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山东大学硕士学位论文太阳能光伏发电系统的研究山东大学硕士学位论文摘要化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找 洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它洁净无污 染，并可持续利用，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们 的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统 将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。本文阐述了一种小功率的光伏并网逆 变电源的结构、控制原理和设计实现，并就光伏发电系统中的一些关键问题：如 光伏阵列的最大功率点跟踪、逆变器输出波形的改善和并网孤岛效应等方面做了 详细的理论分析，建立了仿真模型，提出了相应的控制策略。主要内容如下：1.介绍了目前国内外光伏发电的现状和发展前景,并对光伏发电系统的结构组成 和分类作了简单介绍，对光伏发电系统建立了一个总体认识。2.研究了光伏电池的基本发电原理和输出特性。重点研究了光伏电池的输出特性 和其影响因素e3.光伏电池输出是非线性的，存在输出最大功率跟踪问题。本文研究了最大功率 点跟踪方法，并提出了改进方案。使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得 高效功率输出。采用boost升压变换器实现最大功率跟踪，并使用PSIM软件 进行仿真分析验证。阐述了 boost变换器的工作原理和控制策略，并给出了电 路的参数选择，介绍了控制电路的设计过程，该部分控制核心芯片是 P89LPC938 和 TL494。4.对光伏并网逆变器进行研究，阐述了全桥逆变器的工作原理、控制策略、软硬 件的设计,控制方法采用输出电流滞环跟踪方式，该部分控制核心芯片是 TMS320LF2407.对并网逆变装置工作过程中存在的“孤岛效应”进行了研究，探讨了其危害性，提出了有效的检测方法并用PSIM软件仿真验证其有效性。关键词：光伏电源(PV):最大功率跟踪(MPPT)；boost变换器；孤岛效应I山东大学硕士学位论文AbstractThe reverse of fossil fuel is decreasing day and day.At the same time,awareness of the importance of protecting the global environment is growing.So searching for pollution-free replacer of fossil resources becomes more and more urgent.Photovoltaic source as Renewable energy is pollution-free and inexhaustible.So photovoltaic generation technology was got more and more attentioiL With price reduction of PV modules and development of PV technology)the role of PV generation systems is gradually changed from supplemental energy to substitute energy.This thesis presents the configuration,the operation principle and the design procedure of a low power photovoltaic inverter connected with electric utility lines,and deals with such key problems as true maximum power point tracking(MPPT)of PV array and improvement of inverter output wave,islanding effect and so on by establishing related simulation models,applying novel control strategies and experiments validation.The main contents of the paper are as follows:1.Introducing the actuality and foreground of PV sources abroad or our country.The basic structure and types of the PV source also are presented.Holding apprehend in the mass to the system.2.This paper has studied on the basic principle and output characters of PV cell.The emphasis is on the output characters and its effect