（电力系统及其自动化专业论文）光伏发电系统最大功率跟踪的研究.pdf

光伏发屯系统最大功率跟踪的研究 a bs t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gb u r d e no ne n e r g y e x h a u s t i o na n de n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，a sac l e a n l ya n dr e n e w a b l ee n e r g y ，s o l a re n e r g yh a sb e c a m eah o t s p o to f t h e w h o l ew o r l d i np h o t o v o l t a i ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s ，t h ep h o t o v o l t a i cc e l lh a s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s n o n - l i n e a r ，t i m e v a r y i n g a n dc a nn o te s t a b l i s hap r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rr e a l - t i m ea d j u s t m e n t st op o w e rp o i n to fp h o t o v o l t a i c c e l l st om a k ep h o t o v o l t a i cs y s t e mi nt h em a x i m u mp o w e rp o i n t ，i m p r o v et h es t a b i l i t y o ft h es y s t e m a st h ep h o t o v o l t a i ce e l lh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sn o n l i n e a r ，t i m e v a r y i n ga n dc a n n o te s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rc a nn o t s a t i s f yt h er e q u e s t so fh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o l ，s u c ha sa c c u r a t es p e e do rt o r q u e c o n t r o la n dr o b u s t n e s s t h i sp a p e ra p p l yt h ef u z z yc o n t r o lt om a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n gc o n t r o lo fp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m f r o mi t sv o l t - a m p e r e c h a r a c t e r i s t i c s ，a n da p p l yc u k c o n v e i r t e rt oa c h i e v em p p t f u z z yc o n t r o lc a nr e s p o n d q u i c k l yt oc h a n g e si nt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a l w a y sw o r k i n g t om a k ep h o t o v o l t a i c s y s t e mi nt h em a x i m u mp o w e rp o i n t ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o ft h ep h o t o v o l t a i c s y s t e m b a s e do nt h et h e o r y , t h e naf u l ld i g i t a lp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e mb a s e do nt i sd s p i sd e s i g n e d i ni tt i sd s pi su s e da st h ec e n t r a lp r o c e s su n i t ，a n di p mi su s e di nt h e p o w e rs u p p l y u n i t t h ed i g i t a l l yr e a l i z e dm e t h o d so ff u z z yp i dc o n t r o l l e ra r e i n t r o d u c e dd e t a i l e d l y b a s e do nm a t l a b s i m u l i n kt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h e c o n t r o l