【正文】 。美國和日本為奪取世界光伏發(fā)電市場的首要地位，紛紛制定實施了太陽能技術(shù)的研發(fā) 計劃，比如，到 2020 年，美國計劃將會總安裝 109 W (其中包括了百萬屋頂計劃 )；日本計劃將會總安裝 5 109 瓦 (日本新陽光計劃 )、德國計劃累計安裝 ，歐盟計劃累計安裝3GW，澳大利亞計劃累計安裝 ，中國、印度等發(fā)展中國家計劃安裝 ~2GW[1]。 據(jù)預(yù)測，到 2020 年光伏發(fā)電在全球電力產(chǎn)業(yè)中的所占比例將達(dá)到 ， 2050 年約占 1/4。由此可以斷言，光伏發(fā)電具有廣闊的市場和很好的發(fā)展前景。 我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 我國從 1958 年才開始研究太陽能電池， 1972 年第一次成功地在地面應(yīng)用了光伏電池， 1979 年開始制造以單晶硅為材料的太陽能電池。我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實現(xiàn)了兩次跳躍，首次是在 20世紀(jì) 80 年代后期，我國正處于改革開放蓬勃發(fā)展時期，國內(nèi)相繼引入了多條光伏電池生產(chǎn)線，我國的光伏電池生產(chǎn)能力由起初的 3 個小工廠生產(chǎn)的幾百 KW提高到 6個工廠生產(chǎn)的 106W，中央政府、地方政府、國家工業(yè)部委和國家大型企業(yè)在引進(jìn)的太陽電池生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)線的投資中占了主導(dǎo)地位。第二次跳躍是在 2020 年以后，主要是受到世界大環(huán)境的影響、涉外項目 /市政項目的啟動和市場的帶動；如： 2020 年由我國法改委承擔(dān)實施的“光明工程”的輸電到鄉(xiāng)和隨后的送電到農(nóng)村工程都采用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。 2020 年以前，我國還存在約三萬個村莊，七百萬多戶，三千萬村民還不能用上電， 百分之六十的使用電能的縣還存在嚴(yán)重缺電的問題，由此可見，國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電市場潛力巨大。 2020 年國內(nèi)光伏電池制造能力跨過了 3 108W 大關(guān)。預(yù)計在 2020 后的十幾年中，太陽能光伏電池的市場會產(chǎn)生巨大的變革， 2020 年前中國太陽電池基本上是應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。預(yù)計，后十年（即到 2020 年），中國光伏發(fā)電市場主流將會轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 第二章 MPPT 控制部分與 DC/DC 變換 光伏陣列輸出是非線性的，而且它的輸出在不同的光照強(qiáng)度下、環(huán)境溫度下和負(fù)載情況變化時變化。根據(jù)太陽電池的工作原理，處于不同光照強(qiáng)度，溫度等環(huán)境條件下，光伏電池的輸出便隨著改變，輸出功率包括最大功率點也隨著相應(yīng)改變。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，太陽光的輻射強(qiáng)度和大氣的透光率都是動態(tài)變化的，這就給建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)帶來了困難。在環(huán)境溫度以及太陽光輻射強(qiáng)度不變的情況下，光伏電池的工作電壓是變化的，然而只有輸出電壓是一個恰當(dāng)?shù)闹禃r，光伏電池才可以輸出最大功率， 這時太陽能光伏電池的工作點即是最大功率點 (Maximum Power Point)。最大功率點跟蹤 (MPPT)即指實時調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率，讓它一直在最大功率點附近工作的過程?？紤]到光伏電池的特殊性，如何準(zhǔn)確地設(shè)置它的工作電壓、電流來找到最大功率點是非常重要的。目前，通常采用 DC/DC 變換實現(xiàn)， DC/DC 變換的形式主要有升壓式（ Boost）、降壓式（ BUCK）、升降壓式 (BUCKBoost)、庫克式（ CUK）四種。