factor.3.The output of PV is non-linear,which has Maximum power point tracking(MPPT)problem.This paper has studied MPPT method,and proposed improved measures.The method of tracing the maximum PV powered points is realized with a boost converter in this design.The circuit is experimented by the emulator PSIM at last.And then the thesis explains the operation principle and control strategy of boost converter.And components parameters of the main circuit are introduced,the design procedure of the control circuit is given.The boost converter is controlled by a core P89LPC938 and TL494.m山东大学硕士学位论文4.The operational principles of photovoltaic grid-connected generation system were analyzed.The topology structure of the inverter section is single-phase full bridge,the thesis presents the operation principle,control strategy,hardware and software design.The control method is hysteresis tracking method.The DC-AC inverter is controlled by DSP TMS320LF2407.Thc islanding phenomenon of grid-connected PV system is discussed,which harm and detection methods are investigated.In this paper,proposed islanding detection method.Simulation results verified that method using PSIM.Key words:Photovoltaic(PV)Maximum power point tracking(MPPT)Boost converter Islanding phenomenon山东大学硕士学位论文符号说明Rsh：漏电阻凡：串联电阻及：光伏电池短路电流Voc：光伏电池开路电压7m：光伏电池最佳工作电流Vm：光伏电池最佳工作电压Pm-光伏电池最大输出功率3 光伏电池端电压%光伏电池输出电流is、小ZOT：并网电流瞬时值、有效值、幅值%、匕、Vmi电网电压瞬时值、有效值、幅值 p,、P,：并网功率瞬时值、平均值以：逆变器直流母线电压V山东大学硕士学位论文第一章绪论1.1光伏发电系统的发展现状及前景随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源 危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有 限，不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通 过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质。随着化石能源的减 少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视,洁净廉价的太阳能正适 合于作为可再生的替代能源。联合国气候变化框架公约缔约国签订的京都议定书在2005年2月 16日正式生效，签署的国家已达185个。中国是第37个签约国。议定书主 要反映了人类应对地球变暖这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工 业国（发达国家）在2008年2012年期间将二氧化碳等6种温室气体排放量从 1990年的水平上进行削减。全球削减温室气体排放的京都议定书重新引起 了世界范围内对可再生能源的重视。太阳能是绿色能源，是人类取之不竭、用之 不尽的可靠能源。太阳能光伏发电技术是太阳能利用方式中最灵活方便的一种。“光生伏打效应”是1839年培克雷尔发现的。自那时以来，尤其是近十多 年来，光伏技术有了迅速的发展。首先是制造技术有了很大改进。过去制造太阳能电池常用的半导体材料是 si、Cds、CaAs等晶体，其中用CaAs做成的太阳能电池，光电转换效率高达 25%以上，但因成本很高，限制了它的应用。20世纪70年代以后，人们开始采 用廉价的非晶硅材料制造太阳电池，探索新的制造技术。经过多年研究，己研制 出单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池和薄膜电池以及多种化合物电池，电池 的转换效率显著提高。目前商业化电池的效率分别已达15%17%（单晶硅电池）和14%15%（多晶硅电池），最高实验室效率已超过25%。