新能源转换与控制技术太阳能樊

新能源转换与控制技术太阳能樊1机械工业出版社第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期六2机械工业出版社第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期六3机械工业出版社4.3光伏发电系统的MPPT控制技术1、光伏电池最大功率点图4-24不同光照强度下的光伏电池最大功率点

第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期六4机械工业出版社MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。机械工业出版社第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期六5机械工业出版社常用的最大功率点跟踪控制算法（1）固定电压跟踪法（2）扰动观察法（3）增量电导法（4）功率反馈法（5）模糊逻辑控制（6）滞环比较法（7）神经元网络控制法（8）最优梯度法2、最大功率点跟踪控制算法第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期六6机械工业出版社

原理：对最大功率点曲线进行近似，求得一个中心电压，并通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压值，从而使光伏系统的输出功率达到或接近最大功率输出值。（1）固定电压跟踪法（CVT）图4-24不同光照强度下的光伏电池最大功率点

第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期六7机械工业出版社

优点：使用方便、控制简单、易实现等；

缺点：控制精度差，忽略了环境温度对光伏阵列开路电压的影响。图4-25不同环境温度下的光伏电池伏安特性曲线和输出功率曲线第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期六8机械工业出版社

原理：周期性地扰动光伏阵列输出电压，测得光伏阵列扰动后的输出功率为，而被存储的前一时刻输出功率被记忆为，若，则；若，则。（2）扰动观察法第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期六9机械工业出版社

优点：跟踪方便简单，容易实现；

缺点：初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。

原理：当输出功率为最大时，即处的斜率为零；得：。即通过比较光伏阵列的电导和瞬间电导来控制输出电压，进而保证光伏阵列运行在最大功率点。

（3）增量电导法

优点：控制精度高，响应速度快，适用于大气条件变化较快的场合；

缺点：对传感器等硬件的精度要求高，整体造价较高。第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期六10机械工业出版社

光伏阵列的安装有两个角度参量：倾角和方位角。倾角：光伏阵列组件平面与水平地面的夹角；方位角：光伏阵列组件垂直面与正南方向的夹角。

太阳光跟踪系统：光伏阵列随太阳的运行而自动跟踪移动，使其表面一直朝向太阳，增加光伏阵列接受的太阳辐射量。自动跟踪装置包括单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。3、太阳光跟踪系统第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期六11机械工业出版社4.4

独立式光伏发电系统

光伏发电系统一般包括：◎光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制器◎蓄电池充放电控制器◎直流升压或降压型变换器◎离网逆变器4.4.1

独立式光伏发电系统的结构及工作原理图4-26独立式光伏发电系统的基本结构

第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期六12机械工业出版社4.4.2

独立式光伏发电系统的储能与充放电控制技术1、最大功率点跟踪控制器

对于独立式光伏发电系统要实现光伏阵列的最大功率输出其实是实现注入蓄电池的功率最大。因此，蓄电池的充电特性曲线和光伏阵列的伏安特性曲线要始终相交于光伏电池的最大输出功率曲线上。图4-27不同光照强度同一环境温度下的光伏电池最大功率曲线

第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期六13机械工业出版社

降压变换器实现MPPT适配器的功能。在光伏阵列特性曲线的每个最大功率点处，、固定，蓄电池的充电电压和充电电流可检测到，通过控制降压变换器的开关改变其占空比，即可实现光伏阵列的最大功率跟踪。2、降压及升压变换器（DC-DCConverter）图4-28降压变换器第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期六14机械工业出版社

升压变换器主要应用于光伏发电系统向配电房直流输电，或将光伏电池或蓄电池的低电压经升压变换后输出，向高压用电器供电。图4-29升压变换器第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期六15机械工业出版社

通过调节充放电器的直流电压和直流电流输出值，达到对蓄电池充电电流或充电电压等不同目标的控制，实现不同策略的充电控制。只有良好地应用蓄电池的充放电特性，实施充放电管理，才能有效利用蓄电池，不缩短其寿命。铅酸蓄电池的充电过程主要包括充电程度判断、从放电状态到充电状态的自动转换，以及充电各阶段模式的自动转换和停止控制等方面。3、蓄电池充放电控制器第十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期六16机械工业出版社4.5并网式光伏发电系统

并网式光伏发电系统一般由光伏阵列、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置组成。逆变器将光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池的最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡；继电保护系统可以保证光伏系统和电网的安全性。图4-30并网式光伏发电系统的基本结构第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期六17机械工业出版社

光伏阵列并网逆变器应具有以下特点：◎具有较宽的直流输入电压范围◎具有较高的可靠性和可恢复性◎具有较高的逆变效率◎具有较小的输出失真度

作为光伏电池和交流电网间进行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有具足轻重的地位，因此逆变器是关键部件。第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期六18机械工业出版社

在并网式光伏发电系统中，逆变器起着如下作用：◎实现高质量的电能转换◎实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护等◎最大功率点跟踪第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期六19机械工业出版社4.5.1并网式光伏发电系统的结构及工作原理

并网式光伏发电系统中的逆变器按输入侧直流储能元件类型可进一步划分为电压型逆变和电流型逆变两类；按拓朴结构又可分为单相半桥逆变电路，单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路三种；按整流逆变的次数可分为单极或多级。第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期六20机械工业出版社图4－31光伏阵列并网的电压源型电路结构（1）电压源型光伏阵列的逆变并网第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期六21机械工业出版社（2）电流源型光伏阵列的逆变并网图4－32光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期六22机械工业出版社

电流源型逆变器直流侧需要串联一个大电感提供稳定的直流输入，但由于这一大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用电压源型逆变器。第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期六23机械工业出版社（3）单级式并网逆变器图4－33单级式并网逆变器的电路拓扑第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期六24机械工业出版社（4）两级式并网逆变器图4－34两级式并网逆变器的电路拓扑第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期六25机械工业出版社（5）多级式并网逆变器图4－35多级式并网逆变器的电路拓扑第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期六26机械工业出版社

在单极式并网逆变器中，MPPT控制、逆变控制、相位同步等必须在同一个变换器中得到实现，系统组成简单，但各参变量之间耦合程度高，控制算法比较复杂；对于两级式或多级式并网逆变器，MPPT控制一般在第一级变换中实现，而逆变控制、相位同步、并网控制等在后级变换中实现，使整个系统控制的复杂程度降低，各级的控制精度都得到提高，但增加了更多的硬件成本。第二十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期六27机械工业出版社4.6光伏发电的制约因素与经济技术评价

成本/价格年份（USD）光伏电池1990199520002010单晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00聚光电池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25表4－2地面用光伏电池组件的成本与价格（1990～2010年）第二十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期六28机