l e ra r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp i da n df u z z yp i d c o n t r o l l e ri sc o m p a r e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h ef u z z yp i dc a n q u i c k l yr e s p o n dt oc h a n g e s i nt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y e l i m i n a t et h ew o r ko ft h em a x i m u mp o w e rp o i n to ft h eo s c i l l a t i o na n di m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i c ，m p p t , f u z z yc o n t r o l i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 吲谭 1 日期： 哆年月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 期： 期： 日日r 、z 角加 年年 哆7 叩7 硕十学位论文 1 i 概述 第1 章绪论 随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为2 1 世纪人类 所面临的重大基本问题，清洁、可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的 广泛关注。人类必须及早寻求新的替代能源或可再生能源来代替日益走向枯竭的 固有能源。研究和实践表明，太阳能直接辐射地球的能量丰富、分布广泛、可以 再生、不污染环境，是国际公认的理想替代能源。太阳能既是近期急需的能源补 充，又是未来能源的结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人 类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问 题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。其中太阳能光伏发电是太阳能最 重要的一个应用，也是新能源和可再生能源的重要组成部分。 光伏发电系统的主要缺点之一是光伏发电的成本太高，其二是太阳电池的光 电转换效率太低，一般多晶硅太阳电池的光电转换效率约1 2 1 4 ，如果再考虑 并网逆变器的效率则光伏并网系统的综合效率只有1 0 左右。为了解决这些问题， 一方面要靠研制价格低廉的并且能量转换效率高的光电材料，另一方面就是要在 并网逆变器的控制上实现太阳能电池的最大功率输出，太阳能电池的最大功率点 跟踪控制是指为充分利用太阳能，而根据太阳能电池的伏安特性控制并网逆变器 的工作状态，使太阳能电池始终输出当前光照强度下的最大电能心3 。之所以会有太 阳能电池的最大功率点跟踪控制问题，这是由太阳能电池本身的特性决定的，即 太阳能电池的输出特性受光照强度和外界温度的影响较大，而在相同的光照强度 和外界温度条件下，当太阳能电池的工作电压不同，输出功率也不相同。由于日 照变化的不确定性、太阳能电池阵列的温度的变化和太阳电池v - i 曲线的强烈非 线性，所以太阳电池阵列的最大功率点是随着环境的变化而时刻变化的。 1 2 最大功率跟踪控制的发展过程 固定电压跟踪法是较早产生的一种m p p t 控制方法，该方法是根据在日照强度 较高时，太阳电池阵列的最大输出功率对应的工作电压变化不大这一特性而提出 的控制方法。该方法实际上是把m p p t 控制简化为稳压控制，因此具有控制简单， 易实现，可靠性高、系统运行稳定等优点。但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列 开路电压的影响，因而不能实现真正最大功率输出的跟踪控制。 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 随着电力电子技术的发展，控制芯片的工作速度和存储器容量都不断提高， 特别是高性价比的d s p 控制芯片的广泛使用，使得固定电压跟踪方法的简单性与 其造成的能量损失相比已显得很不经济，因此一些新的控制方法应运而生。常用 的m p p t 控制方法包括扰动观测法、导纳微增法、间歇扫描法以及模糊m p p t 控制 等。其中扰动观测法的工作原理是先对太阳电池的工作点进行扰动，然后根据扰 动后系统的功率变化从而决定下一步对工作点扰动方向，如此不断的对太阳电池 的工作点进行扰动而达到跟踪最大输出功率的目的1 。扰动观测法的缺点在于它没 有对系统工作点的总体位置进行判断，而只是通过简单的功率变化来实现跟踪控 制，即使是系统已经工作在当前条件下的最大功率点处，它仍然要通过改变工作 点位置来判断下一步的跟踪方向，这样就产生了一些无谓的功率损失。而导纳微 增法则较好的解决了这种问题，导纳微增法是根据太阳能电池的p v 工作曲线中， 最大功率点处的斜率为零来实现工作点的跟踪控制的。这种控制方法可以判断工 作点在工作曲线的位置，当判断出系统已工作在最大功率点时，就不再对工作点 进行调节。然而在调节工作点电压的扰动观测法和导纳微增法中，当光照强度快 速变化时，调节方法会出现“误判 的情况。虽然通过一些改进措施可以尽量避 免“误判情况发生，但间歇扫描法则可以更有效地解决“误判 问题，该控制 方法是根据光伏阵列实际工作过程中，短时间内最大功率变化不大的特性而提出 的控制策略。 