二是生产成本不断下降。随着光伏技术的进步和产业规模的扩大，太阳电池山东大学硕士学位论文 制造成本和价格随之下降。举例来说,1995年晶体硅电池组件价格约6.5美元/Wp 左右，2000年即降至5.0美元/Wp,2002年又降至3.03.5美元/Wp,短短7年 间下降了 47%54%。组件成本价格的下降不仅是技术进步的结果，也是生产规 模扩大的必然产物。目前单晶硅电池和多晶硅电池的价格降到2.703.00美元，非晶硅电池和薄膜太阳电池的价格是2.003.00美元。国际上光伏组件的生产规模一般为15MWp/年至520MWp/年，目前已 扩大到50300MWp/年。因此，有理由认为，太阳电池组件成本的下降势在必 然。专家们估计，到2010年晶体硅太阳电池的价格将下降到2美元/Wp,系统 价格3.12美元/Wp,电价达到11美分kWh；2020年晶体硅太阳电池的价格将下 降到1.0美元/Wp,系统价格L52美元/Wp,电5.3美分/kWh。达到与其它发电方 式相当的水平。薄膜电池技术如果能够有所突破，太阳电池成本还有可能更大幅 度下降，从而进一步改善太阳光伏系统的经济性。表1”为光伏发电与电网供电的比较，可以看出光伏发电价格还比较高，但 维修费用很少，随着发电价格的下降，其优势将逐渐体现出来。表1-1光伏发电与乡村电网供电的比较电网供电设计条件太阳能供电设计条件系统寿命20年20年估计时间间隔20年20年送电线路价格5.56美元/km带蓄电池工作天数2.5天乡村电网价格185000美元蓄电价格100美元/千瓦时输出电量36500千瓦时/年每年35500千瓦时电税率5.5美分/千瓦时未定年工作及维修费是初始价约15%维修费0.5美分/千瓦时三是产量不断增加，市场渗透初具规模。世界太阳能光伏市场以每年以30%上的速度发展，国际上2005年世界太阳能电池的总产量达到1800MW以上，年 增长率高达50%。实现高增长的主要原因是日本和德国两个主要市场持续、旺 盛的需求。国内方面2005年产量达到150MW,产量增长是2004年的3倍。主 要生产企业有无锡尚德(82MW),宁波太阳能电源有限公司(25MW)、深圳市拓日 电子科技有限公司(20MW)和保定英利(10MW)等。同时国内企业通过引进装备、2山东大学硕士学位论文技术，继续新建或扩大产能，使2006年底有望形成1300MW以上的生产能力。光伏电源具有以下优势：(1)可靠。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前已有数千套光伏 系统的运行经验，晶体硅的寿命可达20年以上，(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃 物，噪音几乎没有，无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤以可靠性高而备 受人们重视。(4)兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使 光伏系统很方便的增容。(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。(6)太阳能无处不有，应用范围广。但是，光伏发电能量分散，占地面积大，间歇性大，地域性强。建设初始投 资大，成本较高。近年来，我国国民经济迅速发展，已经成为继美国之后的第二大能源消费大 国。虽然我国属于发展中国家，但是从总量上看，目前我国二氧化碳排放量已位 居世界第二，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。议定书对 中国的环境保护、新能源和可再生能源开发提出了更高的要求。从目前国内新能 源产业发展状况看，在技术、资金、市场开发及产业配套政策等方面存在严重不 足。建立在煤炭、石油、天然气等燃料基础上的能源体系极大地推动了中国的现 代化建设。但同时人们也越来越发现大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资 源日益枯竭、环境不断恶化。所以人类必须寻找一种新的、清洁安全、可靠的可 再生能源太阳能光伏发电正是缓解能源短缺的新路。中国自20世纪70年代起在探索太阳能光伏发电技术方面有所突破。如利用 广阔的荒漠建立大型光伏并网发电系统，同时在建筑上向光伏幕墙屋顶进军，将 那些闲置的空间和太阳能资源利用起来推出一个中国的太阳能计划。从发达国家 的相关产业政策可见，政府为了扶持太阳能产业，大多通过立法确保电力部门以 高出其他能源几倍的价格购买一定比例的太阳能并网电能。山东大学硕士学位论文1.2光伏发电系统的简单介绍光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置，根据光伏系统与电网的 关系，可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统。独立于电网的光伏系统，常 用在远离电网的偏远地区。而在并网系统中，光伏发电系统代替电网提供有用功 率，也把功率馈送会电网。直接把光伏电池与负载相连，中间不带储能装置，这 类光伏系统叫直接耦合光伏系统，但这类系统在阴雨天和晚上的时候不能提供能 量，所以通常中间要加入蓄电池。由于光伏系统受外界因素影响比较大，所以为 获得额定功率输出，通常要加上控制器来调节、控制和保护系统功能。所以，光 伏发电系统基本包括光伏电池板、电力电子变换装置、储能装置、控制器四大部 分，如图L1所示。