【正文】 本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)方面的研究都在不斷地深入進(jìn)行著，本文討論的太陽能 發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制就 是其中一個(gè)重要的研究課題。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源的開發(fā)利用造成的。 太陽能的光伏技術(shù)利用在當(dāng)今世界 ,特別是非洲、南美、澳洲及亞洲各國 ,其增長幅度相當(dāng)大 ,主要原因是近幾年來太陽電池、電力電子及微電子技術(shù)的快速發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng) ,當(dāng)然 ,許多國家都制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策 ,這也是光伏技術(shù)利用快速發(fā)展的原因之一。在所有可再生能源中，光伏發(fā)電是利用最靈活，最可行的一種能源。這個(gè)把太陽能或（其它光能）變換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就叫做太陽能電池。（ 3）這些電性符號(hào)相反的光生載流子在太陽能電池 PN 結(jié) 內(nèi)建電場的作用下，電子 空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在 PN 結(jié) 兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，即光生電壓。每個(gè)原子的外殼電子都有固定的位置，并受原子核的約束。單調(diào)太陽光（或其它光）照射 PN 結(jié) 時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電子 空穴對，并在勢壘電場作用下，電子被驅(qū)向 N型區(qū)，空穴被驅(qū)向 P 型區(qū)，從而使 N 區(qū) 有過剩的電子， P 區(qū)有過剩的空穴；于是就在 PN 結(jié) 的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。由于太陽光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁帶寬度大的光子才能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子 空穴對，從而形成光生電流。晶體硅太陽能電池的研究重點(diǎn)是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。從 V一 I特性可以看出，太陽 能 電池是 輸出 電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時(shí)，電流下降率很大。因而對最大輸出功率影響明顯，見圖 4(b)各實(shí)線的波峰幅值變化。通常工程中采用的方法是為光伏陣列安裝跟蹤裝置。離網(wǎng) 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成框圖，如圖 5 所示。 （二） 蓄電池組 光伏發(fā)電受季節(jié)、天氣及每日時(shí)間的影響很大，因此，這種供電系統(tǒng)必須要有儲(chǔ)能設(shè)備。 為了保護(hù)蓄電池不受過充電和過放電的損害 ， 則必須要有一套控制系統(tǒng)來防止蓄電池的過充電和過放電 ， 這套系統(tǒng)稱為充放電控制器。③蓄電池放電管理 對蓄電池放電過程進(jìn)行管理，如負(fù)載控制自動(dòng)開關(guān)機(jī) 、 實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng) 、 防止負(fù)載接入時(shí)蓄電池端電壓突降而導(dǎo)致的錯(cuò)誤保護(hù)等。智能控制技術(shù) 主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)，如智能機(jī)器人系統(tǒng) 、 CIMS、 復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng) 、 航空航天控制系統(tǒng) 、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng) 、 交通運(yùn)輸系統(tǒng) 、 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 、 環(huán)保與能源系統(tǒng)等的控制問題。由于計(jì)算機(jī)特別是單片機(jī)價(jià)格低廉 、 設(shè)計(jì)靈活 、 性能價(jià)格比高，因此目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)的大中型光伏系統(tǒng)用的控制器大多采用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制功能。 （三） 逆變器 逆變器是將直流電變換成交流電的設(shè)備。 2%。④具有一定的過載能力，一般能過載 125%~150%。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變 器 要求較高： ① 要求具有較高的效率。大型聯(lián)網(wǎng)光伏電站的主要特點(diǎn)是所發(fā)電能被直接輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)光伏器件的突出特點(diǎn)和 優(yōu)點(diǎn)是與建筑相結(jié)合。 （ 4）自動(dòng)電壓調(diào)整 在剩余電力逆流入電網(wǎng)時(shí)，因電力逆向輸送而導(dǎo)致送電點(diǎn)電壓上升，與可能超過商用電網(wǎng)的運(yùn)行范圍，為保持系統(tǒng)的電壓正常，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要能夠自動(dòng)防止電壓上升。通過監(jiān)測如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，把光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，以確保安全。