智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用 来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制。智能控制包括专家系统、神 经网络和模糊控制，而模糊控制是目前在控制领域中所采用的三种智能控制方法 中最具实际意义的一种方法哺3 。在光伏系统m p p t 控制中，由于外界光照强度和温 度变化的不确定性以及并网逆变器的非线性特性，则使用模糊逻辑的m p p t 控制方 法进行控制，有望获得理想的控制效果。 1 3 国内外光伏发电系统m p p t 的现状 ( 1 ) 目前我国光伏系统m p p t 控制的研究情况 根据调研的情况，目前我国建设和投入使用的光伏系统大多是在西部的边远 无电地区建立的独立型光伏发电系统，例如西藏措勤县2 0 k w 光伏电站、西藏阿扎 县5 0 k w 光伏电站等，这些系统一般由太阳能电池阵列、蓄电池组、直流控制器、 逆变器和交流配电柜等组成。因而在光伏系统m p p t 控制的研究方面，国内从事的 也大多是独立光伏电站的m p p t 控制研究，并且取得了一些成熟的研究成果，例如 光伏水泵m p p t 控制、蓄电池充电器m p p t 控制等1 。而目前国内对并网光伏发电系 统的m p p t 控制研究较少，并网系统一般只有光伏阵列、并网逆变器组成。然而就 2 颂十号叫市论文 独立型和并网型光伏发电系统的m p p t 控制比较而言，独立型光伏发电系统由于使 用了蓄电池组储能装置，因而对光伏阵列的m p p t 控制只需要完成对从光伏阵列到 蓄电池组的d c d c 直流变换器的工作状态控制即可；而并网型光伏发电系统则需 要通过d c d c 直流变换和d c a c 逆变器的两级控制系统来完成对光伏阵列的m p p t 控制；因此从控制的复杂程度来看，并网型光伏系统的m p p t 控制比独立型光伏系 统的m p p t 控制更加困难。 ( 2 ) 国外光伏系统m p p t 控制的研究情况 从论文检索的情况看，国外对并网光伏发电系统的m p p t 控制已开展了比较长 时间的研究，而且目前国外也主要只针对并网光伏发电系统的m p p t 控制开展研究， 并且提出和发展了一些m p p t 控制方法，例如基于直流电压纹波的m p p t 控制，自 适应m p p t 控制等盯3 。然而这些文章大都集中在对单级结构并网逆变器的m p p t 控制 的研究，而对像本文的两级结构的并网逆变器的m p p t 控制的问题，目前国内外还 都未进行系统的研究。但是对小功率光伏并网发电系统，两级结构的并网逆变器 又是比较常见的，由于太阳能电池的工作电压变化范围比较大，因此并网逆变器 通常先通过一级d c d c 直流变换器使输入d c - a c 逆变器的电压稳定。因此本文开 展这方面的研究是具有创新性和实用意义的。随着科技的进步和光伏市场的发展， 为了有效利用太阳能，m p p t 技术必将在光伏系统中广泛应用，将会取得较大的经 济和社会效益。 1 4 本课题的意义与目的 光伏发电利用光伏电池的半导体光伏效应把太阳能转换为电能，光伏电池阵 列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。 在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只 有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的 工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，即最大功率点。在光伏发电系统中， 要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之 始终工作在最大功率点附近，即最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ，m p p t ) 阳1 。因此，对光伏系统最大功率点跟踪( m p p t ) 的研究成为一个 重要的课题，具有重要的意义。 由于太阳能电池光电转换效率太低，一般多晶硅太阳能电池的光电转换效率 约为1 2 - 、一1 4 ，再考虑逆变器的效率，则光伏系统的综合效率只有1 0 左右阳1 。为 了解决这方面的问题就是要在并网逆变器的控制上实现太阳能电池的最大功率输 出。而本课题的光伏系统最大功率跟踪就是以充分利用太阳能，而根据太阳能电 光伏发电系统最火功率跟踪的研究 池的伏安特性、控制逆变器的工作状态，使太阳能电池始终输出当前光强度下最 大电能为目的的。 i 5 本课题的研究内容 本课题的研究目的是立足于本专业基本理论，结合其他相关学科方面的知识 以及前人在这一领域内的研究成果，从高效、可靠以及实用性的角度出发，研制 出一套具有实际应用价值的具有最大功率跟踪的光伏发电系统。本文从太阳能电 池的光伏特性出发，针对传统光伏系统在最大功率跟踪点附近存在振荡、不稳定 等缺点，把模糊p i d 控制应用到光伏发电系统最大功率点跟踪的控制当中，模糊 p i d 控制能快速响应外界环境的变化，使光伏系统始终工作在最大功率点，提高系 统的稳定性。全文共分6 章，内容安排如下： 第1 章简要地介绍了光伏发电的现状和发展趋势，并阐述了课题研究的目的 与意义及论文的结构安排。 第2 章从太阳能电池的光伏特性出发，详细介绍了光伏发电系统的组成、太 阳能电池的发电原理，并对太阳能电池的伏安特性进行了分析，还介绍了光伏系 统最大功率跟踪的原理及实现最大功率跟踪功能所用到的d c d c 变换电路和s p w m 控制技术。 