储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。电力电子变 换装置根据负载的不同分为两类：（1）直流变换器，按照直流负载的要求供电。（2）逆变器，通常为工频逆变器，输出恒频、恒压的交流电。在并网光伏发电 系统中还要有交流并网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负 责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自 动稳定运行，并工作于最佳状态。一般由一个控制器进行集中控制。图1.1光伏电源系统的一般结构组成目前我国户用光伏发电系统主要是直流系统，如图1.1中A点左侧部分所示,光伏电池发出的电能给蓄电池充电，蓄电池直接供电给各类负载。这类系统结构 简单，成本低廉。由于负载直流电压的不同（如12V、24V等），很难实现系统的标 准化和兼容性,特别是生活用电,其负载主要为交流。因此,交流光伏逆变电源正 在逐渐取代直流光伏电源。图L1中B点左侧部分为独立型光伏逆变电源系统，可以提供直流电和交流电，适于远离电网的偏远地区或者比较分散、居住地不稳 定的用户。图1.1整个系统为并网式光伏发电系统，并网式系统是通过联系装置 与已有电力系统连接，然后由户用光伏系统，通过连接装置，将电力输往电力系 统，此状态称为逆潮流状态（从电力系统将电力输往用户的状态称为顺潮流）。并 4山东大学硕士学位论文 网式系统由于受到电力系统的电力支援，可以把电网作为储能装置，通常可以省 去蓄电池，成为经济的系统。当前，并网式光伏发电系统，尤其是户用并网式光 伏发电系统，因为可以与建筑合为一体，方便并节约用地和成本，成为世界上光 伏发电研究和开发的热门.1.3本课题所做的工作目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低光伏系统发电的 成本，这是当今世界范围内研究和开发的一个课题。增加光伏发电的经济吸引力 必须选择以下一种或多种途径：1.提高光伏电池转换效率。2.降低制造电池、组 件和辅助设备的成本，同时降低安装费用。3.设计高效、可靠的系统，以降低每 单位功率输出的费用及提高使用寿命。本课题基于第三个途径，针对一种单相光伏并网发电系统，主要作如下几个 方面的研究：1.为使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得最大功率输出，对光伏电池 输出最大功率点的跟踪方法进行研究，设计合适的算法并采用DC/DC变换 装置实现跟踪。2.研究光伏并网逆变系统的特点，选择合适的并网逆变控制策略。3.对光伏电源并网所存在的“孤岛效应”进行研究和验证，并提出有效的“孤岛效应”检测方法。山东大学硕士学位论文第二章光伏电池结构原理及最大功率点跟踪方法2.1 光伏电池的分类光伏电池是利用半导体光伏效应制成的一种能将太阳辐射能直接转换为电 能的的转换器件。光伏电池多用半导体固体材料制造，也有用半导体加电解质的 光化学电池，发展到现在已经种类繁多。下面介绍一下光伏电池的分类卜L按电池结构分类：(1)同质结太阳能电池：同质结太阳能电池是由半导体材料构成一个或多个 PN结。如：硅太阳能电池、碎化像太阳能电池。(2)异质结太阳能电池：异质结太阳能电池是用两种不同禁带宽度的半导体 材料在相接的界面上构成一个异质PN结。如：氧化钿锡/硅太阳能电池。(3)肖特基太阳能电池：肖特基太阳能电池用金属和半导体接触成一个“肖 特基势垒”。(4)薄膜光伏电池：利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体衬 底上构成。(5)叠层光伏电池：将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成。(6)湿式光伏电池：在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液 构成。按电池材料分类：(1)晶体硅光伏电池。晶体硅光伏电池因为资源丰富、转换效率高，所以是 现在开发的最快的光伏电池。但是因它的制造工艺复杂，需耗费大量的能源，所 以有成本高、能源回收期长的缺点。(2)非晶硅光伏电池。非晶硅光伏电池资源丰富，制造过程简单，而且制造 能耗低，所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单晶硅光伏电 池的稍低。(3)化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有in-v族、n-vi族等许 多种类，神化绿光伏电池是其中一种，其转换效率很高，但存在资源缺乏、有公 害等问题。6山 东大学硕士学位论文2.2 光伏电池的原理及结构太阳电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应。光伏电池 的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明，图2.1为光伏电池的单元 模型叫当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作 用产生电子和空穴（因失去电子而带正的电荷），如半导体中存在PN结，那么电 子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产 生电能。这与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋转的转动部分，也不排出 气体，是清洁的、无噪声的发电机。