【正文】 nt)。最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)即指實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率，讓它一直在最大功率點(diǎn)附近工作的過(guò)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(lái)找到最大功率點(diǎn)是非常重要的。目前，通常采用 DC/DC 變換實(shí)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(kù)克式（ CUK）四種。最大功率點(diǎn)跟蹤的算法是光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在當(dāng)前提出的眾多的控制方法里，主要包括 擾動(dòng)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(diǎn)跟蹤原理 光伏電池的等效簡(jiǎn)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(jiǎn)化電路圖 由于 U、 iR 均是常數(shù) ,因此對(duì)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(shí)， 0P 才會(huì)取得最大值。因此，針對(duì)光伏電池等效簡(jiǎn)化的線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻相等時(shí)，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(shí)間里，可以把它們看作是線性的。 由光伏電池的簡(jiǎn)化電路可知：當(dāng) 0R = iR 時(shí)， 0R 和 iR 兩端的電 壓均是電壓 U的一半，此時(shí) 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(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，也就是光伏電池的 MPPT。與此類推，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采取調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電阻值，來(lái)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(diǎn)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(diǎn)。 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(diǎn)時(shí)，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點(diǎn)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(diǎn)向 N點(diǎn)移動(dòng)。因?yàn)?N點(diǎn)與光伏電池的最大功率點(diǎn)處于同一點(diǎn)上，所以此時(shí)光伏電池獲得最大功率。 最大功率點(diǎn)跟蹤的算法 最大功率點(diǎn)跟蹤的關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)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(diǎn)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(gè)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(gè)特定的電壓，便可以找到最大功率點(diǎn)。顯然，此方法是一種近似的最大功率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)、控制方便、可靠性以及穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)；但是該方法沒有考慮溫度對(duì)太陽(yáng)能電池?cái)嗦冯妷旱挠绊?，因此控制精度差。譬如每?dāng)安裝地點(diǎn)的溫度增加1℃，不為負(fù)載供電時(shí)，硅太陽(yáng)能電池的輸出電壓會(huì)減至原來(lái)的 %%。現(xiàn)在已研究出部分改善的恒壓跟蹤算法，可以通過(guò)改變電位器的值輸出不同電壓值，通過(guò)溫度查表改變電壓等等。伴著數(shù)字信號(hào)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(huì)逐步被取代。 擾動(dòng)觀察法 擾動(dòng)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(shí)，輸出功率可能發(fā)生改變，測(cè)量電壓改變后的輸出功率 P2，然后計(jì)算出 P2－ P1，得出功率差△ P。 當(dāng)△ P0 時(shí)，光伏電池位于上升側(cè)，即最大功率點(diǎn)左側(cè)，需再升高電壓值，使功率自左向最大功率點(diǎn)持續(xù)逼近，維持原方向繼續(xù)擾動(dòng)；當(dāng)△ P0 時(shí)，光伏電池位于下降段，即最大功率點(diǎn)尺的右側(cè)，即改變擾動(dòng)方向，降低工作電壓值，自右向最大功率點(diǎn)靠近；若△ P=0，電池位于最大工作點(diǎn)（或附近），此時(shí)不需要改變輸出電壓。 這種方法的優(yōu)勢(shì)在于原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；不足之處是當(dāng)光照強(qiáng)度改變很快時(shí)，容易造成誤判，導(dǎo)致工作點(diǎn)更加遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn) ，控制無(wú)效。 圖 24 擾動(dòng)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(guò)最大功率點(diǎn)的電壓來(lái)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(diǎn)處存在： 0?dUdP 又通過(guò)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(huì)處于最大功率點(diǎn)。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(diǎn)，即： (1)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)處，不要改變參考電壓； (2)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，須要升高參考電壓； (3)若UIdUdI ??，位于最大功率點(diǎn)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(lái)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(wú)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?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)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?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)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(kù) 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(shí)，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(shí)電感 L 不斷的儲(chǔ)存能量，這時(shí) u0=E，電感電流 i0 按照指數(shù)曲線升高；當(dāng) V 截止時(shí)，流過(guò)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(dòng)變小，習(xí)慣方法是增大 L值。