第3 章研究了模糊p i d 控制器在光伏发电系统最大功率跟踪控制中的应用。 首先介绍了各种m p p t 算法的实现、模糊控制技术及模糊p i d 控制器的构成，然后 针对各种m p p t 算法的优缺点应用模糊p i d 控制加以解决，最后对模糊p i d 控制器 进行了设计，并给出了隶属度函数及模糊控制规则表。 第4 章具体介绍太阳能电池最大功率跟踪器的硬件电路设计给出总体设计框 图再针对具体模块做详细说明，并详细给出了模糊p i d 控制器和最大功率跟踪的 硬件实现方法，并给出了程序设计流程图。 第5 章首先，利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 仿真软件建立光伏电池的数学模型， 然后对整个光伏发电系统进行仿真研究，最后对仿真结果进行了分析。 第6 章详细介绍了系统各部分参数，并在光伏发电系统的硬件平台上进行了 实验，最后对系统的实验结果进行了分析。 4 硕+ 学位论文 第2 章光伏发电系统组成和基本原理 2 1 光伏发电系统的组成 m p p t 逆变器 图2 1 光伏发电系统结构框图 光伏发电系统的结构如图2 1 。系统的工作原理是：利用半导体太阳电池将太 阳能转换为电能，并通过能量控制系统对蓄电池组进行有效地充、放电控制n 叫。 ( 1 ) 太阳电池阵列 由许多太阳电池组件串、并联而成，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其 它类型的太阳电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件构成，其特性( 伏 安特性) 具有强烈的非线性，本文第2 章第3 节中将做详细讨论。 ( 2 ) d c d c 环节 d c d c 环节是本系统的关键组成部分，其主要作用是在蓄电池未过压时保证太 阳电池阵列始终以最大功率向蓄电池组传递能量，当蓄电池组过压时，又可通过 对太阳电池阵列输出能量的控制完成对蓄电池的过压保护。在该环节中，由于太 阳电池阵列具有强烈的非线性特性，为保证太阳电池阵列在任何日照和环境温度 下始终可以相应的最大功率输出，通常都引入了太阳电池最大功率点跟踪( m p p t m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 控制技术，本文第4 章将予以进一步讨论。 ( 3 ) 蓄电池组 蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的 选择应与太阳电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是储存太阳能阵列所产 生的电能，以备不时之需。而且由于蓄电池对电压的波动具有“缓冲作用，还 可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价格低等优 点，但若使用不当，很容易加速蓄电池的老化，具体表现为：电池的容量下降很快、 寿命缩短，因此对蓄电池的充、放电保护是光伏充电系统中必不可少的环节， ( 4 ) 逆变器 逆变器是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交 光伏发电系统最大功率跟踪的石j f 究 流电能，因此是一种电能变换装置。由于是通过半导体功率开关器件的开通和关 断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。逆变器的负载多半是感性负载。为 了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。光伏发电系统 中逆变器是将光伏电池储存在蓄电池中的能量转化为负载可用的交流电。 本系统设计光伏电池为s t p l 2 0 s 一1 2 t b 型6 块，每两块一组共三组， s t p l 2 0 s 一1 2 t b 型的参数如下：开路电压：2 2 4 v ；短路电流：8 1 4 a ；工作电压 1 7 5 v ；最佳工作电流：7 7 l a ；额定功率1 2 0 w 。 蓄电池组选用g f x - 2 0 0 型光伏专用胶体蓄电池。考虑负载为4 个1 7 5w 的探照 灯，按每天工作t 如1 0 小时，阴雨天为n d , 5 天的情况下，则需要g f x - 2 0 02 v 蓄电 池1 2 块。其计算如下： n = n 幸w p u s 木乃a y 牛z ， = 4 牢1 7 5 2 2 0 * 1 0 半5 = 1 5 9 a h 2 0 0 a h 2 2 太阳能电池发电的原理 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如： 图2 2 1 太阳能电池半导体结构图图2 2 2 掺入硼的半导体结构图 正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，硅晶体中可 掺入其他的杂质，如硼、磷等。当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，其 结构如图2 2 2 所示。图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边 的四个电子。而条色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3 个电子，所以 就会产生入图所示的黑色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易 吸收电子而中和，形成n 型半导体n u 。