不电子图2.2光伏电池等效电路图图2.2是光伏电池等效电路，其中心是漏电阻；国是串联电阻，它是构成光伏 电池的半导体体电阻和透明电极电阻等的和。式2.1是表示光伏电池特性的一般 公式。7山东大学硕士学位论文(2.1)其中/为电池单元输出电流；血为PN结电流(A)；为反向饱和电流(A)；P为外 加电压(V)；q是单位电荷；K是玻耳兹曼常数(1.38X10/9 T是绝对温度(K)；n为二极管指数。电池单元是光电转换的最小单元，将光伏电池单元进行串、并联并封装起来 就成为光伏电池组件，功率从几瓦到上千瓦不等，把光伏电池组件按需要再进行 串、并联后就形成光伏电池阵列。理论上说，光伏电池阵列的功率可以无限大。2.3 光伏电池的外特性光伏电池工作环境的多种外部因素都会影响光伏电池的性能指标，比如光照 强度、环境温度、光谱响应等。光谱响应一般是指各种波长的单位辐射光能或对 应的光子入射到光伏电池上，产生不同的短路电流，按波长分布求出对应的短路 电流变化曲线。光伏电池的温度特性是指，光伏电池工作环境温度和电池吸收光 子后使自身温度升高对电池性能的影响，由于光伏电池材料内部的很多参数都是 温度和光照强度的函数,所以反映到光照特性指的是光伏电池的电气性能与光照 强度之间的关系。主要通过1和P-v特性曲线来加以体现，因此本节着重探讨 这两种曲线及其相关参数。23.1光伏电池板的八夕和P.0特性曲线S.64 2 o o o o O(nd二g)堪砂2 O.8.6图2.3光伏电池的/-P曲线和PU曲线8山东大学硕士学位论文光伏电池的输出特性可以用曲线的形式表示出来，根据纵坐标的不同，分为 1V和P-P特性曲线，如图2.3所示久在一定条件下，光伏电池两端电压和电 流的对应关系在直角坐标下形成一条曲线,叫做光伏电池的伏安特性曲线，即I-V 曲线。可以看出，此1曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率 输出问题，在2.4节中将对此问题进行研究。在P-P特性曲线中，可以看出随着 端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附 近可获得最大功率输出，这跟/-P曲线说明了同一个问题，为光伏电源控制方法 的改进提供了途径。由图2.3可见，光伏电池输出功率受多个因素的影响，尤其取决于照射到其 表面的太阳辐射量。由于受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各 种因素的影响，实际上某个地方所能接受的辐射量时时刻刻都在变化着，偶然的 阴影遮蔽也会使输出功率降低。因此，光伏电池的输出最大功率点P”、短路电 流及、开路电压心随着辐射强度、环境温度在不停地变化，所以光伏发电系统 要不停地调整以使光伏电池工作于最大功率点上，但这又同时使得光伏电池的输 出电流、电压在不断变化，即输出功率是不断变化的。232外特性所包含的主要参数及其影响因素1.主要参数图2.4光伏电池的伏安特性曲线图2.4是光伏电池在一定的照度和温度条件下的/夕特性曲线。光伏电池的 短路电流为L、开路电压为匕c。下面是其它反映此曲线特征的各个参数。9山东大学硕士学位论文（1）输出功率和填充因子：由图2.4可知，特性曲线上的任意一点对应着某一 条件下的光伏电池工作点，在此点负载所获得的功率设为尸产人*匕，由于夕曲 线具有高度的非线性特征，在曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最 大，此点就是最大功率点（Maximum Power Point,MPP）,即图中M点。M点所 对应的电流均为最佳工作电流，电压力为最佳工作电压，P”为最大输出功率，PmMTm，填充因子尸尸弃一voc Tsc（2）光伏电池的效率：光伏电池的效率是指光伏电池的输出功率尸。与阳光投射 到电池表面上的功率Pe之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效 率值作为其效率大生。由图2.3可知，光伏电池不工作于最大功率 Pe点时，其效率都低于按此定义的效率值，不能做到高效输出。2.光照强度对光伏电池效率的影响光照强度的单位是W/m）在大气层外其值最大，在地面由于受各种因素的 影响，其值一般在。到IkW/m?之间变化。由图2.3可以看出，短路电流及随着 太阳照度的变化而有较大的变化，开路电压乙只是有略微的变化。光伏电池的 效率就会随太阳照度的变化而变化，但只是微弱的变化，它们的关系近似于对 数关系。在温度恒定的情况下，电池的理想效率随光强的增加而增加，这是因为短路 电流随光强线性增加，开路电压随光强呈对数增加，而填充因子随开路电压增加 而增加久实现效率增加的主要困难是在于高电流密度下串联电阻损耗的影响显 得更加重要了。因为对一个给定的功率输出，电池的效率决定了所需的电池板的 数量，所以电池达到尽可能高的效率是极其重要的。3.温度对光伏电池输出的影响10山东大学硕士学位论文图2.5光伏电池输出变量P”，限和的相对值（对应于25c时）与温度的关系图2.6不同温度下的人口特性曲线表2.1光伏电池输出特性温度系数（在温度升高1C时的变化率）种类%IpvEE单晶硅太阳电池-0.320.09-0.104).33多晶硅太阳电池-0.300.07-0.10-0.33非晶硅太阳电池-0.360.100.03-0.23光伏电池的温度特性如图2.5、图2.6所示【久图2.5是以25时光伏电池 的输出为参考值，得出其输出随温度的变化情况。图2.6是以1-V曲线的形式加 以说明。