单相离网光伏逆变器的研究

毕业设计 （ 论文 ）题 目 单相离网光伏逆变器的研究专 业 电气工程及其自动化班 级 电气 083 班学 生 樊 泰指导教师 孙向东（教授）2012 年西安理工大学本科生毕业设计（论文）单相离网光伏逆变器的研究专业电气工程及其自动化班级电气 083 班作者指导教师 职称教授答辩日期 2012-06-21 摘 要随着世界经济的快速发展，能源需求激增，能源危机和环境污染问题日益严重，大力发展可再生能源已经迫在眉睫。光伏发电作为一种绿色的可再生能源发电技术，目前已经得到世界各国政府的重视。单相离网光伏发电作为光伏发电应用领域之一，具有其特有的研究价值。首先，详细分析了最大功率点跟踪的各种方法及不同电路拓扑、蓄电池充放电控制的几种方法、升压电路各种拓扑的特点和适用范围，设计了比较适合本系统要求的电路及控制方法。整个系统可简单描述为单块光伏组件通过 Buck 电路， 采用开路电压法进行最大功率点跟踪并给蓄电池充电；再利用推挽升压电路抬升蓄电池 12V 电压至 350V 直流电压；然后通过单相全桥逆变电路将直流电压逆变为频率可调、占空比可调的低频方波输出电压。其次， 设计了 Buck 电路参数， 并确定了 Buck 电路电感具体绕制方法。设计了推挽电路高频变压器参数， 并确定了具体绕制方法。 利用 PSIM 仿真软件对光伏组件最大功率点跟踪控制、逆变电路的移相方波控制做了仿真研究。最后，对离网光伏发电系统中的光伏逆变器环节进行了实验研究，设计了印制电路板，编制了 XC866 单片机程序，对逆变电路进行了调试，实樊泰单相离网光伏逆变器的研究验结果验证了设计的可行性。关键词 离网光伏发电、最大功率点跟踪、 Buck 电路、推挽电路、移相方波控制西安理工大学本科生毕业设计（论文）Abstract With the rapid development of the world economy, Energy demand increases rapidly. The problems of energy crisis and environmental contamination are growing, so it is very important to develop the renewable energies. Photovoltaic power as a green renewable energy has gained the governments ’ attention around the world. A single-phase off-grid photovoltaic power generation system as one of its applications has its unique research value. Firstly, the various maximum power point tracking methods, different circuit topology, several charging and discharging control methods for the lead-acid battery and the characteristics and scope of the boost circuit topology are analyzed in detail. The circuit and control method suitable for the system requirement are designed. The entire system can be simply described as a single PV panel is controlled by a buck chopper using open-circuit voltage method to track the maximum power point and to charge the battery. Then the battery 12V voltage is uplifted to 350V DC voltage by push-pull booster circuit. Finally, DC voltage is modulated by a single-phase full-bridge inverter to generate the low-frequency square-wave output voltage with the adjustable frequency and duty ratio. Secondly, the parameters of the buck circuit are designed and the specific winding method of its inductor is determined. The parameters of the high-frequency