处的电流（最大工作电流）I_m小于短路电流I_sc。并且电池电压在0～U_m间变化时，功率曲线为递增函数，当电池电压在U_m～U_oc时，功率曲线为递减函数。光伏电池的输出功率主要取决于太阳光照强度和其工作温度。由光伏电池在不同温度下得I-U、P-U特性曲线可知，随着工作温度的升高，短路电流I_sc稍微升高，开路电压U_oc和最大功率点电压U_m下降，光伏电池输出最大功率P_m下降。由不同光照强度下的I-U、P-U特性曲线可知，对同一块电池，I_sc值与光的辐照度成正比；输出最大功率P_m也随着光照强度的增加而增加。

为了实现在任何外部条件下光伏阵列输出当前光照下最多的能量，提出了光伏阵列的最大功率点跟踪问题。随着光伏发电系统的日益普及，光伏发电系统较高的造价和较低的转换效率，使得最大功率点跟踪技术的研究愈发重要。最大功率点跟踪控制（MPPT）策略是实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作情况下光伏阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使光伏电池的结温升高使阵列的输出功率减少，系统仍可以运行在当前工况下的最佳状态。由于光伏电池具有非线性的输出特点，不易进行数学分析，可以利用简单的线性电路来研究最大功率跟踪的基本原理。

从电路理论中的阻抗匹配原则可知：在线性电路中，当外部负载等效电阻与电源内阻相等时，外部负载可以获得最大输出功率。也就是说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然光伏电池和电力电子变换器都是非线性的，但是在短时间内，可以认为是线性电路。等效地把光伏电池看成直流电源，把电力电子变换器看成外部阻性负载，调节电力电子变换器的等效电阻，使之在不同的外部环境下始终跟随光伏电池的内阻变化，两者动态负载匹配就可以在电力电子变换器的输出侧获得最大输出功率，实现光伏电池的MPPT。