光伏逆变器的MPPT技术.doc

光伏逆变器的MPPT技术
信息科学与工程学院电气工程 谭芹凤
学号：114611016

【摘要】：近年来全球光伏发电系统装机容量的上升幅度，与光伏发电系统在各国政府受重视程度相互促进，导致出现光伏发电技术热。光伏发电技术的转换效率决定于转换系统的工作点，最大功率点跟踪(MPPT)控制能够使工作点处于最优位置，改善转换效率。本文指出了MPPT控制的难点，并通过对MPPT技术的比较，阐释了目前各个方法的优缺点，为MPPT在光伏发电系统的进一步应用提供思路。
【关键词】：光伏逆变器；最大功率点跟踪；控制方法；问题；目标

一、研究背景和意义
1、光伏并网发电系统
近年来，由于资源和环境的问题，可再生能源技术广受各个国家的重视，在所有可再生能源中，太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其储量丰富 无污染 分布范围广泛等优点，正得到迅速的发展 该能源有效缓解了石化能源危机 环境污染 偏远地区的供电等问题，具有重大的现实意义
光伏并网发电系统是将太阳电池发出的直流电转化为和电网电压同频、同相的交流电，从而既能向负载供电，又能向电网输送电能的一个系统。
2、光伏发电系统的组成
太阳能电池方阵、储能装置、逆变装置、控制装置、连接装置
3、研究意义
光伏器件的输出功率是光伏器件所受日照强度、器件结温的非线性函数。即使在外部环境稳定的情况下，光伏器件的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配时，光伏器件才会输出最大功率，此时我们称光伏器件工作在最大功率点(Maximum Power Point）MPPT。
光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，尽管太阳能资源是无穷尽的，但由于太阳光辐射密度太低。导致太阳能电池的转换效率非常低。目前，大多数太阳能电池的转换效率仅为10％一20％左右。在此背景下，高效率且具有成本效益的逆变器成为评定太阳能发电系统优劣的关键指标。高效率MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。
二、国内外研究水平
1、国外研究水平
西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
2、国内研究水平
国内光伏并网逆变器市场规模较小，生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距。目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
三、研究内容和拟采用方法
1、MPPT技术对比
在光伏发电系统的效率计算中光伏转换效率比重很大，如果不妥善解决，会导致整体效率下降转换效率决定于转换系统的工作点，最大功率点跟踪(MPPT)控制能够使工作点处于最优位置，改善转换效率，减少发电成本，是目前应用比较成熟的技术。一个比较好的MPPT控制要做到5点：快速、高效、独立、准确、低价。这些特点可以用来对当前使用的MPPT的几种算法进行评价，如表1所示。
MPPT技术
光伏阵列相关性
是否实际最大功率点跟踪
模拟还是数字
是否周期
调整
追踪速度
构架复杂度
检测参数
扰动观察法
不相关
是
都有
无需
变化
低
电压、电流
增量电导法
不相关
是
数字
无需
变化
中等
电压、电流
固定电压法
相关
不是
都有
需要
中等
低
电压
固定电流法
相关
不是
都有
需要
中等
中等
电流
模糊控制
相关
是
数字
需要
快速
高
变化
神经网络
相关
是
数字
需要
快速
高
变化
纹波关联控制
不相关
是
模拟
无需
快速
低
电压、电流
电流扫描法
不相关
是
模拟
无需
快速
低
电压、电流
直流母线电容电压升降控制法
不相关
不是
都有
无需
中等
低
电压
负载电流或电压最大化控制
不相关
不是
模拟
无需
快速
低
电压、电流
P—V、P—I曲线斜率反馈控制
不相关
是
数字
无需
快速
中等
电压、电流
阵列可重构
相关
不是
数字
需要
慢
高
电压、电流
线性电流控制
相关
不是
数字
需要
快速
中等
照度
最大功率点电流与电压计算法
相关
是
数字
需要
------
中等
照度、温度
状态空间法
相关
是
都有