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五 个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成p 型半导体。 n 型半导体中含有较多的电子，而p 型半导体中含有较多的空穴，这样，当p 型和n 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是p n 结n2 i 。当晶 片受光后，p n 结中，n 型半导体的电子往p 型区移动，而p 型区中的空穴往n 型 区移动，从而形成从n 型区到p 型区的电流。然后在p n 结中形成电势差，这就形 6 9 审审杳 _ 一 一 _ 9 审审审杏9 审令争9 令令审舍令审令合9 审令令杏9 审令审杏9 令审审舍q 审审审办9 令审审舍 硕十学何论文 成了电源。 受光过程中带负电的电子往n 区移动 带正电的空穴往p 区移动 图2 3 受光移动前的p n 结结构图 负电极 oooooo o oo o o o oo ooo oo ooo 受光后负电子从n 区负电极流出 空穴从p 区正电极流出 i e 电极 图2 4 受光移动后的p n 结结构图 2 3 光伏电池的特性分析 - - 目前光伏系统中使用的太阳能电池多为硅太阳电池。图2 5 为光伏电池的等效 回路n 引。一个理想的光伏电池，其等效串联电阻r 。很小，而等效并联电阻r 。很大， 一般对单晶硅或者多晶硅光伏电池来说，它们都可以忽略不计。 飚- cl k 上 t 9 1 7 上 f f巩 l tt| r 图2 5 光伏电池等效电路 光伏电池的输出特性方程为： m l h 掣 - 1 ) 一等 式中，i 光伏电池输出电流( 工作电流) ； y 光伏电池输出电压( 工作电压) ； i ，n 光生电流； 7 ( 2 1 ) 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 i 。二极管饱和电流； q 一一电子的电荷量( 1 6 1 0 。1 9 ) ； r 。一一光伏电池的串联电阻； k 玻耳兹曼常数； t 一一光伏电池温度； r 。一一光伏电池的并联电阻。 是基于物理原理的最基本的解析表达式，已被广泛应用于太阳电池的理论分 析中，但由于表达式中的5 个参数，包括i 。、i 。、r s 、r 。和a ，它们不仅与电池温 度和日射强度有关，而且确定十分困难，因此不便于工程应用，也不是太阳电池供 应商向用户提供的技术参数。 工程用模型强调的是实用性与精确性的结合。考虑到借助光伏阵列模拟器或 其它仿真软件针对光伏电站、光伏户用系统、光伏水泵系统、“风一光一柴一蓄”等 各种涉及太阳能光伏利用的复合能源系统在设计、数字仿真和模拟时的动态反应 速度及计算工作量，必须尽可能在工程精度允许的条件下简化模型n 剀。工程用太阳 电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数，如i 。、v m 工、v 。、p 。， 就能在一定的精度下复现阵列的特性，并能便于计算机分析。以下将在基本解析表 达式( 2 1 ) 的基础上，通过两点近似，即： 1 ) 忽略( y + i * r s ) r 曲项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流； 2 ) 设定屯= k ，这是因这是因为在通常情况下凡远小于二极管正向导通电阻，并定 义在： a ) 开路状态下，i ：o ，v = v 。； b ) 最大功率点，v = v ，i = i 的条件下建立硅太阳电池的工程用模型。按此，太阳电池 的i v 方程可简化为： j = l ( 1 一c l ( e x p 【y ( c 2 吃) 卜1 ) ) ( 2 2 ) 在最大功率点时，v = y ，i = i ，可得： 厶= l ( 1 一g ( e x p 【吃( c 2 吃) 】一1 ) ) ( 2 3 ) 由于在常温条件下e x p v ( c ：v 。) 1 ，可忽略式中的“一1 项，解出c 。： c l = 0 - i i = ) e x p - v c 2 v = 】 ( 2 4 ) 注意到开路状态下，当i = o 时，y = v 。，并把式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 得： o = l ( 1 一l l ) e x p f _ 圪c ：v o a e x p ( 1 c 2 ) 一1 b ( 2 5 ) 由于e x p ( 1 c ：) 1 ，忽略式中的“一l ”项，解出c 。： 8 硕十学何论文 c 2 = 化吃- 1 ) 【l n ( 1 一l l ) 】一1 ( 2 6 ) 因此，本模型只需要输入太阳电池通常的技术参数i 小v mi 、v ，就可以根 据式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 得出c l 和c 2 。最后的太阳电池i - y 特性曲线是由式( 2 3 ) 确定。 太阳电池i v 特性曲线与日照强度和电池温度有关。通常地面上日照强度s 的 变化范围为0 1 0 0 0 w m 2 ，太阳电池的温度变化较大，可能从1 0 - - - 7 0 。按标准，取 s r e f = 1 0 0 0 w m 2 ，t = 2 5 为参考日照强度和参考电池温度。当日照强度及电池 温度s ( w m 2 ) 、t ( ) 不是参考日照强度和参考电池温度时，必须考虑环境温度条件 对太阳电池特性的影响。设t 为在任意日照强度s 及任意环境温度t 。，下的太阳电池 温度，根据大量实验数据拟合后，下式被证明具有工程意义上足够的精度n 盯： 致) = 死f ，( ) + 瞰m 2 w ) - s ( w m 2 ) ( 2 7 ) 式中k 可由实验测定之t ( s ) 直线的斜率确定。