如图2.5所示，随着光伏电池结温的上升，其最大输出功率不断下降，由公式1皿/可知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池具有负11山东大学硕士学位论文 的温度系数。这在表2.1中有明显的体现，对于常用的单晶硅和多晶硅来说，随 着温度的增加其电压、填充因子EE和效率都有不同程度的下降。从图2.6中 可以看出，温度主要是影响光伏电池的端电压。本文根据光伏电池的输出特性，用仿真软件PSIM6.0建立了光伏电池的仿真 模型，如图2.7所示，其中心为短路电流输入量，限为开路电压输入量，图 2.8为仿真的不同光照条件下的/，和P-V曲线，图2.9为仿真的不同温度下的/-V和P-V曲线，(a)12山东大学硕士学位论文图2.8不同光照条件/a）和P-b）曲线仿真结果(b)图2.9不同温度下的/-a）和P-b）曲线仿真结果13山东大学硕士学位论文2.4最大功率跟踪方法研究由2.3节可知，太阳能电池板的输出具有非线性特性，而且输出受光照强度、温度和负载特性影响，实时调节太阳能电池板输出电压，使之工作在最大功率点 电压处以使太阳能电池板输出功率达到最大值，这个过程即最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)0由于光伏电源装置原始投入高，并且 光伏电池转换效率较低，所以需要使装置的效率最大，而使光伏电池工作于最大 功率点上是一个提高效率的主要途径,因此进行最大功率跟踪控制是光伏发电系 统所必需采取的措施。最大功率跟踪控制具体到P-P特性曲线上，就是使光伏电 池端电压始终处于方附近。通常最大功率跟踪方法都是通过控制功率变换器来实现的，功率变换器可以 是DC/DC变换器，也可以是DC/AC变换器，通过DC/AC变换器实现最大功率 跟踪由于变换器同时还要实现并网逆变,控制相对比较复杂,本文采用的是boost 变换器，这样光伏电池所接的等效负载就是boost变换器的等效负载。调节boost 变换器的占空比D实现对光伏电池的负载的调节，即可调节光伏电池输出电压，从而实现最大功率跟踪的目的。2.4.1常见的最大功率跟踪算法下面介绍几种常见的最大功率跟踪算法如期。1.恒电压控制法(Constant M)ltage Tracking-CVT)”通过图2.3可知，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在 某一恒定的电压值方附近，这样可以采用CVT法，在光伏阵列和负载之间通过 一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点始终稳定在为附 近。这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率点。但一般硅型光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响，在同样的光照强度 下，最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情 况下，如果仍然采用恒定电压控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率点，产生较大的功率损失。特别是在有些情况下，光伏阵列的结温升高的比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统将会 14山东大学硕士学位论文 产生振荡。对于那些一年四季或者每天晨午温差比较大的地区，温度对整个光伏 阵列的输出将会产生比较大的影响，如果仍然采用CVT控制策略就只能通过降 低系统的效率来保证其稳定性。2.扰动观察法网扰动观察法(perturb&observe algorithms-P&0).是目前实现MPPT常用的 方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池端电压，并观测其后 的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。算法可以简述如下：光伏控制器在 每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列输出，改变步长是一定的，方向可以是 增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”；然后通过比较扰动周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续扰动，相反，如果输出功率减小，则改变“扰 动”方向。此法的最大优点在于其结构简单，被测参数少。其缺点是由于始终有“扰动”的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损 失，并且跟踪速度较慢；而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得 到错误的跟踪方向。扰动观察法的流程图如图2.11所示。3.电导增量法【切电导增量法(Incremental 8nductance Algorithm)也是MPPT控制常用的算法。通过光伏电池阵列P-V曲线可知其在最大功率点及处的斜率为零，即式2.2、2.3成立。将2.2式代入2.3式进行推算便得到2.4式。PWI(2.2)dP/dV=Z+F*dlldVO(2.3)dI/dV=I/V(2.4)从图2.10中可以看出，d尸值是与输出电压值一一对应的。当在最大功率点处；当在最大功率点左边；当dP/W0,在最大功率点右边。