【正文】 下的IV特性曲線如圖34所示: 圖34 不同日照強度下的太陽能電池板的IV特性曲線 由圖34可以看出在一定的溫度下，隨著太陽光照強度的增加，太陽能電池板輸出電流增加比較大，而輸出電壓變化卻比較小，可以看出光照強度對太陽能電池輸出電流的影響比較大。 在特定的太陽光照強度下，太陽能電池板的輸出電壓直接受到環(huán)境溫度的影響，太陽能電池在不同的溫度下的IV特性曲線如圖36所示： 圖36 不同溫度下太陽能電池板的IV特性曲線 由上圖可以看出在一定的光照強度下，隨著溫度的變化，太陽能電池板輸出電壓變化比較大，輸出電流變化比較小，隨著溫度的增加，輸出電壓在減小，輸出電流在增加。在一定的光照強度下，隨著溫度的升高，太陽能電池板輸出的功率也會相應地減小。在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在輸出某一電壓值時，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這是光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(Maximum Power Point, MPP)。 MPPT算法的原理 最大功率點跟蹤控制(MPPT)策略通過不斷地檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，運用控制算法來估算當前情況下系統(tǒng)輸出的最大功率，通過調整當前的負載阻抗匹配來實現(xiàn)最大功率輸出。 圖41 MPPT基本原理示意圖 為便于說明，圖41給出了光伏陣列工作于不同輻照強度條件下的兩組輸出特性曲線IU，A點和B點分別為特性曲線1和特性曲線2的最大功率輸出點。此時如果保持負載1不變，光伏系統(tǒng)將會運行到a點，這樣便會偏離新條件下的系統(tǒng)最大功率點B。同理，如果輻照強度的變化使得特性由曲線2下降至曲線1，則相對應的工作點會由B變化到b點，而實際情況應該是使負載特性曲線由負載2改變至負載1，以保證光伏系統(tǒng)在輻照強度發(fā)生變化情況下仍然可以運行于最大功率點A。實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制的方法很多，常用的MPPT方法有：電導增量法、擾動觀察法、恒定電壓法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法等。 恒定電壓法 由上一章節(jié)可知，當光伏陣列的輻照強度大于某一定值且溫度變化不大時，光伏陣列輸出特性曲線上最大功率點基本分散在一條豎直直線的兩邊。研究表明，光伏陣列的最大功率點電壓Umpp。 圖42 恒定電壓法示意圖恒定電壓法本質上為一開環(huán)的MPPT控制算法，其控制容易，實現(xiàn)快速且最為方便。但該算法忽略了溫度對光伏陣列輸出功率的影響，當溫度發(fā)生較大變化時，采用該算法會使得陣列的輸出功率偏離最大功率點，產(chǎn)生較大的功率損耗。這種方法可以減少起始階段對遠離最大功率點區(qū)域搜索所造成的功率損失。 擾動觀察法 擾動觀察法(Perturbation and Observation Algorithm, Pamp。其原理是每隔一定的時間增加或減少電壓，并觀測其后的功率變化方向，來決定下一步的控制信號。這種控制方法雖然簡單方便，且易于硬件實現(xiàn)，但是響應速度很慢，只適應于那些光照強度變化非常緩慢的場合。下面對經(jīng)典的干擾觀測法簡述如下：光伏系統(tǒng)控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減小的，控制對象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”；然后通過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”過程，如果檢測到輸出功率減小，則改變“干擾”的方向。若果采用較大的步長進行“干擾”，這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達到穩(wěn)態(tài)后的精度相對較差，較小的步長則正好相反。絕大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)，不論其拓撲如何讓，都會在光伏陣列輸出上并聯(lián)一個較大的電容，這個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致的開關諧波。擾動觀測法的優(yōu)點總結如下：1　 模塊化控制回路；2　 跟蹤方法簡單，實現(xiàn)容易；3　 對傳感器精度要求不高。擾動觀測法的流程圖如圖43所示。 圖44給出了光伏陣列PU特性曲線以及dP/dU變化示意圖，由圖可知：光伏陣列的特性曲線是一條單峰值的曲線，且僅存在一個最大值，在該點處dP/dU=0；當系統(tǒng)工作于最大功率點的左右兩側時，dP/dU則分別大于、小于零。當其值為零時，表明此時系統(tǒng)處于最大功率點處；當其值為正數(shù)時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的左側；當其值為負數(shù)時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的右側。這種控制算法同樣需要對光伏陣列的電壓和電流進行采樣。但是對硬件要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個部分響應速度都要求比較快，因而整個系統(tǒng)的硬件造價會比較高。圖中，Un、In為檢測到光伏陣列當前電壓、電流值，Ub、Ib為上以控制周期的采樣值。 仿真分析 搭建光伏陣列的最大功率點跟蹤控制模型，如圖46所示， 圖46 MPPT仿真模型 為使得仿真結果便于分析，仿真中光伏電池的參數(shù)設置如下：，開路電壓22V，其標準功率約為140W。 在標準狀況(輻照強度Sref=l KW/時、外界溫度Tref=25℃)下，系統(tǒng)最大功率跟蹤效果圖如圖47所示。由圖47(a)；圖47(b)、(c)為光伏電池輸出電壓()、電流()，且均在廠家給出參數(shù)的波動范圍內；圖47(d)為Boost變換器輸出電壓。1． 不必考慮負載供電的穩(wěn)定性和供電質量的問題；2． 光伏電池可以始終運行在最大運行功率點處，有大電網(wǎng)來接納由太陽能所發(fā)的全部電能，提高了太陽能發(fā)電的效率；3． 