transformer for the push-pull circuit is also designed and its specific winding method is also determined. Maximum power point tracking control and the phase-shifted square-wave control of the inverter are simulated by PSIM simulation software. Finally, the inverter in the off-grid photovoltaic power generation system is 樊泰单相离网光伏逆变器的研究studied by the experiments. Printed circuit board is designed. The softwareprogram based on XC866 microcontroller is compiled. The experiment is carried out, the experimental results verify the design is right. Keywords Off-grid photovoltaic power generation, Maximum Power Point Tracking, Buck circuit, Push-pull circuit, Phase-shifted square-wave control 西安理工大学本科生毕业设计（论文）I 目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 11.1.1 全球能源危机与环境问题 11.1.2 我国光伏发电现状 21.2 光伏发电系统概述 31.2.1 离网光伏发电系统 31.2.2 并网光伏发电系统 41.2.3 混合型光伏发电系统 41.3 光伏逆变器的国内外研究现状 51.3.1 国外逆变器现状 51.3.2 国内逆变器现状 61.4 本课题主要研究内容 7第 2 章 光伏组件特性 82.1 光伏电池的基本原理和等效电路 82.1.1 光伏电池的基本原理 82.1.2 光伏电池等效电路 92.2 光伏组件的几个重要参数 102.3 环境对光伏组件的影响 102.3.1 光照对光伏组件的影响 102.3.2 温度对光伏组件的影响 112.4 本章小结 . 12第 3 章 离网光伏发电系统总体设计 133.1 系统总体设计要求 133.2 系统各模块分析及比较 133.2.1 最大功率点跟踪方法分析及比较 . 13樊泰单相离网光伏逆变器的研究II 3.2.2 最大功率点跟踪电路分析及比较 . 183.2.3 蓄电池充放电方法分析及比较 223.2.4 升压电路分析及比较 263.3 单相全桥逆变电路分析 293.4 系统整体方案确定 303.5 本章小结 . 31第 4 章 系统参数设计及仿真 324.1 最大功率点跟踪部分参数设计及仿真 . 324.1.1 Buck 电路参数设计 . 324.1.2 Buck 电路电感设计 . 344.1.3 最大功率点跟踪部分仿真电路 354.1.4 最大功率点跟踪部分仿真结果 364.2 推挽升压及全桥逆变部分参数设计及仿真 . 404.2.1 高频变压器设计 404.2.2 RCD 缓冲电路设计 . 434.2.3 推挽升压和逆变部分仿真电路 444.2.4 推挽升压和逆变部分仿真结果 454.3 本章小结 . 48第 5 章 升压和逆变部分硬件设计 495.1 系统总体设计方案 495.2 逆变电路调制方式说明 495.3 控制系统软件设计 505.4 实验验证 . 525.5 印制电路板设计 565.6 本章小结 . 58第 6 章 总结与展望 596.1 总结 . 59西安理工大学本科生毕业设计（论文）III 6.2 展望 . 59致 谢 60附 录 61参考文献 62西安理工大学本科生毕业设计（论文）1 第 1章 绪论1.1课 题研究的背景和意义1.1.1 全球能源危机与环境问题能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础，是世界经济的血液，也是影响国家安全的重要因素。 随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增加。目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气、水与核能等一次能源为主。然而化石能源储量正在日趋枯竭，并且使用过程中会产生大量二氧化碳，引起温室效应，使得全球变暖。水能为可再生清洁能源，但受环境因素和地域因素影响较大，而且初期投资大，破坏水生物的栖息地，所以不太可能全部开发；核能发电会产生大量的放射性物质，万一泄漏会对生态和人类造成极为严重伤害，所以不适于大力发展。