最大功率點跟蹤的算法是光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵問題，在當(dāng)前提出的眾多的控制方法里，主要包括 擾動觀察法、恒壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制法等。 最大功率點跟蹤原理 光伏電池的等效簡化的線性電路如圖 21所示， R0上的功率可表示為： 000 RRR UP i ??????? ?? RiRo 圖 21 光伏電池簡化電路圖 由于 U、 iR 均是常數(shù) ,因此對上式兩邊 0R 求導(dǎo)，便可以得到： 30 0200 )( )( RR RRUdRdPii? ?? 只有當(dāng)式（ 22）中的 0R = iR 時， 0P 才會取得最大值。因此，針對光伏電池等效簡化的線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻相等時，負(fù)載便可以獲得最大功率。盡管 DC/DC變換電路以及光伏電池都是非線性的，然而在短時間里，可以把它們看作是線性的。 由光伏電池的簡化電路可知：當(dāng) 0R = iR 時， 0R 和 iR 兩端的電 壓均是電壓 U的一半，此時 0P 取得最大值。由上所述可知，采取調(diào)節(jié) DC/DC 變換電路的等效電阻，便可以一直使光伏電池的內(nèi)阻和轉(zhuǎn)化電路的等效電阻保持一致，從而實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤，也就是光伏電池的 MPPT。與此類推，實際應(yīng)用時可以采取調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電阻值，來使負(fù)載獲得最大功率。 圖 22 最大功率跟蹤示意圖 光伏電池最大功率點跟蹤的示意圖如上圖 22所示。圖中直線表示負(fù)載電阻 0R ；虛曲線表示等功率線； ocI 表示光伏電池的短路電流； ocU 表示光伏電池的斷路電壓； mP 表示光伏電池的最大功率點。 由圖可知，光伏電池最大功率跟蹤原理為：光伏電池工作于 M 點時，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點處小很多。采取改變輸出電壓的方法，把負(fù)載電壓調(diào)節(jié)到 U01處，讓負(fù)載的功率從 M點向 N 點移動。因為 N點與光伏電池的最大功率點處于同一點上，所以此時光伏電池獲得最大功率。 最大功率點跟蹤的算法 最大功率點跟蹤的關(guān)鍵問題 是研究跟蹤的算法，目前應(yīng)用較廣泛的幾種為：恒①壓跟蹤法、②擾動觀察法、③電導(dǎo)增量法等。 恒壓跟蹤法 處于不同光照強(qiáng)度下的光伏電池功率 電壓特性曲線如圖 23。由圖可知，同一溫度條件下，不同的光照強(qiáng)度，光伏電池的最大功率點差不多分布在某一固定垂線的兩側(cè)附近。于是我們可以認(rèn)為，恒壓跟蹤法就是把某個特定輸出電壓的垂直線近似看成最大功率線，讓光伏電池輸出一個特定的電壓，便可以找到最大功率點。顯然，此方法是一種近似的最大功率點跟蹤算法。 圖 23 不同光照強(qiáng)度下光伏電池 功率 電壓 特性曲線 此方法具有容 易實現(xiàn)、控制方便、可靠性以及穩(wěn)定性高的優(yōu)點；但是該方法沒有考慮溫度對太陽能電池斷路電壓的影響，因此控制精度差。譬如每當(dāng)安裝地點的溫度增加1℃，不為負(fù)載供電時，硅太陽能電池的輸出電壓會減至原來的 %%?，F(xiàn)在已研究出部分改善的恒壓跟蹤算法，可以通過改變電位器的值輸出不同電壓值，通過溫度查表改變電壓等等。伴著數(shù)字信號處理技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，恒壓跟蹤法將會逐步被取代。 擾動觀察法 擾動觀察法原理圖如圖 24，首先獲取當(dāng)前陣列輸出功率 P1，當(dāng)在原輸出電壓的基礎(chǔ)上增加或減少很小電壓分 量△ u 時，輸出功率可能發(fā)生改變，測量電壓改變后的輸出功率 P2，然后計算出 P2－ P1，得出功率差△ P。 當(dāng)△ P0 時，光伏電池位于上升側(cè)，即最大功率點左側(cè)，需再升高電壓值，使功率自左向最大功率點持續(xù)逼近，維持原方向繼續(xù)擾動；當(dāng)△ P0時，光伏電池位于下降段，即最大功率點尺的右側(cè)，即改變擾動方向，降低工作電壓值，自右向最大功率點靠近；若△ P=0，電池位于最大工作點（或附近），此時不需要改變輸出電壓。 