省略了蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，降低了蓄電池充放電過程中的損失，免除了由于存在蓄電池而帶來的運行與維護費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。對于光伏中心發(fā)電站來說，并網(wǎng)是很自然的事情；對于小型的、以住宅為基本單元的系統(tǒng)并網(wǎng)用經(jīng)濟上考慮也有吸引力，這樣，通用電網(wǎng)在某種意義上充當了光伏電能的貯存媒介。這樣的電網(wǎng)是一個相當可靠的交流電壓源。 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)實現(xiàn)同步并網(wǎng)的關鍵是要求輸出的正弦交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相。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為線路等效電阻。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，使其兩端的電壓UL落后于UR90186。在實際的電路設計應用中，電網(wǎng)電壓U2的周期、幅值和相位可由電壓傳感器檢測獲得。 圖51 光伏并網(wǎng)的電路原理 光伏逆變器 光伏逆變器是光伏并網(wǎng)的核心部件，主要完成光伏陣列輸出的直流到交流的變換。 基于PWM技術的逆變器原理 逆變器主電路結構如圖52所示。在50或60Hz頻率下，同步交替地接通V1/V4或V2/V3。圖53為180186。導通型的方波電壓信號。脈沖波形比較容易得到，但它卻包括大量的三次和五次諧波。脈沖包含較少的諧波，特別是它不包含三次諧波。圖53 逆變器180186。脈沖電壓信號圖54 脈寬調制型輸出電壓信號 基于PWM技術的逆變器就是通過對脈沖寬度進行調制將直流電壓變換成交流正弦波的裝置。圖54為脈寬調制型輸出電壓信號。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器控制方式 逆變器與市電并聯(lián)運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制。但由于鎖相回路的響應較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，如果不采取特殊措施，一般來說同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運行方式不易獲得優(yōu)異性能。由于其控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。圖55逆變器結構圖圖56逆變器矢量關系圖 C是直流側支撐電容，相當于電壓源，L是交流側電感，抑制輸出電流的過分波動，同時起到濾波的作用，將開關動作產(chǎn)生的高頻電流成分濾掉。 并網(wǎng)控制策略 太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略進行并網(wǎng)控制。圖57并網(wǎng)控制框圖 將實際檢測到的電容電壓與給定的電容電壓相比較，差值經(jīng)過調節(jié)器，得到電流環(huán)的給定并網(wǎng)電流的幅值，此幅值與經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓的頻率和相角同步信號相結合，得到并網(wǎng)電流的給定信號，此給定電流再與實際檢測到的電流相比較，差值經(jīng)過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，得到全橋逆變器的功率器件的開關信號，控制功率器件開通和關斷，使并網(wǎng)電流在指定的范圍以內變化。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型中，用一交流電壓源代替電網(wǎng)電壓，其電壓有效值為220V，頻率為50Hz。用幅值為1，頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同的正弦信號作為電流環(huán)給定電流的同步信號，并網(wǎng)電流的給定值和反饋回來的并網(wǎng)電流相比較，差值經(jīng)過兩個滯環(huán)比較器，產(chǎn)生4路控制全橋逆變電路開關器件的開關信號，為了防止同一橋臂上兩個開關器件同時導通。結果如圖59所示： 圖59 電容電壓波形 (a) 電網(wǎng)電壓波形 (b) 并網(wǎng)電流波形 圖510并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的比較圖 由圖59可以看出，電容電壓最終達到給定的350V。 從以上的仿真波形可以看出，電容電壓穩(wěn)定在給定電壓值處，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，驗證了并網(wǎng)控制策略的理論分析。具體包括：1． 太陽能電池的輸出功率受日照強度、溫度及光電池材料等因素影響很大，且其與輸出電壓及電流間的關系呈非線性。2． 為提高整體效率，使光伏陣列輸出功率最大化，對最大功率點跟蹤原理進行了簡單分析，并且介紹了目前幾種比較常用的最大功率點跟蹤算法，如恒定電壓法，電導增量法、擾動觀測法。 展望 本文以一個完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對涉及到的主要部分作了詳細的分析與仿真研究。同時，在MPPT控制算法上需要做進一步的改進，目前己有很多學者提出基于模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡的搜索算法，可以嘗試這些新的算法，以進一步提高控制精度。潘老師在我的論文研究工作中給予了大量的、極其有益的建議和具體的指導，并在論文的撰寫和審稿中傾注了大量的心血。 此外，近四年的學習中，我的家人和朋友們給了我很多的鼓勵和支持，謝謝你們。 最后，向所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友表示由衷的感謝！衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師！35