光伏陣列的輸出功率具有強(qiáng)烈的非線性，而且和日射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件密切相關(guān)，要使系統(tǒng)處于比較理想的工 況，而且對于任何日照，都要發(fā)揮在當(dāng)前日照下光伏陣列輸出功率的最大潛力，就需要研究光伏陣列輸出功率特性以及最大功率點(diǎn)跟蹤策略。 光伏系統(tǒng) MPPT 算法分析比較 由于光伏陣列的最大功率點(diǎn)是一個(gè)時(shí)變量 ,因此可以采用搜索算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。該算法根據(jù)預(yù)先測得的光伏陣列特性曲線 ,利用曲線擬合法得出能較準(zhǔn)確描述陣列特性的數(shù)學(xué)模型或?qū)⑶€以表的形式存儲(chǔ)在微處理器內(nèi)?？紤]到日照強(qiáng) 度高時(shí)一般都具有較高環(huán)境溫度，日照強(qiáng)度低時(shí)一般都具有較低環(huán)境溫度這一特點(diǎn)，太陽電池一天內(nèi)最大功率點(diǎn)的軌跡接近于太陽電池某一恒電壓處的功率軌跡，因此，可將太陽電池最大功率點(diǎn)處的電壓用一個(gè)常數(shù)來設(shè)定，這就是 CVT控制方式。 （ 2）優(yōu)缺點(diǎn)分析 采用 CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單且易實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。 隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展和微電子器件的大幅度降價(jià)， CVT控制方式 已 經(jīng)顯得很不經(jīng)濟(jì)，最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術(shù)可以使系統(tǒng) 在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽電池的最大功率，顯示了它杰出的技術(shù)優(yōu)勢。 。 導(dǎo)納增量法（ IncCond) （ 1）原理 由光伏陣列 PV特性可知 ,光伏陣列的功率電壓曲線是單峰曲線 ,存在唯一的最大功率點(diǎn) ,且在該最大功率點(diǎn)處 ,功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零。 abs（ dP/dU）作為 IncCond 法中的步長數(shù)據(jù)，在 U離 Pm較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)跟蹤的步長較大；當(dāng) U離 Pm較近時(shí)，系統(tǒng)跟蹤的步長較小。首先，簡單介紹一下間歇掃描跟蹤法，該策略的核心思想是 :首先假設(shè)光伏陣列模塊工作在一給定工作點(diǎn) ； 然后周期性地對光伏陣列模塊特性進(jìn)行掃描，記錄每一點(diǎn)的工作電壓和電流，得到輸出功率 ； 最后將輸出功率中最大的記為最大功率點(diǎn)輸出，作為下一周期的光伏陣列模塊工作參考點(diǎn)。這樣控制的目的是當(dāng)光照變化不大時(shí) ,就延長掃描間隔時(shí)間 ,從而進(jìn)一步減少工作點(diǎn)被擾動(dòng)的次數(shù) ,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 ,從而達(dá)到智能地改善系統(tǒng)控制性能的目的。 分析圖 10可知 ,該電路由一個(gè) BOOST 升壓電路和一個(gè)電壓型逆變電路組成 ,其中升壓斬波電路的電源為光伏陣列 ,該課題要求此陣列輸出功率為 1000Wp,輸出電壓 oU 為 200V,所以考慮到功率損耗 ,選用 23 塊太陽能電池組件 ,組件功率選用 45～ 48Wp，尺寸為長 976mm，寬 436mm，厚 37mm，所以太陽能電池方陣的面積229 7 6 * 4 3 6 * 2 3 9 7 8 7 3 2 8 9 . 8S m m m? ? ?。 在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，即從電流連續(xù)后到最大輸出時(shí)， LonI? = LoffI? ，由式(1)和 (2)可得 off sson o f st eVt V V e???? （ 3） 因占空比 /onD t T? ，即最大占空比 maxD m a x o f s oso f s oV V e VeDV V V V?? ????? （ 4） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即 ? ?i o oL aveV I V I? ? ? （ 5） 由式 (4)和式 (5)得電感器平均電流 ? ? 1 oL ave II D? ? （ 6） 同時(shí)由式 (1)得電感器電流紋波 ? ?ssL e V DI Lf??? （ 7） 式中： f為開關(guān)頻率。 CCM 工作模式適合大功率輸出電路，而本課題中要求太陽能功率為1000 pW ，而且 考慮到負(fù)載達(dá)到 10％以上時(shí) ，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按 CCM 工作模式來進(jìn)行特性分析。圖 9示出其控制流程圖。實(shí)際情況是太陽能電池陣列在一天的運(yùn)行過程中 , 短時(shí)間內(nèi)工作點(diǎn)的變化不大。 （ 2）優(yōu)缺點(diǎn)分析基于梯度變步長的 IncCond法的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，且控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化 時(shí)，系統(tǒng)能快速追蹤其變化，不受功率時(shí)間曲線開始 測量 V(K),I(K) V(K)－ V(K－ 1)＞ 0 dI/dV＝－ I/V dI/dV＞－ I/V 返回 N Y N Y N Vref＝ Vref－ C I(K)－ I(K－ 1)=0 I(K)－ I(K－ 1)＞ 0 Vref＝ Vref－ C Vref＝ Vr ef+C Vref＝ Vref+C Y Y N Y 圖 8C 的影響；在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。 