15山东大学硕士学位论文Ap-dpdPIdV-V输出电压vP-V密EE浮留P图2.10光伏电池P-P和d产/dP-P关系图电导增量法通过设定一些很小的变化阈值,判断目前工作点在最大功率点的 哪一侧，然后改变逆变器输出功率，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附 近的某个点，而不是来回的跳动。当从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增 量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，不会出现误判断的过程。此跟踪法最大的优点，是当光伏电池上的光照强度产生变化时，输出端电压 能以平稳的方式追随其变化，电压波动较扰动观察法小。缺点是其算法较为复杂,对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高,系统各个部分响应速度都要求 比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。而且实际的太阳能光伏阵列可能 存在局部的功率最大点，这种算法可能导致系统稳定在局部最优点上。电导增量法的流程图如图2.12所示，图中，V(n)、I(n)为检测到光伏电池当 前电压电流值，V(n-l),I(n-l)为上一控制周期的采样值。16山东大学硕士学位论文图2.11扰动观察法的流程图图2.12电导增量法的流程图17山东大学硕士学位论文4,短路电流检测法由文献14可知，光伏阵列工作在最大功率点时，此时它的输出电流功与该 光照强度E下光伏阵列的短路电流上是线性的比例关系，即lM(E)=KItc(E)f K 为恒定值。但是此时的输出电压与与该光照强度E下光伏阵列的开路电压之间 并不存在这种关系，如图2.13所示。经过对两种型号的光伏阵列GM1618-MF 和GT144进行验证，这个比例系数K受温度的影响非常小。根据光伏阵列的这 个特性，可以设计最大功率跟踪控制器每隔一段时间将光伏电池短路一次以得到 此时的短路电流上,再乘上已知的系数K得到光伏阵列输出电流给定值，进而 由最大功率跟踪控制器进行控制。此种方法的缺点是当光伏阵列的受光面部分遮 挡时，系数K会下降，尤其是在短路电流比较小的时候下降的更多，如图2.14 所示。如果设定K为恒定值，此时就会偏离最大功率工作点。MO25O2OOI50IOO 最佳电流研0 50 100 150 200 250 300500开路电压 一-65(V)-,i 7.0(V)-*-7.5(V)一一8.0(V)8.5(V)-*-93(V)10.0(V)短路电流/mA.58 9 10n开路电压/V极路电流30(mA)一一 350(mA)图2.13不同状态下的最大功率点(a)最佳电流对应短路电流的曲线，(b)最佳电压对应开路电压的曲线18山东大学硕士学位论文最佳电流与短路电流之比k1.000.950.900.750.850.80短路电流/A图2.14最佳电流与短路电流的比值特点2.4.2改进的扰动观察法扰动观察法的主要缺点之一是始终存在扰动，最终光伏阵列会在最大功率点 附近来回振荡，始终有一定的功率损失。而且扰动步长不好确定，如果步长取的 过大，则在最大功率点附近的振荡就比较大，相应的功率损失比较大，相反如果 步长取的过小，虽然在最大功率点附近的功率损失减小，但是系统的响应速度就 会降低，相应的当外界环境经常变化的时候，光伏阵列工作在比较低功率输出状 态的时间就会比较长，从而影响了整个系统的效率。扰动观察法的另外一个缺点 就是在外界环境快速变化时会失效同。扰动观察法的失效主要是在外界环境快速变化时，其不能区分其功率变化是 由于自身所加扰动还是由于环境变化引起。假设在第k次采样时光伏电池已经工 作在最大功率点，此时的光照强度是S,如图2.15(a)所示，k-1次采样时给电压 加的扰动方向为V(k)=V(kl)+AV(其中AV0),由于P(k)P(k-l),那么在第k 次采样时扰动方向与上次一样V(k+l)=V(k)+A V,假设此时光照强度发生变化，跳变到S,那么在第k+1次采样时工作点就运行到B点，如果ARvAPd,如图 2.15(a)所示，则P(k+l)Ta)P(kTa),则下一次扰动方向仍然按此次的扰动方向，此时工作点会远离最大功率点，扰动观察法失效。19山东大学硕士学位论文(a)扰动观察法有效(b)扰动观察法失效图2.15光照条件变化时光伏电池工作点变化情况针对以上所述扰动观察法的缺点，提出了改进的措施，一是变步长寻优，二 是增加在外界环境变化时防止判断失效的措施。对扰动观察法进行改进如下，光伏电池板P-2特性曲线如图2.16所示，把 该曲线分成三个区域，A、B、C,令1=袅二与，由图可知，区域A中k值基本恒定且为正，区域B中k值为负，在A、B两区域中k的绝对值相对与区域C 的k值都比较大。因此，当光伏电池工作点在A、B两区域时，我们可根据斜率 k确定其电压扰动值AV,在A、B两区域中的电压扰动值相对比较大，而且 VaAVb,以实现快速寻找最大功率点的目的；而当光伏电池工作点在C区域 时，我们可使用一个小的扰动值来降低稳态损耗，提高搜索精度。当功 率变化值小于我们预先设定的阈值APm时，则认为达到最大功率点，使系统 在当前的工作点稳定工作一段时间t,当t时间到或者是当检测到光伏电池输出 电流发生变化时，重新启动搜索算法寻找新的最大功率工作点。当外界环境发生变化时，光伏电池的输出电流必然发生变化，一般情况下环 境温度的变化是缓慢的，外界环境快速变化一般为光照强度发生快速变化。