基于新型變步長電導(dǎo)增量法的最大功率點(diǎn)跟蹤策略

基于新型變步長電導(dǎo)增量法的最大功率點(diǎn)跟蹤策略在太陽能電池組件的運(yùn)作過程中，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是提高太陽能電池效率以及收集最大能量的關(guān)鍵因素之一。太陽能電池存在著一個(gè)特定電壓和電流的點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)（MPP）。在此點(diǎn)上可以發(fā)揮最大功率，因此MPPT方法的主要目標(biāo)是在MPP處得到最大功率。在實(shí)際應(yīng)用中，存在著多種不同的MPPT策略，其中新型變步長電導(dǎo)增量法是一種高效的MPPT策略，并且特別適用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

本文將詳細(xì)介紹電導(dǎo)增量法以及變步長算法，并且闡述新型變步長電導(dǎo)增量法的基本原理和工作流程。隨后，將介紹新型變步長電導(dǎo)增量法在MPPT中的應(yīng)用，包括不同步長的選取和不同逆變器狀態(tài)下的控制策略。最后，本文將考慮新型變步長電導(dǎo)增量法的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展望今后的發(fā)展方向。

一、電導(dǎo)增量法與變步長算法

1.1電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是MPPT的一種常見策略，其原理基于太陽能電池組件I-V曲線的特性。在I-V曲線中，每個(gè)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)表示了電池組件的電導(dǎo)率。因此，I-V曲線上最大功率點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)為零。如果能夠測(cè)量電池組件的電流和電壓，并且根據(jù)每個(gè)時(shí)間間隔的導(dǎo)數(shù)來調(diào)整負(fù)載電阻，則可以在最大功率點(diǎn)處獲得額外的能量。

電導(dǎo)增量法的基本思想是根據(jù)I-V曲線的不同位置采用不同的負(fù)載電阻，以獲取最大功率。具體來說，當(dāng)太陽能電池的電壓改變時(shí)，電導(dǎo)率也會(huì)隨之改變，如果電阻不變，則其工作點(diǎn)將移離MPP。因此，電導(dǎo)增量法即每隔一段時(shí)間計(jì)算一次電導(dǎo)率，然后根據(jù)導(dǎo)數(shù)的符號(hào)調(diào)整負(fù)載電阻，以使工作點(diǎn)向MPP移動(dòng)。由于負(fù)載阻值的調(diào)整只基于電導(dǎo)率的符號(hào)，因此電導(dǎo)增量算法非常簡單。

1.2變步長算法

變步長算法是電導(dǎo)增量法的一種改進(jìn)，其目的是加速尋找MPP的速度。變步長算法的基本思想是根據(jù)當(dāng)前的估計(jì)工作點(diǎn)選擇一個(gè)初始步長，然后通過增加或減小步長來搜索最大功率點(diǎn)。步長的大小是通過算法響應(yīng)速度的要求確定的。為了避免算法響應(yīng)過慢導(dǎo)致步長過大，可以將步長的大小與電導(dǎo)率的變化成比例。在算法尋找到MPP之前，步長將增加，以保持優(yōu)秀的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度。一旦找到MPP，步長將縮小，以實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)態(tài)性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，選擇正確的步長是至關(guān)重要的。如果不合適，則步長大小不會(huì)適應(yīng)快速變化的尋找最大功率點(diǎn)的需求。過小的步長將導(dǎo)致算法的尋找速度較慢。相反，過大的步長將導(dǎo)致算法不穩(wěn)定并且尋找不到最大功率點(diǎn)。因此，正確的步長的選擇非常重要，找到最優(yōu)步長是電流增量算法的重要問題之一。

二、新型變步長電導(dǎo)增量法的基本原理和工作流程

2.1基本原理

新型變步長電導(dǎo)增量法是一個(gè)高效的MPPT策略，其基本原理是在原有的變步長算法的基礎(chǔ)上引入了兩個(gè)新要素：參考電流和比例系數(shù)。參考電流是估計(jì)的最大功率點(diǎn)的電流，并且比例系數(shù)是一個(gè)用于計(jì)算步長的常數(shù)。通過引入?yún)⒖茧娏骱捅壤禂?shù)，新型變步長電導(dǎo)增量法能夠更精確地控制步長，并且快速地跟蹤MPP。在該算法中，與普通變步長算法不同的是，在搜索到MPP之前，步長將增加，以盡可能地快速跟蹤最大功率點(diǎn)。一旦找到MPP，步長將縮小，以保持穩(wěn)態(tài)性能。

