【正文】 0 年，即使全部太陽(yáng)能發(fā)電供給全球用電，占地也不過(guò)全部海洋面積的 2． 3％或全部沙漠的 51． 4％。 作 為無(wú)污染的清潔能源之一太陽(yáng)能越來(lái)越受到大家的關(guān)注，尤其在解決偏遠(yuǎn) 地區(qū)的用電問(wèn)題，發(fā)揮著重要的作用。光伏發(fā)電在改善人民生活條件方面已發(fā)揮著重要作用，并將在 21 世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大作用。但是日照時(shí)間長(zhǎng)，日射強(qiáng)度大，為光伏發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 20xx 年光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量?jī)H 40MW，而 20xx 年深圳市已建成 870kW 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是目前我國(guó)最大的城市光伏景觀工程。20xx 年北京奧運(yùn)會(huì)建成多個(gè) 50kW～ 150kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，場(chǎng)館周圍 80％的路燈以及部分場(chǎng)館的照明與空調(diào)將利用太陽(yáng)能電池供電。 我國(guó)的光伏企業(yè)雖然弱小，但經(jīng)過(guò)努力已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，當(dāng)前，對(duì)光伏企業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。 2 光伏電池的原理及其特征 光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。 光伏電池的基本工作原理 太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能變換成為電能。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，但在固體尤其是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率特別的高。 I S CI DR s hR sR LI L 圖 21 光伏電池的等效電路圖 其中， RL 為電池的外負(fù)載電阻。 1cm2 光伏電池的 Isc 值均為 1630mA。無(wú)光照下的硅型光伏電池的基本行為特性就類似于一個(gè)普通二極管。 Uoc 為電池的開(kāi)路電壓。它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間接接觸電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組成。 在 22 圖中，曲線 1，是二極管的暗伏安關(guān)系曲線，即無(wú)光照射時(shí)光伏電池的伏安曲線；曲線 2，是電池接受光照后的伏安曲線，它可由無(wú)光照時(shí)的伏安曲線向第四象限位移 Isc 量得到。 光照強(qiáng)度、溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響 ILUL 的關(guān)系代表了光伏電池的外特性即輸出特性，這是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要基礎(chǔ)。 12345 1 0 1 5 2 0I L / AU L / VS 降 低 ， 短 路 電 流明 顯 變 化S 降 低 ， 開(kāi) 路 電 壓微 弱 變 化PU LS 降 低P 減 小 圖 25 光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池輸出參數(shù)的影響 圖 25 為保持光伏電池溫度不變，光伏陣列的輸出隨光照強(qiáng)度和負(fù)載變化的ILUL 和 PUL 曲線族。 123I L / AU L1 51 05 2 0溫 度 增 加 ， 電 流 增 加溫 度 降 低 ， 電 壓 增 加PU L溫 度 降 低 圖 26 溫度對(duì)光伏電池輸出參數(shù)的影響 圖 26 為保持光照強(qiáng)度不變，光伏陣列的輸出隨電池溫度和負(fù)載變化的 ILUL和 PUL 曲線族。光伏電池的溫度和環(huán)境溫度的關(guān)系為：光伏電池溫度 =環(huán)境溫度 +K*照度。 MPPT 算法的原理 最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）控制策略實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過(guò)改變當(dāng)前的阻抗情 況來(lái)滿足最大功率輸出的要求。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，即光伏陣列的輸出特性曲線 1 上升為曲線 2 時(shí)，此時(shí)，如果保持負(fù)載 1 不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在 A`點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。 