這便是導(dǎo)納增量法的算法原理 ,其算法流程如圖 8c所示。 圖 8b （ 2）優(yōu)缺點(diǎn)分 析 由其算法原理可知 :采用 Pamp。 擾動(dòng)觀測法（ Pamp。以單晶硅太陽電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高 10℃時(shí)，其開路電壓下降率為 %一 %。因此， CVT控制法思路即是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，此時(shí)光伏電池在整個(gè)工作過程中將近似工作在最大功率點(diǎn)處。曲線擬合技術(shù) 預(yù)先測得太陽電池組件的輸出特性，并用顯示的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。所謂自尋優(yōu)算法即不直接檢測外界環(huán)境因素的變化 ,而是通過直接測量得到的電信號(hào) ,判斷最大功率點(diǎn)的位置 ,從而進(jìn)行追蹤。當(dāng)負(fù)載特性與太陽電池陣列特性的交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相 應(yīng)電壓Um之左時(shí) ,MPPT的作用是使交點(diǎn)處的電壓升高 ,而當(dāng)交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓 Um之右時(shí) ,MPPT的作用是使交點(diǎn)處的電壓下降。 另外，為了防止發(fā)生故障時(shí)太陽能電池的電流流入電網(wǎng)，在聯(lián)網(wǎng)逆變器的輸出端和用戶電線之間設(shè)置絕緣變壓器或把它內(nèi)裝在電力轉(zhuǎn)換部分。 2. 聯(lián)網(wǎng)逆變器構(gòu)成 聯(lián)網(wǎng)逆變器主要由逆變器和聯(lián)網(wǎng)保護(hù)器兩大部分構(gòu)成，如圖 6 所示。聯(lián)網(wǎng)逆變器與獨(dú) 立逆變器不同之處是，它不僅可將太陽能電池方陣發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且還可對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率 、 電壓 、 電流 、 相位 、 有功與無功 、 同步 、 電能品質(zhì)（電壓波動(dòng) 、 高次諧波）等進(jìn)行控制。而住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是與建筑結(jié)合的住宅屋頂聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)，由于具有許多優(yōu)越性，建設(shè)容易，投資不大，許多國家又相繼出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策，因而在各發(fā)達(dá)國家倍受青睞，發(fā)展迅速，成為主流。 ② 要求具有較高的可靠性。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。⑤輸出電壓波形含諧波成分應(yīng)盡量小。要求該交 流電能達(dá)到一定的頻率穩(wěn)定精度，靜態(tài)時(shí)一般為177。 在很多場合，都需要提供220VAC、 110VAC 的交流電源。根據(jù)本課題需要，選擇最大功率跟蹤型。它由硬件線路和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。⑤故障診斷定位 當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)檢測故障類型，指示故障位置，為對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)提供方便。 （三）控制器 太陽能控制器 是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其 作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。 在本系統(tǒng)中，采用閥控式密封鉛酸蓄電池 (VRAL 電池 )，具有使用方便和維護(hù)簡單的特點(diǎn)。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。未與公共電網(wǎng)相聯(lián)接的太陽能光 伏發(fā)電系統(tǒng)稱為離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱為獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊處所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村 、牧區(qū)、海島、高原、荒漠的農(nóng)牧漁民提供照明、看電視、聽廣播等的基本生活用電，為通信中繼站、沿海與內(nèi)河航標(biāo)、輸油輸氣管道陰極保護(hù)、氣象臺(tái)站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源。太陽能光伏發(fā)電目前工程上廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器件晶體硅太陽能電池，生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，已進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè) 、農(nóng)業(yè)、科技、文教、國防和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。 太陽 能 電池的伏安特性強(qiáng)烈地隨日照強(qiáng)度 S 和較強(qiáng)烈地隨電池溫度 T 而變化。針對這些問題，近年來開發(fā)了許多新技術(shù)，主要有： ① 單雙層減反射膜； ② 激光刻槽埋藏柵線技術(shù)； ③ 絨面技術(shù)； ④ 背點(diǎn)接觸電極克服表面柵線遮光問題； ⑤ 高效背反射器技術(shù)； ⑥ 光吸收技術(shù)。但禁帶寬度太小也不合適，因?yàn)槟芰看笥诮麕挾鹊墓庾釉诩ぐl(fā)出電子 空穴對后