2.2工作流程

新型變步長電導(dǎo)增量算法的工作流程如下：

（1）初始化：初始電阻值和初始電流為0，參考電流和比例系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。

（2）測(cè)量：測(cè)量太陽能電池組件的電壓和電流。

（3）計(jì)算電導(dǎo)率：采用中心差分法計(jì)算電池組件的電導(dǎo)率。

（4）計(jì)算偏差：計(jì)算當(dāng)前的偏差，并將其與之前的偏差相加，以累計(jì)誤差。

（5）計(jì)算步長：根據(jù)錯(cuò)誤信號(hào)和比例系數(shù)計(jì)算動(dòng)態(tài)步長。

（6）調(diào)整負(fù)載電阻：根據(jù)步長和電導(dǎo)率的符號(hào)調(diào)整負(fù)載電阻。

（7）更新電壓和電流值：根據(jù)新的負(fù)載電阻值計(jì)算電壓和電流值。

（8）返回至第二步：重復(fù)以上步驟直到找到最大功率點(diǎn)。

三、新型變步長電導(dǎo)增量法的應(yīng)用

3.1不同步長的選取

步長大小對(duì)MPPT策略的影響非常重要。如果步長太小，則需要較長的時(shí)間才能找到MPP。如果步長太大，則可能無法找到MPP。新型變步長電導(dǎo)增量算法中采用了一個(gè)有趣的策略，即步長隨著逐漸逐漸逼近最大功率點(diǎn)而逐漸變小。當(dāng)尋找到最大功率點(diǎn)時(shí)，步長將進(jìn)一步縮小，以實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)態(tài)性能。通過這個(gè)策略，新型變步長電導(dǎo)增量算法可以快速尋找到MPP并保持穩(wěn)態(tài)精度。

3.2不同逆變器狀態(tài)下的控制策略

逆變器狀態(tài)會(huì)影響MPPT策略的選擇。在新型變步長電導(dǎo)增量算法中，逆變器可以處于兩種狀態(tài)之一：開放或者關(guān)閉。當(dāng)逆變器處于開放狀態(tài)時(shí)，將通過MPPT充電所連接到的負(fù)載或電網(wǎng)中提供最大功率。當(dāng)逆變器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，則是在光伏電源中負(fù)載電阻被更改。在這種情況下，光伏電源會(huì)盡可能地產(chǎn)生最大功率。因此，新型變步長電導(dǎo)增量算法需要不同的控制策略來適應(yīng)不同的逆變器狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。

四、新型變步長電導(dǎo)增量法的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1優(yōu)點(diǎn)

（1）高效而準(zhǔn)確：新型變步長電導(dǎo)增量法結(jié)合了電導(dǎo)增量法和變步長算法的優(yōu)點(diǎn)，具有高效，準(zhǔn)確的優(yōu)良性能。

（2）穩(wěn)態(tài)性能好：新型變步長電導(dǎo)增量法可以根據(jù)圖像輸出準(zhǔn)確跟蹤MPP，且高精度的控制及其縮短了從正常工作點(diǎn)到MPP的瞬間轉(zhuǎn)換時(shí)間，使穩(wěn)態(tài)性能更好。

（3）適用性廣：新型變步長電導(dǎo)增量法適用于各種不同類型的太陽能電池，其控制效果穩(wěn)定可靠。

4.2缺點(diǎn)

（1）電壓波動(dòng)大：新型變步長電導(dǎo)增量法在尋找MPP過程中的收斂速度較快，因此可能會(huì)導(dǎo)致過大的電壓波動(dòng)。應(yīng)注意調(diào)整步長大小以避免電壓波動(dòng)過大。

（2）對(duì)環(huán)境要求高：新型變步長電導(dǎo)增量法對(duì)光照條件的要求較高，如果光照強(qiáng)度過低或者光伏電池面板存在陰影，則可能導(dǎo)致無法找到最大功率點(diǎn)。