這種方法的優(yōu)勢在于原理簡單，容易實現(xiàn)；不足之處是當(dāng)光照強(qiáng)度改變很快時，容易造成誤判，導(dǎo)致工作點更加遠(yuǎn)離最大功率點 ，控制無效。 圖 24 擾動觀察法原理圖 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法又被稱為導(dǎo)納增量法，是通過最大功率點的電壓來調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的方法。根據(jù)光伏電池的功率 電壓特性曲線可知在最大功率點處存在： 0?dUdP 又通過公式 UIP? 得： 0??? dUdIUIdUdP 從而可得： UIdUdI ?? 一旦上式存在，光伏電池的輸出就會處于最大功率點。因此，根據(jù)確定電壓與電流的關(guān)系，便可 確定當(dāng)前狀態(tài)能否達(dá)到最大功率點，即： (1)若UIdUdI ??，位于最大功率點處，不要改變參考電壓； (2)若UIdUdI ??，位于最大功率點的左側(cè)，須要升高參考電壓； (3)若UIdUdI ??，位于最大功率點的右側(cè)，須要降低參考電壓。 DC/DC 變換器 DC/DC 變換器，又稱直流斬波器，它的工作方式是根據(jù)改變占空比來控制輸出 DC電壓的均值。該電壓的均值由可調(diào)寬度的脈沖構(gòu)成，脈沖的平均值就是 DC 輸出電壓。在配置 合適的 LC濾波器把方波脈沖轉(zhuǎn)換成無紋波 DC 輸出，裝置中的二極管為續(xù)流二極管。 根據(jù)功率開關(guān)器件的電流（電壓）的波形的形式，可以把 DC/DC 變換劃分為正弦型、方波型。正弦型是因為在穩(wěn)態(tài)運行中，這種開關(guān)變換器功率開關(guān)器件中的電流（電壓）波形本質(zhì)上是正弦波。方波型是因為在穩(wěn)態(tài)運行中，這種變換器中的開關(guān)器件的電流（電壓）波形本質(zhì)上是方波； DCDC 變換器的按其結(jié)構(gòu)分類為： D C D C 變 換 器降 壓 式 變 換 器 （ B U C K 電 路 ）升 壓 式 變 換 器 （ b o o s t 電 路 ）升 降 壓 式 變 換 器 （ B u c k B o o s t ）庫 克 式 變 換 器 （ C u k 電 路 ） 降壓式變換器 EVDRLEMMViuoo 圖 26 降壓式電路 圖 為降壓式 變換器的電路模型。當(dāng) IGBT 開關(guān)元件 V導(dǎo)通時，二極管 VD 工作于截止?fàn)顟B(tài)，電源 E為負(fù)載供電，與此同時電感 L不斷的儲存能量，這時 u0=E，電感電流 i0 按照指數(shù)曲線升高；當(dāng) V 截止時，流過電感的電流 i0 經(jīng) VD 續(xù)流， u0 約等于 0，i0按指數(shù)曲線降低，為使 i0 連續(xù)且脈動變小，習(xí)慣方法是增大 L 值。當(dāng)電流連續(xù)時，負(fù)載兩端的電壓的均值可表示成： EETtEtt tU ono ffon on ?????0 ( 10 ??? ) α表示導(dǎo)通占空比，簡稱導(dǎo)通比或 者占空比 u0 最大為 E，α變小， u0跟著變小，叫做降壓斬波電路，又稱 Buck Converter。其在 PWM 中是最基本、使用最方便的一種變換結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)勢為電路結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好。不足之處在于：①輸入電流的脈動將造成對輸入電源的電磁干擾，因此在實際應(yīng)用時常在電源與變換器之間配置一個輸入濾波電容；②穩(wěn)態(tài)電壓比一直比 1小，因此只能降低電壓；③開關(guān)器件發(fā)射極沒有接地，增加了驅(qū)動電路復(fù)雜程度。 升壓式變換器 升壓式變換器電路原理圖如圖 所示，當(dāng) IGBT 開關(guān)元件 V 接通時，電源 E 作為能量源向電感 L儲存能量 ，電感 L 電流 i1 增加，二極管 VD 關(guān)斷，電容 C 為負(fù)載 R 供電，這時 u0=E。當(dāng) V關(guān)斷時，電感電流 i1 減小，放出能量，因為電感電流不可以突變，便會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢左邊是負(fù)極右邊為正極，二極管被迫導(dǎo)通，并和電源一起通過二極管為負(fù)載供電，與此同時對電容 C充電，這時存