太阳能光伏发电系统的设计.doc

太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统之之 MPPT 分析分析与比较与比较 雷雷 云云 （中信建筑设计研究总院有限企业，湖北 武汉 430014）摘要摘要：太阳能光伏发电系统是此后绿色能源发展趋势之一，而提高光伏发电系统输出效率关键使光伏发电系统运行在最大功率点附近。本文针对太阳能光伏发电系统常规规定，分析和比较了多种跟踪措施下系统运行特性。关键词：关键词：太阳能光伏发电系统 最大功率跟踪 一 引言 1 1 太阳能光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统概述 伴随能源危机问题日益突出，开发和运用可再生能源和绿色能源已成为世界各国共同追求目。太阳能无疑是符合可持续发展战略较理想绿色能源。太阳能光伏发电目前存在问题是：太阳能运用率低。这首先是由于光伏阵列输出特性为非线性，且其伴随太阳辐照度、温度、负载变化都会发生变化；另首先是由于光伏阵列将光能转换为电能效率低。因次，充足运用光伏阵列所产生能量是太阳能光伏发电系统基本目和规定。为了处理这一问题，可在光伏阵列与负载之间加入最大功率点跟踪装置，使光伏阵列一直可以输出最大功率，从而更有效运用太阳能。二二 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统之之 MPPTMPPT 比较比较与分析与分析 1 1 太阳能电池输出特性太阳能电池输出特性 光伏电池输出变化时存在两种状况：假设光照和温度等外界条件不变化时，由于负载阻抗变化，光伏输出电压 Voc和电流关系 Isc 在同一条特性曲线上变动，此时电压和电流均发生变化；当外界条件发生变化时，光伏输出电压 Voc 和电流 Isc 关系变到另一条特性曲线上，光伏输出电压（或电流）有也许不变，而只是电流（或电压）发生变化。Isc 值与太阳辐照度成正比，并且当环境温度升高时 Isc（uA 级）略有上升。Voc与太阳辐照度对数成正比，并且当环境温度升高时 Voc 略有下降（mV 级）。因此对应不一样太阳辐照度，太阳能电池有不一样 IV 特性曲线和 PV 特性曲线，如图 2.1所示。图 2.1 太阳能电池输出特性曲线 由图 2.1 可知太阳能电池最大功率点伴随太阳能辐照度和温度变化而变动。因此，为获得太阳能电池最大输出，最大功率点跟踪是必要。2 2 最大功率跟踪（最大功率跟踪（Maximum Power Point TrackingMaximum Power Point Tracking）通过变化光伏阵列所带等效负载，调整光伏阵列工作点，使光伏阵列工作在输出功率最大点。（1）最大功率点跟踪控制原理 根据上面分析，当太阳辐照度和环境温度变化时，光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之变化。并且当太阳能电池应用于不一样负载时，由于光伏电池输出阻抗与负载阻抗不匹配，也使得太阳能光伏系统输出功率减少。即太阳能电池阵列最大功率点随太阳辐照度、太阳能电池方阵表面温度、不一样负载而变化，所认为了使其一直输出最大功率，系统需要跟踪太阳能电池方阵最大功率点，MPPT 控制就起到了这种作用。MPPT 需要做到：当日气变化很快时，能迅速、精确地跟踪最大功率点；控制算法不需太复杂；实现起来简朴。MPPT 在详细实现时，一般有两个环节：一是通过搜索算法，找到最大功率点；二是通过控制手段，使太阳能电池阵列工作在最大功率点。在 MPPT 搜索算法中，使用最多是自寻优措施，即系统不直接检测太阳辐照度和温度，而是根据光伏阵列自身电压电流值来确定最大功率点：详细则是 再与已存储前一时刻光伏电池功率相比较,舍小存大,再检测、再比较。如此不停地周而复始,便可使光伏电池动态工作在最大功率点上。图 2.2 MPPT 搜索算法图 常用 MPPT 措施有：恒定电压法、开路电压法、短路电流法、扰动观测法、电导增量法（导纳微分法）等。MPPT 控制技术：图 2.3 MPPT 控制图 当负载特性与太阳电池阵列特性交点在阵列最大功率点对应电压 Um 之左时，MPPT作用是使交点处电压升高；而当交点在阵列最大功率点对应电压Um之右时，MPPT作用是使交点处电压下降。图 2.3 阐明了这个动态过程。控制技术采用：数字双环控制、模糊控制、神经控制等。