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載兩端的電壓的均值可表示成： EETtEtt tU onof fon on ?????0 ( 10 ??? ) α表示導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)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(shì)為電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好。不足之處在于：①輸入電流的脈動(dòng)將造成對(duì)輸入電源的電磁干擾，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常在電源與變換器之間配置一個(gè)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(dòng)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(shí)，電源 E 作為能量源向電感 L儲(chǔ)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(shí) u0=E。當(dāng) V 關(guān)斷時(shí)，電感電流 i1減小，放出能量，因?yàn)殡姼须娏鞑豢梢酝蛔?，便?huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guò)二極管為負(fù)載供電，與此同時(shí)對(duì)電容 C 充電，這時(shí)存在 u1=E－ u0，根據(jù)能量守恒得： o f fon tIEUtEI 101 )( ?? 整理得： EEtTEt ttUof fof fof fon ?10 ???? ( 10 ??? ) (2 5) 因?yàn)門toff??，輸出電壓大于電源電壓，因此該變換器又被稱作升壓斬波電路，其又被叫做 Boost 變換器。由于Ttoff??，因此改變它便能改變 u0與導(dǎo)通占空比的關(guān)系： 1???? 于是，式 (25)可整理為： EEU ?? ??? 1 110 EVDRLViuooCi 1 圖 27 升壓式電路 圖 28 電路連續(xù)導(dǎo)電模式下的穩(wěn)態(tài)波形 升壓變換器在蓄電池電壓高并且光伏電池的輸出電壓低的場(chǎng)合應(yīng)用較廣。它的優(yōu)勢(shì)在于：①輸入的電流是連續(xù)的，對(duì)電源只有較小電磁干擾；②開關(guān)器件 IGBT 的發(fā)射極接地，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。其不足之處在于：①輸出端的二極管的電流不是連續(xù)的，是脈動(dòng)的，增大了輸出紋波的幅度。②穩(wěn)態(tài)電壓比一直比 1 大，只可以升高電壓。 升降壓式變換器 V 關(guān)斷 VD 導(dǎo)通 V 導(dǎo)通 VD 關(guān)斷 ont oft t t ii V T RCEVDLViuoouLi 1 i 2i L 圖 29 升降壓式電路 升降壓式變換電路電路圖如圖 所示，分析電路我們可以分析得到其基本原理為：當(dāng)開關(guān)元件 V 接通時(shí)，電源 E可以為電感 L供電，使之儲(chǔ)存能量，這個(gè)時(shí)候電路電流為 i1，電感 L兩端的電壓為 EuL? ；當(dāng) V關(guān)斷時(shí)，電源 E 不再為電路供電，但是此時(shí)電感 L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載 R釋放。若電容器 C的值可以認(rèn)為很大，可以一個(gè)固定的電壓輸出。等到電路工作于穩(wěn)態(tài)后，則在 0T時(shí)間內(nèi)電感 L兩端電壓 uL 對(duì) t的積分為 0，即 ? ?T dtuL0 0。 當(dāng) IGBT 元件 V 導(dǎo)通時(shí)， EuL? ；而當(dāng)它關(guān)斷時(shí)， 0uuL ?? ，可得： 0)( 0 ??? offon tUEt 因此，輸出電壓可表示為： offonttU ?0 onontTtE ?? EE ????1 ( 10 ??? ) BuckBoost 變換器兼?zhèn)淞?BUCK、 Boost 變換器的一些特點(diǎn)，不但可升高電壓還可以降低電壓，它的特點(diǎn)是：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②電壓變比可以從 0 變化到∞，即不僅可以升高電壓還可以降低電壓。不足之處主要為：①輸入、輸出電流均有脈動(dòng)，使得對(duì)輸入電源存在電磁干擾，并且輸出紋波較大。因此 ，工程上經(jīng)常配置輸入、輸出濾波網(wǎng)絡(luò)；②開關(guān)元件 V的發(fā)射極沒有接地，增加了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度。 庫(kù)克式變換器 庫(kù)克變換器是由美國(guó) California Institute of Technology 的斯洛博丹庫(kù)克提出來(lái)的，該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖 所示。庫(kù)克變換器電路去除了降壓式、升壓式和升降壓式變換器的缺點(diǎn)，同時(shí)又兼?zhèn)淞松鲜鰩追N變換器的優(yōu)點(diǎn)。其電路的優(yōu)點(diǎn)為：輸入、輸出均 無(wú)脈動(dòng)，基本上是平滑的，只是在 DC 成份基礎(chǔ)上增加一個(gè)較小的開關(guān)紋波；而且，電壓變比可在 0 至無(wú)窮大之間改變；變換器開關(guān)元件 IGBT 的發(fā)射極接地，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成簡(jiǎn)易?？偠灾瑤?kù)克變換器的最大特征就在于它使用最少的元器件達(dá)到了最佳的穩(wěn) 態(tài)性能，因此，又被稱為最佳拓?fù)渥儞Q器 [2]。 E VDLViUL2oi L1RC2C1 L2i VD i c2 i o ++U c2+++U c1U VDUT 圖 210 庫(kù)克式電路 第三章 主要設(shè)備的選擇 太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)。由單個(gè)單晶片形成的太陽(yáng)能電池為單體，由若干太陽(yáng)能電池單體組合而成的結(jié)構(gòu)為太陽(yáng)能模塊，而由若干太陽(yáng)能模塊組合的大型裝置被命名成太陽(yáng)能電池陣列。太陽(yáng)能電池陣列皆有共同的輸出端，可直接為負(fù)荷供電。 太陽(yáng)能電池原理 太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換原理把 太陽(yáng)輻射的光經(jīng)半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換成電能的裝置，光 電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常被稱為“光生伏打效應(yīng)”，因此它又被稱為“光伏電池”。 太陽(yáng)能電池的基本原理為：當(dāng)太陽(yáng)光輻射在由兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 P－ N 結(jié)上時(shí)，處于特定環(huán)境時(shí)，太陽(yáng)能輻射的能量被半導(dǎo)體材料吸收，內(nèi)部產(chǎn)生靜電場(chǎng)。如果從內(nèi)部靜電場(chǎng)的兩端引出電極，然后帶動(dòng)恰當(dāng)?shù)呢?fù)載，便會(huì)產(chǎn)生電壓、電流。 單個(gè)太陽(yáng)能電池即一個(gè)薄片半導(dǎo)體 PN結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)光照環(huán)境下，其額定輸出電壓一般在為 101V 左右。若想獲得更高的輸出電壓和更大的容量，通常將若干太陽(yáng)能電池連到一起 。 光伏電池在不同時(shí)間、不同區(qū)域、不同安裝條件下的輸出功率有所差異，即使是同一塊光伏電池，輸出功率也是隨機(jī)的。 當(dāng)今，光伏電池的光 電轉(zhuǎn)換效率通常超過(guò)百分之十幾，在某些發(fā)達(dá)國(guó)家，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能達(dá)到 %上下。 太陽(yáng)能電池分類 太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)方法各不相同，通常以按材料分類最為常見，如圖 31 所示 太 陽(yáng) 能 電 池硅化 合 物晶 體非 晶