对于常见的太阳电池阵列支架， 可取： k = o 。0 3 ( c m 2 w ) ( 1 ) 方法l 通过对参考日照强度和参考电池温度下i - v 特性曲线上任意点( v ，i ) 的移动， 得到新日照强度和新电池温度下的i - v 特性曲线上任意点( v ，i7 ) 。 a t = t 一 专肌一号t 卜 a v = 一肛r r ( 2 8 ) i = i4 - a y 7 = v4 - v a 一参考日照强度下的电流温度系数，a ，1 3 一参考日照强度下的电压温度系 数，v c ，对于单晶硅及多晶硅太阳电池其实测值为： a - - - - 0 1 0 0 1 2 1 , c f l = 0 1 0 0 5 v o 。 ( 2 ) 方法2 根据参考日照强度和参考电池温度下的i 。、v 。、i 、v 推算出新日照强度和 新电池温度下的i 。、v 。7 、i 、v - 再代入实用表达式得到新日照强度和新电池温 度下的i v 特性曲线n 5 1 。 a t = t 一瓦， ( 2 9 ) 丛：一1 ( 2 1 0 ) s 耐 “凯 9 光伏发【乜系统最大功率跟踪的石j f 究 艺= l = ( 1 + c t a t ) ( 2 1 1 ) u r c f 磁= 吃( 1 一c 丁) 1 1 1 ( 1 + 6 s ) ( 2 1 2 ) e ：l = ( 1 + 0 【丁) ( 2 1 3 ) 碟= 圪( 1 - c h t ) l n ( 1 + b a s ) ( 2 1 4 ) 推算过程中假定i - v 特性曲线基本形状不变，系数a 、b 、c 的典型值为： a = 0 1 0 0 2 5 b = 0 1 5 ( 2 1 5 ) c = 0 1 0 0 2 8 8 太阳电池的i v 特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分析最重要的方 面。太阳电池的i v 特性是指在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出 电压和输出电流之间的关系n 引，如图2 6 所示。i v 特性曲线表明：太阳电池既非 恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电 源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高的电压之后， 电流迅速下降至零。曲线上的每一点都唯一对应着太阳电池在该一工作电压下的 输出功率，p 。表示对应于该日照强度和环境温度下的太阳电池所能输出的最大功 率，u 。和i 。则表示太阳电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流。也就是 说，在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，当太阳电池 工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。在最大功率点左侧， 太阳电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大：在最大功率点右侧，太阳电池 的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 图2 6 光伏电池的伏安特性曲线 l o 硕十学何论文 ( 1 ) 短路电流( i 。)在给定温度照度下所能输出的最大电流。 ( 2 ) 开路电压( v 。)在给定温度照度下所能输出的最大电压。 ( 3 ) 最大功率点电流( i )在给定温度照度下最大功率点对应的电流。 ( 4 ) 最大功率点电压( v 。)在给定温度照度下最大功率点对应的电压。 ( 5 ) 最大功率点功率( p 。)在给定温度照度下所能输出的最大功率。 此外，p - v 特性曲线可以更直观的确定p 。、v 和i ，它是利用i - v 特 性曲线数据通过计算后作出的n ，如图2 6 中虚线所示。 u vu ，v c a ) 温度变化时( b ) 日照强度变化时 ， 图2 7 光伏电池的伏安特性曲线 图2 7 ( a ) 与图2 7 ( b ) 分别为太阳电池在温度变化和日照强度变化下的p v 特 性曲线，从图中可以看出，太阳电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的 影响。当结温增加时，太阳电池的开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出 功率减小；当日照强度增加时，太阳电池的开路电压变化不大，短路电流增加明 显，最大输出功率增加。 2 4 光伏发电系统最大功率点跟踪原理 由于目前太阳电池的成本高、转换效率低，并且其输出功率易受日照强度、 环境温度等因素的影响，因此，为了提高光伏系统的效率，在现在的光伏系统中， 通常要求太阳电池的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪太阳电池的 最大功率点。 图2 8 是太阳电池对应于不同日照情况下的i - v 特性曲线。从图中可以看出， 由于负载特性曲线l 与太阳电池伏安特性曲线的交点a ，b ，c ，d ，e 所对应的工 作点，并未落在太阳电池所能提供的最大功率点a ，b ，c ，d ，e 处，这就不 能充分利用在当前条件下太阳电池所能提供的最大功率n 引。因此，必须在太阳电 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 池和负载之间加入阻抗变换器，使得变换后的工作点正好和太阳电池的最大功率 点重合，使太阳电池以最大功率输出，这就是太阳电池最大功率点跟踪的原理。 