在人类社会进入了 21 世纪后，物质文明已经达到了空前繁荣，要使人类社会不断地可持续发展，能源问题和环境污染这两大挑战摆在人类面前，成为亟待解决的问题。我国经济正处在一个飞速发展的时期，能源需求量在未来几十年仍将快速增加。在今后 15 年左右和更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现建设小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。目前，我国的能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的 76，已成为我国大气污染的主要来源。因此可以说，我国大气污染的主要原因是由于能源结构不合理和能源利用技术水平低造成的。开发利用可再生能源，改变能源结构是我国能源战线上十分艰巨而紧迫的任务。新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界日益严重樊泰单相离网光伏逆变器的研究2 的环境污染和资源匮乏等问题具有十分重要的意义。太阳能光伏发电作为新能源的重要组成部分，有着巨大的开发应用潜力。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有储量的无限性，存在的普遍性，开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用是最终解决常规能源，特别是化石能源带来的能源短缺，环境污染和温室效应等问题的有效途径。太阳能开发利用必将在 21 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为 21 世纪后期的主导能源之一 【 1】 。1.1.2 我国光伏发电现状2010 年， 我国的光伏电池产量约占全球总产量的 50， 排名世界第一。与此形成巨大落差的是，我国生产的光伏电池出口比例保持在 95左右，真正在国内安装并提供绿色电力的少之又少。 世界能源统计回顾 2011 报告显示，中国的光伏发电装机容量 2010 年末为 893 兆瓦，占世界的份额仅为 2.2。真正享受太阳能这一清洁能源之利的，依然是欧美和日本。 世界能源统计回顾 2011报告显示，到 2010 年末，欧洲累计安装 29617.145兆瓦，占世界光伏发电装机总容量的 74.5。 以国家而论， 世界最大的光伏发电国家是德国， 2010 年末装机容量高达 17320 兆瓦，占世界份额的 43.5；西班牙和日本装机容量分别为 3892 兆瓦和 3617.2兆瓦， 占世界的份额为 9.8和 9.1；意大利、美国分居世界第四和第五位，占世界的份额为 8.8和6.3。凭借海外市场的旺盛需求，我国的光伏产业得以迅猛发展。据统计，中国目前从事光伏产业的企业数量接近 600 家，涌现出无锡尚德、保定英利、济南力诺等知名企业；从业人数约为 30 万人，形成了包括高纯多晶硅制造、硅锭和硅片生产、电池制造、光伏组件封装以及光伏系统应用等较为完整的产业链，生产工艺和相关技术得到大幅提升。但是，出口为主的格局导致中国光伏产业发展严重依赖国际市场。一西安理工大学本科生毕业设计（论文）3 旦国际市场出现大的波动， 势必影响整个产业链的健康发展。 在 2008、 2009年的国际金融危机和近年来的欧洲债务危机中，表现得尤其明显，许多企业叫苦不迭 【 2】 。由以上分析可知，只有国内大规模应用光伏电池，鼓励设计、生产光伏系统才会逐步改变尴尬现状，这就是本课题的意义所在。1.2光 伏发电系统概述一般而言，光伏发电系统是指利用光伏组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。根据光伏发电系统是否与电网连接，可将光伏发电系统分为离网光伏发电系统、 并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统三类。1.2.1 离网光伏发电系统离网光伏发电系统结构如图 1- 1 所示， 一般由光伏阵列、 DC/DC 电路、蓄电池、 DC/AC 电路和控制器等组成。离网光伏系统发电中，为保证稳定性和运行效率，系统必须配备蓄电池来储存和调节电能，当在夜晚或日光不强等外在条件影响下，光伏阵列不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。当日光充足时，光伏阵列输出多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能。光伏阵列 蓄电池控制器交流负载DC/ACDC/DC直流负载图 1- 1 离网光伏发电系统框图樊泰单相离网光伏逆变器的研究4 1.2.2 并网光伏发电系统并网光伏发电系统如图 1- 2 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中 DC/AC 电路起很重要的作用，要求具有与电网平滑连接功能。目前，常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同处在于是否带有蓄电池作为储能环节。