【導(dǎo)讀】清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)成為人們普遍關(guān)注的焦。點(diǎn)，提高系統(tǒng)的整體效率便成為重中之重。MPPT系統(tǒng)進(jìn)行了建模、仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，得出相應(yīng)結(jié)論；

　　

【正文】 下降至曲線(xiàn) 1，則相物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)會(huì)由 B 變化到 b 點(diǎn)，而實(shí)際情況應(yīng)該是使負(fù)載特性曲線(xiàn)由負(fù)載 2改變至負(fù)載 1，以保證光伏系統(tǒng)在輻照強(qiáng)度發(fā)生變化情況下仍然可以運(yùn)行于最大功率點(diǎn) A。 MPPT 常規(guī)跟蹤算法 MPPT 的本質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)控 制輸出端電壓或其它參數(shù)量，使得光伏陣列在不同的溫度和輻照強(qiáng)度下均能夠輸出最大功率。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的方法很多，常用的 MPPT 方法有：電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀(guān)察法、恒定電壓法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法等。其中，前三種方法在實(shí)際應(yīng)用中較為常見(jiàn)，本章節(jié)主要介紹該三種算法。 恒定電壓法 由上一章節(jié)可知，當(dāng)光伏陣列的輻照強(qiáng)度大于某一定值且溫度變化不大時(shí)，光伏陣列輸出特性曲線(xiàn)上最大功率點(diǎn)基本分散在一條豎直直線(xiàn)的兩邊。如果將光伏陣列輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)電壓的附近，光伏陣列將輸出近似的最大功率，這種控 制方法稱(chēng)之為恒定電壓法 CVT(Constant Voltage Tracking)。研究表明，光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓 Umpp。與光伏陣列的開(kāi)路電壓 Uoc之間存在近似的線(xiàn)性關(guān)系，即 Umpp=kUOC (41) 其中， k 的值取決于光伏陣列的特性，一般 k 的取值大約在 左右。 1 002 03 04 05 05 1 0 1 5 2 0恒 壓 控 制最 大 功 率 跟蹤 軌 跡6 0P / WU / V 圖 42 恒定電壓法示意圖 恒定電壓法本質(zhì)上為一開(kāi)環(huán)的 MPPT 控制算法，其控制容易，實(shí)現(xiàn)快速且最物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 為方便。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以做進(jìn)一步簡(jiǎn)化，故主要應(yīng)用在簡(jiǎn)單光伏發(fā)電系統(tǒng)中如小型太陽(yáng)能草坪燈、獨(dú)立太陽(yáng)能照明系統(tǒng)等方面。但該算法忽略了溫度對(duì)光伏陣列輸出功率的影響，當(dāng)溫度發(fā)生較大變化時(shí)，采用該算法會(huì)使得陣列的輸出功率偏離最大功率點(diǎn)，產(chǎn)生較大的功率損耗。實(shí)際應(yīng)用中，一般可以先采用恒定電壓法來(lái)快速的接近最大功率點(diǎn)附近，再結(jié)合其他算法進(jìn)一步搜索較為精確的最大功率點(diǎn)。這種方法可以減少起始階段對(duì)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域搜索所造成的功率損 失。 恒定電壓法示意圖如圖 42 所示。 擾動(dòng)觀(guān)察法 擾動(dòng)觀(guān)察法 (Perturbation and Observation Algorithm, Pamp。O)是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中 MPPT 控制最常用的算法之一。其原理是每隔一定的時(shí)間增加或減少電壓，并觀(guān)測(cè)其后的功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。這種控制算法一般也采用功率反饋，即使兩個(gè)傳感器對(duì)直流母線(xiàn)電流及其兩端的電壓分別采樣。這種控制方法雖然簡(jiǎn)單方便，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是響應(yīng)速度很慢，只適應(yīng)于那些光照強(qiáng)度變化非常緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這 種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅震蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失；而光照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。 下面對(duì)經(jīng)典的干擾觀(guān)測(cè)法簡(jiǎn)述如下：光伏系統(tǒng)控制器在每個(gè)控制周期用較小的步長(zhǎng)改變光伏陣列的輸出，改變的步長(zhǎng)是一定的，方向可以是增加也可以是減小的，控制對(duì)象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過(guò)程稱(chēng)為“干擾”；然后通過(guò)比較干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過(guò)程，如果檢測(cè)到輸出功率減小，則改變“干擾”的方向。