Observer algorithms,Pamp?；诓⒕W(wǎng)逆變器輸入?yún)?shù)的擾動(dòng)觀測(cè)法直接檢測(cè)逆變器輸入側(cè)光伏電 池的輸 出電壓和電流，通過(guò)計(jì)算光伏電池的輸出功率并采用功率擾動(dòng)尋優(yōu)的方法來(lái)跟蹤光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)。 當(dāng)增大參考電壓 U（ U1=U+△ U）時(shí)，若 P1P，表明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)采用減小參考電壓的擾動(dòng)方式，即 U2=U1△ U，如圖 32b所示。 檢測(cè) U、 I 計(jì)算功率 P=UI P（ k） ≤P（ k1） ? U(k)U(k1)? U(k)U(k1)? Uref=Uref+△ U Uref=Uref△ U Uref=Uref△ U Uref=Uref+△ U N 開(kāi)始 返回 Y N Y Y N 圖 33 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的流程圖 擾動(dòng)觀測(cè)法按每次擾動(dòng)的電壓變化量是否固定，可以分為定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，其中，定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的流程圖如圖 33 所示。針對(duì)這樣的非線性系統(tǒng)，使用模糊邏輯控制 [7]（ fuzzy logic control）方法進(jìn)行控制，可以獲得比較理想的效果。輸入變量則分別為光伏電池 PU 特性曲線上連續(xù)采樣的兩點(diǎn)連線的斜率值 E 以及單位時(shí)間斜率的變化值 CE，即 )1()( )1()()( ?? ??? kIkI kPkPkE （ 31） )1()()( ??? kEkEkCE （ 32） 其中， P（ k）和 I（ k）分別為光伏電池的輸出功率及輸出電流的第 k 次采樣值。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用模糊邏輯控制方法控制流程圖如圖 35 所示。為提高 MPPT 算法對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤精度，采用功率全微分近似替代 dP 的 MPPT 算法，即從 dP=UdI+IdU 出發(fā)，推演出以電導(dǎo)和電導(dǎo)率的直接關(guān)系為搜索判據(jù)的 MPPT 算法，即電導(dǎo)增量法?？紤]光伏電池的瞬時(shí)輸出功率為 P=UI （ 33） 將式（ 33）兩邊對(duì)光伏電池的輸出電壓 U 求導(dǎo)，則 UdUdIIdUdP ?? （ 34） 當(dāng) dP/dU=0 時(shí)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大。與擾動(dòng)觀察法相比，電導(dǎo)增量 法穩(wěn)態(tài)的振蕩比擾動(dòng)觀測(cè)法??；與模糊邏輯控制法相比，電導(dǎo)增量法的算法明顯要簡(jiǎn)便些，且模糊邏輯控制法會(huì)忽略 PWM 的脈沖寬度的變化，dI=I(k)I(k1) dU=U(k)U(k1) dU=0? dI/dU=I/U? dI=0? dI/dUI/U? dI0? Uref=Uref+△ U Uref=Uref△ U Uref=Uref+△ U 輸入 U（ k） ,I(k) I(k1)=I(k) U(k1)=U(k) 結(jié)束 Y 開(kāi)始 Y Y Y Y N N N N N Uref=Uref△ U 這也是本文采用電導(dǎo)增量法的原因。 ③ BuckBoost 型變換器：輸出電壓可以在很寬的范圍內(nèi)工作，可以得到高壓或低于輸入電壓的輸出電壓，即要求輸出電壓一定的情況下，允許輸入電壓有較大的變化范圍。 Boost 型變換器的工作原理 Boost 變換器屬于并聯(lián)型開(kāi)關(guān)變換器，又稱為升壓變換器，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 38 所示。 +U Si LDTLD 1CI OR+U 0 圖 38 Boost 變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 Boost 變換器控制過(guò)程 [9]如下： 當(dāng)圖 38 中開(kāi)關(guān)管 T 在導(dǎo)通時(shí)， Boost 電路等效電路如圖 39（ a）所示。 由于線圈 L 中的磁場(chǎng)將改變線圈 L 兩端的電壓極性，這樣線圈 L 磁能轉(zhuǎn)化成的電壓 UL 與電源 US 串聯(lián)，以高于電源電壓向電容 C、負(fù)載 R 供電，電容器 C流入充電電流，當(dāng) UO 有降低趨勢(shì)時(shí)，電容向負(fù)載 R 放電，維持 UO 不變。