0u mu ，y 图2 8 对应于不同日照情况下的l - v 特性曲线 太阳阵列的电压与电流是非线性的关系，在不同的日照强度、温度，或者因 组件老化及光电材料等因素下，会影响太阳阵列的输出功率。由于条件不同，其 均具有各个独特的工作曲线。每一条工作线均只有一个最大功率点，此即太阳阵 列的最佳工作点。因此，为了充分地运用太阳光电能，需要一控制法则使能在各 种不同工作环境下，自太阳阵列汲取最大功率，此控制方法即所谓的最大功率点 跟踪法。 目前，太阳电池的最大功率点跟踪( m p p t ) 控制技术，国内外已有一定程度的 研究，也发展出各种控制方法，常用的有恒电压跟踪方法( c v t ) 、扰动观察法 ( p e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o n ，p & o ) 、增量电导法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e ) 、 三点权位比较法等，下面将对这几种主要的m p p t 控制方法的特点加以分析。 ( 1 ) 恒电压跟踪( c v t ) 恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪 方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理是：当温度一定时，太阳电池的最大 功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近 似地看成电压u = c o n s t 的一根垂直线，亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常 数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该一温度 下太阳电池输出最大功率。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪( c v t ) ，这就是c v t 控制的理论依据n8 l 。实现c v t 的原理如图3 1 所示： 图2 9c v t 基本原理 1 2 硕十学何论文 c v t 方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏 系统可望多获得2 0 的电能，较之不带c v t 的直接祸合要有利得多。但是，这种跟 踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。以单晶硅太阳电池为例，当环境 温度每升高1 时，其开路电压下降率为0 3 5 - 0 4 5 。这表明太阳电池最大功率 点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的 地区，c v t 方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到太阳电池的最大功率点。 采用c v t 以实现m p p t 控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统 中仍被较多使用，但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正在 逐步被新方法所替代。 ( 2 ) 功率回授法 由于电压回授法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率回 授法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应大气的变化而达到最大功 率点跟踪，也就是改变输出功率判断此时是否d p d v = o ，当d p d y = o 时即是为操作 在最大功率点n 引。相对于电压回授法而言，此方法虽然较为复杂且需较多的运算 过程，但其在减少能量损耗以及提升整体效率的效果却是非常显著的。 ( 3 ) 增量电导法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e ) 电导增量法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea l g o r i t h m ) 也是m p p t 控制常用的算 法之一。通过太阳电池阵列p - v 曲线可知最大值点p 。处的斜率为零，所以有： = 矿事i ( 2 1 6 ) 堡：，+ y 木堡：o( 2 1 7 ) d v d v d i ：一三( 2 1 8 ) 一= 一一 t ，i ， d vv 式( 2 1 7 ) 即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电 导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断d p d v 是大于零或小 于零。该控制方法的程序为读进新值后先计算与旧值之误差，再判断电压差值是 否为零。( 因后面做除法时分母不得为零) 若为零则再判断电流差值是否为零。若 都为零则表示阻抗一致，扰动值d 值不变。若电压差值为零，电流差值不为零， 则表示照度有变化，电流差值大于零d 值增加；电流差值小于零d 值减少。再来 讨论电压差值不为零时，式( 2 1 8 ) 是否成立将是关键；若成立则表示功率曲线斜 率为零( 达最大功率点) ，若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正， d 值将增加；反之d 值将减少。 