這樣， 光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點(diǎn)，則最終在其附近的一個(gè)較小范圍往復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。若果采用較大的步長(zhǎng)進(jìn)行“干擾”，這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的精度相對(duì)較差，較小的步長(zhǎng)則正好相反。較好的折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的工作點(diǎn)選擇合適的步長(zhǎng)，例如，當(dāng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近時(shí)采用小步長(zhǎng)。 絕大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)，不論其拓?fù)淙绾巫專(zhuān)紩?huì)在光伏陣列輸出上并聯(lián)一個(gè)較大的電容，這個(gè)電容可以作為光伏陣列輸出的濾波器，減小后置電力電子變換裝置導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)諧波。但在應(yīng)用干擾觀(guān)測(cè)法的光伏系統(tǒng)中， 母線(xiàn)電容會(huì)影響MPPT 算法對(duì)天氣變化引起的光照強(qiáng)度波動(dòng)的響應(yīng)速度。 擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下： ① 模塊化控制回路； ② 跟蹤方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易； 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 ③ 對(duì)傳感器精度要求不高。 缺點(diǎn)為： ④ 只能在光伏陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定功率損失； ⑤ 跟蹤步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和響應(yīng)速度無(wú)法兼顧； ⑥ 在特定情況下會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤情況。 擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的流程圖如圖 43 所示。 開(kāi) 始輸出設(shè)置 PVUP計(jì)算功率檢 測(cè) 光 伏 陣 列輸 出 電 壓 、 電流保 持 擾 動(dòng) 方 向 改 變 擾 動(dòng) 方 向P P _ o l dP _ o l d = P是否 圖 43 擾動(dòng)觀(guān)察法流程圖 電導(dǎo)增量 法 電導(dǎo)增量法 (Incremental Conductance)也是一種常用的 MPPT 控制算法，是從光伏系統(tǒng)輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的角度，來(lái)推導(dǎo)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)時(shí)的電導(dǎo)和電導(dǎo)變化率之間的關(guān)系，從而提出的 MPPT 算法。 圖 44 給出了光伏陣列 PU 特性曲線(xiàn)以及 dP/dU 變化示意圖，由圖可知：光 伏陣列的特性曲線(xiàn)是一條單峰值的曲線(xiàn)，且僅存在一個(gè)最大值，在該點(diǎn)處dP/dU=0；當(dāng)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)的左右兩側(cè)時(shí)， dP/dU 則分別大于、小于零。 光伏系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)情況下，系 統(tǒng)輸出功率為 P=UI (42) 將式 (42)兩邊對(duì)光伏陣列輸出電壓 U 求導(dǎo)，故 dUdIUIdUdP ?? (43) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 1 02 03 04 05 06 0d P / d U = 0d P / d U 0d P / D u 00 1 0 1 5 2 05 2 5 U / VP / W 圖 44 光伏陣列 PU 特性及 dP/dU 變化示意圖 開(kāi)始檢測(cè)光伏陣列輸出電壓Un、電流In結(jié)束Ur=Ur?UUr=Ur+?UUr=Ur+?UUr=Ur?UUb=Un Ib=IndU=0dI=0dI0dI/dU=
I/UdI/dU
I/U否是是是否否否否是是 圖 45 電導(dǎo)增量法流程圖 將上式整理后得： UIdUdI ?? (44) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 式中： dI 表示增量前后測(cè)量到的電流差值 dV 表示增量前后測(cè)量到的電壓差值 在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)判斷 (dI/dU+I/U)的值來(lái)判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點(diǎn)。當(dāng)其值為零時(shí)，表明此時(shí)系統(tǒng)處于最大功率點(diǎn)處；當(dāng)其值為正數(shù)時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的左側(cè)；當(dāng)其值為負(fù)數(shù)時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的右側(cè)。 電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。這種控制算法同樣需要對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適應(yīng)于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)會(huì)比較高。