需要
快速
高
电压、电流
单环控制
相关
不是
都有
需要
快速
中等
电流
最佳定点电压法
相关
不是
都有
需要
------
低
无
线性重置坐标法
相关
不是
数字
无需
------
高
电压、电流
滑模控制
不相关
是
数字
无需
快速
中等
电压、电流
表1 MPPT技术对比
2、存在的问题
据统计，在IEEE中研究MPPT的有影响力的论文已超过300篇，很多是假设光伏特性只有一个峰值，以此为依据的论文研究在阴影阻挡及光伏组件之间不匹配等情况导致的多峰值条件下是不适用的。目前在国际上研究MPPT的重点可以归纳为四个方面：
（1） 如何能以最少步骤达到全局最大点，即高响应度；
（2） 如何达到与系统参数的完全独立性，即高通用性；
（3） 如何能在快速大气或参数改变的时候下追踪正确的方向，即高准确率；
（4） 如何使得MPPT的硬件复杂程度较低，即高性价比。
3、 解决方法
（1） 将不同的MPPT方法进行“柔合”形成复合控制，多种方法结合，主要是把快速追踪和准确性进行结合。例如，将模糊逻辑控制应用在爬坡法上；或者固定电压法与爬坡法结合，快速定位在最大功率点附近的方法来解决一些问题。
（2） 寻求新的MPPT算法：试根据反激变换器的输出电压或者电流作为判断依据实现最大功率点跟踪，这样可以省去两个传感器，而且无需乘法运算，保证简单、高效、受环境因素影响小等优点，进一步降低系统成本，同时减轻处理器运算负担。
（3） 减少或者不用电压或者电流传感器，如：现有很多种MPPT算法，但它们几乎都需要同时得到高精度的光伏电池输出侧的电压和电流且需要计算功率，昂贵的霍尔传感器必然会增加系统成本及逆变器体积，同进也占有了大量处理器的资源。因此针对微逆变器的特殊要求，需要开发新型的只需一种（电流或者电压传感器）或无需电流电压检测的高效率MPPT技术。
四、 预期结果
今后MPPT和光伏模组的结构转换结合会向更智能、逻辑判断更强的控制算法的方向发展。如何将各种最大功率点跟踪控制方法进行有机结合、 取长补短,使其能更好满足现场实际需求。实现以下目标：
（1） 数学模型逐步优化、 智能处理方法广泛应用；
（2） 高响应度、高通用性、高准确率、高性价比；
（3） 实现在单级式并网系统中的应用。单级式光伏并网逆变系统则用一个能量变换环节实现两项功能。因此在单级式光伏并网逆变系统的控制中既要考虑跟踪光伏阵列的最大功率点，也要同时保证对电网输出电流的辐值和相位，控制较为复杂。

参考文献
[1]崔岩，蔡炳煌，李大勇，胡宏勋，董静微.太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究.太阳能学报.2006.
[2]张玉平,石新春.一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现.电力电子技术.2009
[3]江小涛,吴麟章,周明杰.太阳电池最大功率点跟踪研究.武汉科技学院学报.2005
[4]周林,武剑,栗秋华,郭珂.太光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述.高电压技术.2008
[5]马磊,耀杰,燕丹,立青,白志峰,郭文武.光伏发电系统中MPPT技术发展情况.第五部分光伏系统、平衡部件及并网工程.2010
[6]张超.光伏并网发电系统MPPT及孤岛检测新技术的研究.浙江大学博士论文.2006
[7]光伏并网逆变器的现状及发展.2010.11.30.
[8]Young-Ho Kim ,Jun-Gu Kim ,Young-Hyok Ji ,Chung-Yuen Won and Tae-Won Lee . Flyback Inverter using Voltage Sensorless MPPT for AC Module Systems. The 2010 International Power Electronics Conference.2010
[9]Nobuyuk，Kasa，Takahiko Iida, Liang Chen. Flyback Inverter Controlled by Sensorless Current MPPT for Photovoltaic Power System. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2005，52（4）