此跟踪法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能 以平稳的方式追随其变化，其电压波动较扰动观察法小。不过其算法较为复杂， 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行a d 转换，这对微处理器在控制上 会造成相当大的困难。 ( 4 ) 实际测量法 实际测量法主要是利用一片额外的小太阳能光电板，每隔一段时间即实际侦 测此光电板的开路电压与短路电流，以建立太阳能光电板在此日照强度及温度下 的参考模型，并求出在此条件下的最大功率点之电压和电流，配合控制电路使太 阳能光电板工作在此电压或电流下，即可达到最大功率点追踪乜0 1 。 ( 5 ) 扰动与观察法( p e r t u r b o b s e r v e ) 扰动观察法由于实现简单，是目前经常被采用的方法。它通过对太阳电池输 出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率 相比较，从而确定给定参考电压调整的方向。 p | 0 u m u n 。 图2 1op & o 法寻优过程 若a p 0 ，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若a p 0 ， 说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。当给定参考电压增大时， 若输出功率也增大，则工作点位于图2 1 0 中最大功率点p 左侧，需继续增大参 考电压：若输出功率减小，则工作点位于最大功率点p 。右侧，需要减小参考电压。 当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于p 。的左侧，需增大参 考电压；若输出功率增大，则工作点位于p 的右侧，需继续减小参考电压。 给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。由于在寻优过程中 不断地调整参考电压，因此，太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡，无 法稳定工作在最大功率点上，从而也造成了一定的功率损失。同时，当日照强度 快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误妇1 | 。以图2 1 0 为例说明：假设系统 处于稳态，太阳电池工作电压在p 。点左右波动，当日照强度突然增加时，太阳电 池输出功率增加，这时如果参考电压偏移到l 的位置，则系统会认为此时参考电 1 4 硕十学何论文 压调整的方向与功率变化的方向相同，而继续增大参考电压使工作点移动至位置 2 ，导致工作点进一步远离最大功率点。 ( 6 ) 间歇扫描法 间歇扫描法实现m p p t 的核心思想是定时地扫描一段( 一般为0 5 - 0 9 倍的开 路电压) 阵列电压，同时记录下不同电压下对应的阵列电流值，经过比较不同点的 太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点，而不需要一直处于搜寻 状态。 这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级( 5 - 1 0 m s ) ，而定时扫描的时间 间隔可以放宽至秒级。通过扫描计算出在该日照及温度条件下的最大功率及其相 应的电压v 。并实时控制p w m 的输出以使系统工作于与该v 相应的工作点上。这种 方法一般不会产生振荡，同时避免了其它各种方案需要由于搜索振荡引起的功率 损失。在太阳电池阵列容易产生遮挡的应用中，如光伏建筑、太阳能汽车、太阳 能游艇等，这种m p p t 方案具有较高的应用价值。这种方案的最大缺点是在需要有 连续输出的光伏系统中无法应用，如光伏水泵、不可调度式光伏并网系统；同时 该方法需要有较大的存储空间和运算能力。 ( 7 ) 最优梯度法( o p t i m a lg r a d i e n t ) 梯度法是一种被广泛运用于求取函数极值的方法，它的运算简单。太阳电池 的p v 特性曲线可视为一非线性函数，而最大功率点跟踪就是要在p - v 特性曲线 上求得曲线的最大值，这也可以通过梯度法实现。选取阵列输出功率作为目标函 数的正梯度方向作为每步迭代的搜索方向，逐步逼近功率函数的最大值。 圪+ 1 = 圪+ 口木g k ( 2 1 9 ) 利用梯度法实现最大功率点的跟踪，可以改变太阳电池工作点电压的收敛速 度，当工作点位于最大功率点左侧时，电压以一较大的幅度增加，当工作点位于 最大功率点附近时，由于此时斜率较小，则电压增加幅度很小；反之，当工作点 位于最大功率点右侧时，电压以一较大的幅度减少，当工作点在最大功率点附近 时，则电压减小幅度也变小。但这种方法计算量较大，对单片机的处理速度和精 度有比较高的要求。只要定时地重复这一过程即可，但它不能及时有效地跟踪最 大功率点，对单片机的计算能力要求较高。 ( 8 ) 三点权位比较法 在扰动观察法基本设计思想中大都是两点比较，即目前的工作点与上一个扰 动点比较，看功率是否往上移动再作换位比较，除了造成较多的扰动损失外，还 可能发生“跑飞 现象。针对太阳日照量并不会快速变化的特点，多余的扰动可 1 5 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 能带来较多的损失。这里提出的三点权位比较法，可在日照量快速变化时并不跟 随著快速移动工作点( 也许只是干扰或判读错误) ，而是在日照量较稳定时再跟踪