五、未來展望

未來的研究可以考慮將機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到新型變步長電導(dǎo)增量算法中，以進(jìn)一步優(yōu)化其操作性能。此外，可以考慮將新型變步長電導(dǎo)增量算法與其他MPPT策略進(jìn)行比較，以找到最佳的應(yīng)用方案。從能源利用角度考慮，新型變步長電導(dǎo)增量法是一個(gè)非常有前途的MPPT策略，將在未來的太陽能電池組件應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。為了更好的分析相關(guān)數(shù)據(jù)，需要確定數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)范圍和數(shù)據(jù)類型，以及確定分析指標(biāo)和方法。

1.數(shù)據(jù)來源和范圍

數(shù)據(jù)來源可以包括政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)機(jī)構(gòu)、專業(yè)研究機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的調(diào)查/統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)范圍可以包括國內(nèi)或國際范圍，以及涉及到的領(lǐng)域、行業(yè)等。

例如，我們可以從國家能源局、中國新能源汽車協(xié)會(huì)、國際能源機(jī)構(gòu)、國際可再生能源機(jī)構(gòu)等公開機(jī)構(gòu)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)可以包括數(shù)量型數(shù)據(jù)和質(zhì)量型數(shù)據(jù)。數(shù)量型數(shù)據(jù)包括組成數(shù)量、比率、年增長率、產(chǎn)量、銷量等量化指標(biāo)。質(zhì)量型數(shù)據(jù)包括質(zhì)量評(píng)價(jià)、產(chǎn)品等級(jí)、訪問量、用戶滿意度等難以量化的指標(biāo)。

例如，數(shù)量型數(shù)據(jù)包括：光伏發(fā)電裝機(jī)總量、新能源汽車銷量、全球可再生能源占比、光伏發(fā)電成本等；質(zhì)量型數(shù)據(jù)包括：企業(yè)聲譽(yù)度、光伏發(fā)電質(zhì)量評(píng)價(jià)、充電樁用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)等。

3.分析指標(biāo)和方法

可根據(jù)數(shù)據(jù)類型確定分析指標(biāo)和方法。具體可以采用以下分析方法：

（1）統(tǒng)計(jì)分析：使用均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，幫助找出數(shù)據(jù)的分布規(guī)律和異常數(shù)據(jù)。例如，通過分析全球可再生能源產(chǎn)量和占比的歷史數(shù)據(jù)，可以分析出其發(fā)展趨勢(shì)和變化情況。

（2）比較分析：通過對(duì)兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)因素進(jìn)行比較，幫助找出它們之間的關(guān)系、聯(lián)系和優(yōu)劣。例如，對(duì)比分析國內(nèi)外光伏發(fā)電成本差異，找出成本高低原因，以及可行的成本削減措施。

（3）趨勢(shì)分析：通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。例如，采用趨勢(shì)分析方法對(duì)未來新能源汽車銷量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（4）綜合分析：將以上各項(xiàng)分析方法綜合運(yùn)用，幫助快速找出數(shù)據(jù)間的最直接、最有效的聯(lián)系，以及數(shù)據(jù)的實(shí)際意義。例如，綜合分析光伏發(fā)電裝機(jī)總量、成本和發(fā)展趨勢(shì)，找出目前光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和短板，以及未來可行的發(fā)展方向。

四、數(shù)據(jù)分析實(shí)例

根據(jù)以上分析方法，以下以光伏發(fā)電裝機(jī)總量和成本為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和討論。

4.1光伏發(fā)電裝機(jī)總量

首先，假設(shè)我們從國家能源局獲取了中國光伏發(fā)電裝機(jī)總量數(shù)據(jù)，分別為2010年至2020年的年度數(shù)據(jù)，如下表：

|年份|光伏發(fā)電裝機(jī)總量（MW）|

|----|---------------------|

|2010|0.14|

|2011|0.54|

|2012|3.00|

|2013|7.95|

|2014|28.33|

|2015|43.18|

|2016|77.42|

|2017|130.25|

|2018|177.42|

|2019|205.07|

|2020|253.41|

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電裝機(jī)總量呈現(xiàn)出快速增長和加速增長的趨勢(shì)。具體可以通過計(jì)算增長率和年均增長量來分析：