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，这类系统工作时，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能。当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照，光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间负载所需电能由电网提供。带有蓄电池储能环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统。由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使系统具有不间断电源的作用。这对于一些重要负荷，甚至某些家庭用户的紧急情等来说具有重要意义。另外，该系统还可以充当功率调节器，起到稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量，从而提高电能质量等作用。光伏阵列蓄电池控制器交流负载DC/ACDC/DC 电网电网图 1- 2 并网光伏发电系统框图1.2.3 混合型光伏发电系统光伏发电系统与其他发电系统，如风力发电、燃料电池发电等组合而西安理工大学本科生毕业设计（论文）5 成的系统称为混合型发电系统。如果将其与电力系统并网，则成为混合并网发电系统。该系统适合于光伏电池电力输出不稳定，需要使用其他能源作为补充的情况。1.3光 伏逆变器的国内外研究现状1.3.1 国外逆变器现状近几年，随着西班牙、德国、美国、意大利等国对本国光伏产业的大力扶持，全球光伏逆变器销售不断增加，光伏逆变器进入一个快速增长的阶段。全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头所瓜分，他们具有成熟的技术和产品，同时欧洲作为全球市场的兴起区域，其本土的逆变器发展在世界上独占鳌头，国际上的主要光伏逆变器厂家如表 1- 1 所示。表 1- 1 全球主要光伏逆变器供应商概括樊泰单相离网光伏逆变器的研究6 SMA 、 KACO 、 Fronius、 ingeteam、 Siemens占全球市场份额 70，逆变器先行者德国 SMA 的 2009 年市场占有率为 44，销售额 9.3 亿欧元，逆变器出货量达 3.4GW， 2010 年销售额达到 11 亿 l3 亿欧元，同比增长1840。传统光伏逆变器厂商纷纷扩充产能，建设完善渠道，同时传统电气、自控等工业巨头也加速进入新能源逆变器市场。1.3.2 国内逆变器现状我国从 20 世纪 80 年代起开始对光伏逆变器进行研究和开发，现在已有专门的公司研究和开发生产并网逆变器。 由于终端市场启动时间比较晚，国内光伏逆变器厂商普遍规模较小，结构、工艺、做工，性能稳定性等指标跟国外一流企业有一定的差距。目前，国内生产逆变器的厂家众多，专业研究和开发光伏发电系统逆变器的厂家并不多。具有大规模生产能力企业的光伏逆变器技术和产量已经呈现逐年上升趋势，有些企业已经成功研发大型逆变器。由于光伏逆变器生产成本低、技术成熟、产品性能稳定的供应商少，因此逆变器毛利率可维持在 3540。随着大规模光伏系统电站的安装，以及光伏逆变器投资者的不断增加，毛利率一定会下降，但大型并网逆变器的品质还需要市场的考验。同时国家 “ 金太阳工程 ” 的启动大大推动国内逆变器厂家的发展，未来光伏市场的巨大空间将会给国内企业带来历史机遇。国内逆变器厂家供应商概况如表 1- 2 所示 【 3】 。表 1- 2 国内逆变器厂家供应商概况西安理工大学本科生毕业设计（论文）7 1.4本 课题主要研究内容并网光伏发电是未来光伏发电的主流，但是离网光伏发电以其特有的优点应用于无电区，如国内的偏远山区、交通哨所、通讯、国防、石油等领域。单相离网光伏发电逐步应用于路灯照明、信号灯指示和农业杀虫等领域。单相离网光伏逆变器包括方波输出电压和正弦波输出电压类型，本次设计用于农业杀虫等领域， 针对单块光伏电池组件和 12V 蓄电池进行控制，利用 PSIM 仿真软件进行光伏组件最大功率点跟踪控制、 方波输出电压类型逆变器的仿真研究，并制作逆变器部分的实验样机进行实际调试。本次毕业设计具体内容为采用最大功率点跟踪控制方法对蓄电池充电， 需要比较、 选择跟踪控制方法，比较、选择跟踪电路，并进行仿真研究。要用到蓄电池，需要比较、选择蓄电池充放电控制策略。要对蓄电池电压进行抬升，需要比较、选择升压电路，并进行实验验证。升压电路采用高频变压器进行升压，需要设计高频变压器参数。逆变输出方波电压频率从 3060Hz 可调，脉冲宽度从 545可调，需要通过仿真进行验证设计的正确性，实验验证设计的可操作性。需要对实验部分设计印制电路板。樊泰单相离网光伏逆变器的研究8 第 2章 光伏组件特性要设计光伏发电系统，理解光伏组件特性是必不可少的，本章就对这一方面知识做一介绍。