（2）恒定电压法(Constant Voltage Tracking，即 CVT)在不一样光照强度下，太阳能电池阵列具有图 2.4 所示伏安特性曲线，它表明太阳电池既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，太阳能电池阵列伏安特性曲线与负载特性曲线 L 交点 A、B、C、D、E 即为光伏系统工作点，假如能使工作点移至光伏阵列伏安曲线最大功率点 A、B、C、D、E上，就可以最大程度地提高光伏阵列能量运用率。人们发现，当温度保持某一定值时，最大功率点基本在一根垂线两侧，这样就可以把最大功率点轨迹近似当作输出电压恒定一根垂线，这就是恒定电压法理论根据。初期光伏系统采用恒定电压法，这种措施长处是简朴易行，并且基本可以跟踪最大功率点。但伴随电力电子及控制技术发展,这种措施简朴性与其导致能量损失相比已显得很不经济。由于这种跟踪方式忽视了环境温度和太阳辐照度对阵列开路电压影响,这个不容忽视影响是采用恒定电压跟踪是无法克服。图 2.4 恒定电压法（3）扰动观测法（登山法）（Perturbation and observation method）通过有规律增长和减少光伏电池输出电压，逐点计算、比较功率值来调整光伏系统工作点到最大功率点。扰动观测法重要思想是通过周期性地给太阳能电池输出电压加小扰动,使在电压变化同步，输出功率也发生变化，然后比较其输出功率与前一周期输出功率大小。假如功率增长,在下一种周期以同样方向加扰动,否则变化扰动方向。其详细控制算法如下:寄存器a(k)寄存每一周期Vref调整值v,首先计算逆变器输出功率P(k),并与上一周期输出功率 P(k-1)比较。图 2.5 扰动观测法 若 P（k）P(k-1)：若 a（k1)0,系统工作在 PV 曲线上最大功率点左侧。令 a（k）v，则vkVkVrefref)1()(。移动方向为 23。若 a（k1）0,系统工作在 PV 曲线上最大功率点右侧。令 a（k）v，则vkVkVrefref)1()(。移动方向为 65。若 P（k）P(k-1)：则进行与上相反操作。当光照强度随时间变化不大时，该措施效果不错。然而在太阳光照强度和环境温度急剧变化时，扰动观测法也许会跟踪失败。扰动观测法长处是比较简朴可靠，轻易实现，不过只合用于光强变化和温度变化较小环境。其他缺陷有：首先，系统必须引入扰动，寻优最终成果是系统在最大功率点附近很小范围内来回振荡；另一方面，难以选择合适变化步长，步长过小，跟踪速度缓慢，光伏阵列也许长时间工作于低功率输出区，步长过大，在最大功率点附近震荡又加大了；此外，当外部环境变化，系统从一种稳态变换到另一种稳态过程中，寻优第一步，也许会发生方向错误（例如，系统正在温度为 25Co，辐射强度为8002/mW环境条件下寻优，电压扰动方向为减小，此时辐射强度变化为 10002/mW，而温度没有变化:电压扰动后，计算功率比前一次大，根据扰动观测法，下一步电压变化方向还为减少，而此时实际最大功率点电压应当是增长，即发生了误判断），好在系统在新稳态下可以继续对地寻优。扰动观测法输出功率变化被简朴认为是太阳能电池输出电压变化导致。这种措施不能将太阳能电池输出功率与实际最大功率点电压作比较,从而偏离了实际最大功率点。（4）电导增量法（导纳微分法）(Incremental Conductance Algorithm，简称IncCond 法)电导增量法根据最大功率电压来调整太阳能电池输出电压,使太阳能电池阵列能最终稳定在最大功率点附近某个点，从而防止了扰动观测法来回跳动和偏离实际最大功率现象出现。当从一种稳态过渡到此外一种稳态时，电导增量法根据电流变化就可以作出对判断，不会出现一次误判断过程。电导增量法最大长处，是当太阳能电池辐照度发生变化时，其输出电压能以平稳方式追随其变化，其电压晃动比扰动观测法小。电导增量法存在缺陷是：第一是算法较为复杂；而第二是太阳能光伏阵列也许存在一种局部功率最大点，这种算法也许导致系统稳定在一种局部最长处工作。（5）开路电压法 一般使用 76开路电压作为最大功率点电压。（6）短路电流法 是近似认为工作在最大功率点太阳能电池输出电流与太阳能电池板短路电流成线性关系，这个值大概在 0.85 左右，该措施动态响应快，并且现实起来并不复杂，就是精度不高，总是低于实际最大功率点。三 总 结 针对太阳能光伏发电系统常规规定，分析和比较了多种 MPPT 跟踪措施下系统运行特性。本文分析不仅合用于太阳能光伏发电系统，也可用于燃料电池发电、风力发电、太阳能喷泉、太阳能电动车等系统。参 考 文 献 1李安定,吕全亚.太阳能光伏发电系统工程.化学工业出版社，2Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动(英文版).机械工业出版社，