在相對(duì)足夠小的系統(tǒng)采樣時(shí)間內(nèi)， BOOST 電路輸出電壓變化很小，這里視為恒定。由于光伏陣列的開(kāi)路電壓Uoc 等于 BOOST 電路的輸入電壓，有 OOCUUD ??1min (38) 故， BOOST 電路的占空比 D 可在 Dmin~1 之間變化。 有關(guān) PWM 的介紹 如圖 311所描述的那樣， MPPT控制器輸出一信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷， 從而實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。 本文采用的是三角波比較方式。 4 仿真實(shí)驗(yàn) PSCAD 仿真軟件介紹 PSCAD 是一種世界各國(guó)廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以在面板上構(gòu)造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運(yùn)行時(shí)通過(guò) FORTRAN 編譯器進(jìn)行編譯、連接，運(yùn)行的結(jié)果可以隨著程序運(yùn)行的進(jìn)度在 PLOT 中實(shí)時(shí)生成曲線，以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理，并能與 MATLAB 接口。 圖 41 PSCAD 庫(kù)文件中的元件 所有元件都按類分成 18 組，具體為：無(wú)源元件，電源，混合元件， I/O 器件，斷路器和故障， HVDC、 FACTS 和電力電子元件，輸入、輸出和標(biāo)簽，變壓器，電機(jī)，連續(xù)系統(tǒng)功能模型，傳輸線，電纜，表計(jì)，保護(hù)，外部數(shù)據(jù)記錄及讀取，定序器，邏輯元件， PI 部件。 當(dāng)前新版的 PSACD 不但有工作站版，而且有微機(jī)版，其大規(guī)模的計(jì)算容量、完整而準(zhǔn)確的元件模型庫(kù)、穩(wěn)定高效率的計(jì)算內(nèi)核、友好的界面和良好的開(kāi)放性等特點(diǎn)，已經(jīng)被世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和電氣工程師所廣泛采用。如圖 42 所示。 圖 45 MPPT 模塊圖 在參數(shù)（ Parameters）設(shè)置中，定義對(duì) MPPT 模塊的動(dòng)作標(biāo)志。 3 個(gè)輸出端分別為： Iout 類似于電流源的輸出， Ground 類似于電流源的接地端， Pout 功率輸出。通過(guò)輸入時(shí)間大小控制輸出的光照強(qiáng)度。 1 個(gè)輸出端為： Gin。 Signal type(信號(hào)類型 )triangle（三角波） Duty cycle(占空比 )50% Maximum output level(最大輸出電平 )1 Minimum output level(最小輸出電平 )0 圖 48 比較器模塊圖 （ 5） 溫度調(diào)節(jié)模塊 通過(guò)調(diào)節(jié)溫度 T 的大小控制光伏電池溫度，以觀察溫度對(duì)光伏電池輸出參數(shù)的影響狀況。 Initial Value （初始溫度值） 25176。 仿真系統(tǒng)圖如圖 410 所示。圖中的功率、電壓和電流都存在小幅震蕩，這與采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn) MPPT 控制有關(guān)，是不可避免的。由圖 415 和圖 413 分析可知， MPPT 控制器模塊可通過(guò)改變其輸出值 Vref 使得光伏陣列快速達(dá)到最大功率輸出，這說(shuō)明 MPPT 控制器模塊實(shí) 現(xiàn)了其最大功率點(diǎn)跟蹤控制的功能。 5 總結(jié) 太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染的可再生能源將是下世紀(jì)人類能源利用的重要來(lái)源。 （ 2） 本文介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及分類，詳細(xì)闡述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理，并分析太陽(yáng)能電池的輸出特性，介紹了最大功率點(diǎn)跟蹤原理和跟蹤策略，比較了幾種常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，并詳細(xì)介紹了本文采用的電導(dǎo)增量法。 參考文獻(xiàn) [1]王長(zhǎng)貴 .新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望 [J].太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集， 20xx,9. 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