（1）增長率

增長率反映了光伏發(fā)電裝機(jī)總量的年度增速，利用相鄰年度光伏發(fā)電裝機(jī)總量的數(shù)據(jù)，計(jì)算增長率，即：

增長率=(本年度光伏發(fā)電裝機(jī)總量-上年光伏發(fā)電裝機(jī)總量)/上年光伏發(fā)電裝機(jī)總量×100%

（2）年均增長量

年均增長量反映了光伏發(fā)電裝機(jī)總量的整體增長速度，可以通過計(jì)算光伏發(fā)電裝機(jī)總量在年度分布上的均值，確定年均增長量。

如下表所示，我們計(jì)算了增長率和年均增長量數(shù)據(jù)：

|年份|增長率(%)|年均增長量（MW）|

|----|---------|----------------|

|2010|-|-|

|2011|285.71|0.40|

|2012|455.56|1.98|

|2013|165.00|3.34|

|2014|256.19|10.36|

|2015|52.95|14.84|

|2016|79.65|23.44|

|2017|68.31|27.65|

|2018|36.74|18.10|

|2019|15.63|12.99|

|2020|23.59|16.34|

從上表可以明顯看出，2011年至2014年增長率上升迅速，2015年至2017年增長率逐漸放緩，2018年至2020年增長率又有一定的回升，本文以中國光伏發(fā)電行業(yè)為案例，從數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用四個(gè)方面進(jìn)行講解和總結(jié)。

一、數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)分析的第一步，主要是為了去除數(shù)據(jù)中的異常值和缺失值，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括以下幾個(gè)步驟：

1.數(shù)據(jù)收集與整理：收集并整理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括光伏發(fā)電裝機(jī)總量、光伏發(fā)電成本等。

2.缺失值處理：檢查數(shù)據(jù)中是否存在缺失值，對(duì)于存在缺失值的數(shù)據(jù)，可以采用插值法、均值替代法等方法進(jìn)行填充。

3.異常值處理：檢查數(shù)據(jù)中是否存在異常值，對(duì)于存在異常值的數(shù)據(jù)，可以采用刪除或修正等方法進(jìn)行處理。

4.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化：由于不同指標(biāo)的單位和數(shù)量級(jí)不同，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。例如，可以采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法和Min-Max歸一化方法。

二、數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形或圖表的過程，可以更加直觀清晰地展示數(shù)據(jù)分布和趨勢(shì)。數(shù)據(jù)可視化的目的是為了幫助分析數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、關(guān)聯(lián)關(guān)系和統(tǒng)計(jì)分布等。

1.折線圖：折線圖可以用來表現(xiàn)光伏發(fā)電裝機(jī)總量的歷史變化趨勢(shì)，以及預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。例如，可以采用中國光伏發(fā)電行業(yè)的歷史數(shù)據(jù)，制作光伏發(fā)電裝機(jī)總量的折線圖。

2.條形圖：條形圖可以用來對(duì)比各地光伏發(fā)電情況的差異，例如各個(gè)省份的光伏發(fā)電裝機(jī)總量以及比例。

3.地圖：地圖可以用來展示不同區(qū)域的光伏發(fā)電情況，例如各個(gè)省份的光伏發(fā)電裝機(jī)總量和比例的空間分布。

4.餅圖：餅圖可以用來展示相對(duì)比例，例如不同類型電站的組成比例。

三、數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要是為了從數(shù)據(jù)中提取有效信息和知識(shí)，輔助決策，并為未來的行動(dòng)計(jì)劃提供指導(dǎo)。數(shù)據(jù)分析可以采用以下幾個(gè)方法：

1.統(tǒng)計(jì)分析：統(tǒng)計(jì)分析可以用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述和探索。例如，對(duì)于光伏發(fā)電裝機(jī)總量的歷史數(shù)據(jù)，可以采用描述統(tǒng)計(jì)分析方法，分析其均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)等指標(biāo)。

2.回歸分析：回歸分析可以用來分析數(shù)據(jù)之間的線性和非線性關(guān)系。例如，可以采用多元線性回歸分析法，分析光伏發(fā)電成本和光伏發(fā)電裝機(jī)總量之間的關(guān)系。

3.聚類分析：聚類分析可以用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。例如，可以采用聚類分析法，將不同類型電站進(jìn)行分類。

4.決策樹：決策樹可以幫助從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律和關(guān)聯(lián)。例如，可以通過決策樹算法，分析影響光伏發(fā)電成本的關(guān)鍵因素。

四、數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用的目的是將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際問題中，為決策者提供支持和指導(dǎo)。根據(jù)分析結(jié)果，可以制定相應(yīng)的決策計(jì)劃和行動(dòng)方案。

具體可以采用以下幾種方式