電導(dǎo)增量法的控制流 程圖如圖 45 所示。 圖中， Un、 In 為檢測(cè)到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值， Ub、 Ib為上以控制周期的采樣值。這種 MPPT 控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法小。 仿真分析 搭建光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制模型，如圖 46 所示， 圖 46 MPPT 仿真模型 為使得仿真結(jié)果便于分析，仿真中光伏電池的參數(shù)設(shè)置如下：短路電流，開(kāi)路電壓 22V，峰值電流 ，峰值電壓 ，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為 140W。本模型在仿真分析時(shí)， MPPT 模塊部分采用電導(dǎo)增量法。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 在標(biāo)準(zhǔn)狀況 (輻照強(qiáng)度 Sref=l KW/時(shí)、外界溫度 Tref=25℃ )下，系統(tǒng)最大功率跟蹤效果圖如圖 47 所示。 05 01 0 01 5 00 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時(shí) 間 t / s功率P/W081 60 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時(shí) 間 t / s電壓U/V2 01 24 (a)系統(tǒng)輸入、輸出功率 (b)光伏陣列輸出電壓0480 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時(shí) 間 t/s電流I/A6202 04 00 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時(shí) 間 t/s電流I/A3 01 0 (c)光伏陣列輸出電流 (d) Boost 變換器輸出電壓 圖 47 標(biāo)準(zhǔn)狀況下光伏系統(tǒng) MPPT 仿真結(jié)果 圖中系統(tǒng)輸入功率和輸出功率分別表示光伏陣列的輸出功率和負(fù)載上的功 率。由圖 47(a)中可以看出系統(tǒng)大約在 時(shí)達(dá)到最大功率穩(wěn)定點(diǎn)；圖 47(b)、(c)為光伏電池輸出電壓 ()、電流 ()，且均在廠(chǎng)家給出參數(shù)的波動(dòng)范圍內(nèi)；圖 47(d)為 Boost 變換器輸出電壓，約 ，與 相比，升壓后大約放大 倍。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 第五章 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究 光伏發(fā)電并網(wǎng)的必要性 與孤立運(yùn)行的的太陽(yáng)能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽(yáng)能光伏發(fā)電帶來(lái)諸多好處。 1． 不必考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的問(wèn)題； 2． 光伏電池可以始終運(yùn)行在最大運(yùn)行功率點(diǎn)處，有大電網(wǎng)來(lái)接納由太陽(yáng)能所發(fā)的全部電能，提高了太陽(yáng)能發(fā)電的效率； 3． 省略了蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，降低了 蓄電池充放電過(guò)程中的損失，免除了由于存在蓄電池而帶來(lái)的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也消除了處理廢舊蓄電池帶來(lái)的間接污染。 在工業(yè)化國(guó)家的大多數(shù)地區(qū)，可以將通用電網(wǎng)作為備用電源，不必再用昂貴的蓄電池貯能，還可將太陽(yáng)能電池陣列過(guò)剩的電力賣(mài)出，并入通用電網(wǎng)。對(duì)于光伏中心發(fā)電站來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)是很自然的事情；對(duì)于小型的、以住宅為基本單元的系統(tǒng)并網(wǎng)用經(jīng)濟(jì)上考慮也有吸引力，這樣，通用電網(wǎng)在某種意義上充當(dāng)了光伏電能的貯存媒介。它把一個(gè)國(guó)家某個(gè)地區(qū)、全國(guó)甚至跨國(guó)的所有發(fā)電廠(chǎng)與用戶(hù)聯(lián)系起來(lái)。這樣的電網(wǎng)是一個(gè)相當(dāng)可靠的交流電壓源。因 此，將光伏陣列發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)是具有十分重要的意義。 光伏并網(wǎng)條件與并網(wǎng)電路原理 光伏陣列的輸出電能與通用電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步并網(wǎng)的關(guān)鍵是要求輸出的正弦交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相。而光伏陣列的輸出電流是直流電，因此必須要有相應(yīng)的DCDC 變換和 DCAC 變換。光伏并網(wǎng)工作的電路原理圖如圖 51 所示，其中 U2是通用電網(wǎng)的電壓， U1 是并網(wǎng)逆變器輸出的高頻 SPWM 電壓波， L 為串聯(lián)電抗器， I 為送入電網(wǎng)的電流， R 為線(xiàn)路等效電阻。 為保證送入電網(wǎng)為單位功率因數(shù)，并入電網(wǎng)的電流 I 的相位須與電網(wǎng)電壓的相位保持一致 。若以電網(wǎng)電壓 U2 為零相位，則 I 與 U2 同相位，由于純電阻并不改變電壓與電流的相位差，因此等效電阻 R 上的電壓 UR與電網(wǎng)電壓相位是一致的，但由于電抗器 L 的電感性，