2.1光 伏电池的基本原理和等效电路2.1.1 光伏电池的基本原理光伏电池是以半导体 PN 结上接收太阳光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转换成电能的一种半导体器件。所谓光生伏打效应是指物体吸收光能后，其内部传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。如图 2- 1 所示，当太阳光照射到光伏电池表面时，光伏电池内部的 N区和 P 区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，当光子能量大于禁带宽度Eg 能量时，电子就脱离共价健的束缚从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，这样内部就产生很多处于非平衡状态的电子一空穴对。这些被光激发的电子的运动是不定向的，如果电子重新返回价带与空穴复合，把吸收的能量释放掉，恢复到了平衡状态，对外不呈现导电作用。所以希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到 PN 结区， 通过 PN 结对少数载流子的牵引作用漂移到对方区域， 对外形成与 PN 结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外围电路，电流就从后电极流向前电极。如果要想得到更大的输出功率，就得把很多个这样小的光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件。西安理工大学本科生毕业设计（论文）9 --后电极（ ）防反射层前电极（ - 日光 IV日光 III日光 II日光 I电流P区N区P-N结图 2- 1 光伏电池工作原理2.1.2 光伏电池等效电路太阳能电池理想等效电路如图 2- 2 所示，由恒流发生器、二极管和负载电阻组成。它相当于一个电流为 Iph的恒流源与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流在太阳电池中成为暗电流 Id。 从负载两端可以看到产生暗电流的正向电压，流过负载的电流为 I 。 Rsh为旁路电阻，主要由下面几种因素引起表面玷污而产生的沿着电池边缘的表面漏电流；沿着位错和晶粒间界的不规则扩散或者在电极金属化处理之后，沿着微观裂缝、晶粒间界和晶体缺陷等形成的细小桥路产生的漏电流。 Rs 为串联电阻，是由扩散顶区的表面电阻、电池的体电阻和上下电极与太阳电池之间的欧姆电阻及金属导体的电阻三者构成的 【 4】 。IphIRshId IshRsU-图 2- 2 光伏电池等效电路樊泰单相离网光伏逆变器的研究10 2.2光 伏组件的几个重要参数短路电流 Isc 给定日照强度和温度下的最大输出电流。开路电压 Uoc 给定日照强度和温度下的最大输出电压。最大功率点电流 Im 给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。最大功率点电压 Um 给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压。最大功率点功率 Pm 给定日照强度和温度下光伏阵列输出的最大功率。IUOImIscUocUmPm图 2- 3 光伏组件的几个重要参数2.3环 境对光伏组件的影响2.3.1 光照对光伏组件的影响图 2- 4 是根据上面的等效电路在不同辐射强度下的输出特性，从图中可以看出，光伏组件的短路电流与辐照强度成正比，随着辐射强度的增加而增加，开路电压随辐射强度的变化并不大，但是影响的趋势仍然是随着辐射强度的增加，开路电压略有增加。西安理工大学本科生毕业设计（论文）11 U/VOI/A5.0252015105S1000W/m2800600光伏阵列温度 25oC图 2- 4 不同光照下的 I/U 关系曲线图 2- 5 反映了光照对光伏组件输出特性的影响，可以看出辐射强度对光伏组件的输出功率影响很大，随着辐射强度的增加，输出功率迅速增加。U/VOP/W100252015105406080201000W/m2800W/m2600W/m2400W/m2200W/m2图 2- 5 不同光照下的 P/U 关系曲线2.3.2 温度对光伏组件的影响图 2- 6 反映了温度对光伏组件输出特性的影响，随着温度的升高，短路电流稍有增加， 但是增加的幅度很小， 实验表明增长率大概是 0.07％ /K，温度对光伏的开路电压影响很大，开路电压随着温度的升高而降低，这种降低率大概是 0.4％ /K，组件的输出功率随着温度的升高而降低，降低率大概是 0.40.5％ /K 。图 2- 6、图 2- 7 分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000W/m2 和在变化温度 T的情况下，表现出典型的 I-V 和 P-V 特性。