（1.广西大学电气工程学院；2.广西水利电力职业技术学院广西南宁530023）
1引言
太阳能作为一种新能源，在军用、民用方面得到越来越多的应用。目前，在西部光明工程、国家送电到乡、送电到村、送电到户工程，太阳能占了相当的比例；国家兆瓦级电站相继在世界各地建成运行；一些行业在太阳能领域也有大量使用，如通信、石油、气象、交通等。随着太阳能电池板价格的走低，太阳能发电系统的应用将会越来越广。
2最大功率点的跟踪（MPPT）的概念
当前光伏发电还存在一些问题，光伏阵列的输出特性是非线性的，并且其输出受光照强度、温度和负载情况等因素的影响[1]。太阳辐照度和环境温度一定的情况下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压下，但是只有在某一特定的输出电压值时，其输出功率才能达到最大值，此时光伏阵列的工作点就是输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，就需要实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率左右，我们称这一过程为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。
在选择最大功率点追踪方式之前，必须先对光伏电池的特性加以了解。光伏电池在每一特定的环境条件下都有相对应的工作曲线，而在这些工作曲线上可以找到一个输出功率的最大值，这就是所谓的最大功率点。如图１所示光伏电池的电气特性曲线。
图1光伏电池的电气特性
图中Ｉｐｖ、Ｕｐｖ分别为光伏电池的电流、电压，Ｉｓｃ为光伏电池的短路电流，Ｕｏｃ为光伏电池的开路电压，ｉＭＰＰ、ｕＭＰＰ、ｐＭＰＰ分别为光伏电池最大功率点对应的电流、电压及功率。它表明：光伏电池既不是恒流源，也不是恒压源，不能为负载提供任意大的功率，具有非线性性，但当光伏电池输出电压较小时，输出电流随电压增大的变化较小，可将光伏电池当成一个恒流源；当电压足够高，超过一定值后，输出电流就会急剧下降至零，此时可将光伏电池当成一个恒压源。
最大功率点的跟踪（MPPT）实现的实质是一个自寻优过程，通过控制光伏阵列端电压，使阵列能在各种不同的光照和温度环境下智能化地输出最大功率。
3最大功率点的跟踪（MPPT）的作用
在最早期的光伏发电系统中，一般是通过光伏阵列直接向负载供电，如图2所示，其结构简单，成本较低。但光伏阵列没有进行MPPT控制，蓄电池组的端电压必须与负载严格匹配，且没有对蓄电池组进行充放电控制，容易造成蓄电池组的损坏。
图2早期光伏发电系统结构
如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，由于光伏阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此需要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节MPPT，带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如图3所示，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。
图3带有MPPT的独立光伏发电系统结构
4最大功率点的跟踪（MPPT）方法
光伏阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受光照强度和温度的影响，光伏电池的光电转化效率降低[2]。为了有效利用光伏电池，有必要实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何当前光照下获得最大功率输出。下面就分别介绍几种MPPT方法的原理、优缺点及改进措施。
4.1恒定电压法
当温度一定时，光伏电池输出特性曲线上最大功率点电压基本固定在电压值附近小范围内，因此根据实际系统设定一个恒定的运行电压，让系统始终保持在某一个设定电压下工作，从而尽可能地输出最大功率[3]。如图4所示，当光伏阵列处于恒定温度环境下，随着光照的不断变化，最大功率点会近似分布在一条直线上，故可以考虑采用这一恒定的输出电压Um为工作电压。
图4恒电压最大功率点跟踪方法示意图
由前可知，输出功率为：
此时斜率为零则有：
整理后得：
当光照缓慢变化时，Uoc的变化不是很明显，因此求解上后得到恒定电压Um。
该方法将MPPT转化为稳压控制，设计简单，成本较低，但准确性不高。该方法在初期的光伏系统中曾广泛采用，后集中用于航天卫星光能系统中，因为一般在航空领域，针对太阳光的角度基本不改变的情况才有较高的利用效率，这对于地面的光伏系统来说有较大的区别，限制了其在该方法光伏电站等大型光伏系统的应用。
4.2自适应MPPT法[4]
光伏阵列受局部阴影、个别光伏组件故障等影响，输出P-U特性呈多峰现象，此时传统最大功率点跟踪（MPPT）往往无法跟踪到真正的全局最大功率点（MPP）。为了避免由此导致的光伏阵列输出功率大幅度损失，在深入研究阴影条件下光伏阵列多峰功率特性的基础上，提出一种自适应全局MPPT方法。当光伏阵列的输出P-U特性发生变化时，该方法能自适应调整跟踪策略寻找到全局MPP。20kWp光伏阵列仿真实验和统计分析结果表明该方法在超过90%的阴影案例中，能准确快速平稳地跟踪到真正的全局MPP，且对开路电压和短路电流估测误差具有鲁棒性。实验测试结果表明：该MPPT方法能在局部阴影发生前后跟踪到光伏阵列的全局MPP。
自适应MPPT方法基本原理：首先自适应MPPT方法在传统MPPT的基础上增加了3个关键步骤：1）估测光伏阵列在无阴影处的开路电压和短路电流；2）光伏阵列输出特性变化的判断；3）全局MPP区间的定位。经过上述3个步骤后，即可调用传统MPPT方法搜索C点所在运行区间的峰值。
由于原理简单、所需传感器数量少、MPPT跟踪性能优异，自适应MPPT方法具有较好的应用前景。
5结论
本文主要分析了光伏发电系统最大功率点跟踪MPPT的概念以及作用，在分析光伏发电系统最大功率点跟踪MPPT概念的基础上，重点分析了现有的各种MPPT技术原理以及各自的优缺点。
参考文献：
[1]梁慧慧.独立光伏发电系统最大功率点跟踪的研究[D]，重庆大学，2014
[2]马超.并网光伏系统最大功率点跟踪控制[D]，上海交通大学，2014
[3]刘传洋.光伏电池最大功率跟踪算法的优化设计[J].通信电源技术，2012，29（4）：52-54.
[4]王云平，阮新波，李颖.不均匀光照光伏单元串联电路快速MPPT方法[J].中国电机工程学报，2015，35（19）：4870-4878.
作者简介：
张婧（1982.03-），女，汉族，湖南永州人，本科学历，学士学位，高级工程师，广西水利电力职业技术学院，教师，研究方向：电力系统分析、供用电网络。