可樊泰单相离网光伏逆变器的研究12 以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图 2- 7 各实线的波峰的幅值变化 【 5】 。U/VOI/A5.0252015105S1000W/m225oC50oC0oC图 2- 6 不同温度下的 I/U 曲线U/VOP/W100252015105406080201000W/m20oC25oC50oC图 2- 7 不同温度下的 P/U 曲线2.4本 章小结本章从光伏发电的基本知识入手，介绍了光伏电池的基本原理和等效电路。从应用层面介绍了光伏组件的几个重要参数，光照和温度等环境对光伏组件输出特性的影响。西安理工大学本科生毕业设计（论文）13 第 3章 离网光伏发电系统总体设计3.1系 统总体设计要求单相离网光伏逆变器包括方波输出电压和正弦波输出电压类型，本次设计用于农业杀虫等领域， 针对单块光伏电池组件和 12V 蓄电池进行控制，逆变输出方波电压频率可调，脉冲宽度可调。具体要求如下 输入部分单块光伏组件，其额定参数见表 3- 1。中间直流部分铅酸蓄电池，电压 12V，容量 65Ah。输出部分 350V 方波电压，频率 3060Hz 可调，脉宽 545可调。表 3- 1 光伏组件额定参数额定峰值功率 Pm 85W 开路电压 Voc 22V 短路电流 Isc 5.15A 最大功率点电压 Vm 16.72V 最大功率点电流 Im 5.08A 3.2系 统各模块分析及比较3.2.1 最大功率点跟踪方法分析及比较光伏发电系统的主要缺点，一是光伏发电的成本太高，二是太阳能电池的光电转换效率太低。为了解决这些问题，一方面要靠研制价格低廉并且能量转换效率高的光电材料，另一方面要在逆变器控制上实现太阳能电池的最大功率输出。光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光樊泰单相离网光伏逆变器的研究14 伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点是输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点 maximum power point， MPP。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率的重要途径是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪 maximum power point tracking， MPPT。目前，对最大功率点跟踪方法的研究很多，很多文献都提出了不同的MPPT 方法，例如恒压法、曲线拟合法、开路电压法、短路电流法、扰动观察法和电导增量法等。针对以上提到的几种方法，下文做简要的介绍。a. 恒定电压法同一温度、不同光照强度下光伏电池的输出 P-U 特性曲线如图 2- 5 所示。由图可知光伏电池的 P-U 特性为一簇非线性曲线，但是不难看出，这一簇特性中不同光照强度下的最大功率点所对应的电压近似相等，因此，基于这一点，有文献提出了采用恒压跟踪（ CVT ）的方法，近似地实现了MPPT ，这种方法的优点是硬件电路简单，控制简单。但是这种方法又有着无法回避的缺点，不同温度下的最大功率点所对应的电压相差很大，所以当温度变化时， 如果仍然采用 CVT 的方法， 就无法实现最大功率点跟踪，造成了能量的浪费。但是由于温度的变化相对与光照强度变化相比相对缓慢，它基本是随着季节的变化而缓慢变化的，所以有文献提出，根据不同的季节改变恒压法的基准，从而以适应温度的变化。因为实际上环境温度在每天都在缓慢地变化，但是又没法每天调整恒压的基准，所以这依然不能从根本上解决能量浪费的问题。因此可以说恒压法具有较大局限性。b. 曲线拟合法曲线拟合法是根据光伏电池的 P-U 曲线拟合出功率对电压的一个函数，如式 3-1 所示，然后根据这个函数求出其最大功率点所对应的电压西安理工大学本科生毕业设计（论文）15 值 Um，如式 3-2 所示，然后以这个 Um电压值为基准去控制光伏电池的输出。3 2P aU U cU d b 3-1 2Um-b 3 / 3b ac a- 3-2 式中， P 为光伏电池的输出功率， U为光伏电池输出电压， Um为最大功率点对应的电压， a、 b、 c、 d 为拟合函数的系数。曲线拟合法可以精确地找出最大功率点，但是这种方法的缺点是需要了解光伏电池精确的物理特性，而各个光伏电池的特性又因为不同的厂家而不一致，不具备通用性，并且即使知道了电池的特性，但是随着外界环境的变化，最大功率点也在变化，所以曲线拟合法应用得较少。c. 开路电压法当光照强度和温度变化时，光伏电池的最大功率点所对应的电压和其开路电压之间总存在着一个近似的比例关系，如图 2- 7 所示，开路电压法就是根据光伏电池的这个特性来进行最大功率点跟踪的。具体做法为通过间歇地检测光伏电池的开路电压，使其乘以一定的系数（通常在0.7 0.8 之间）来确定当时日照和温度条件下的最大功率点所对应的电压，并以此作为基准，让光伏电池的输出电压跟踪此电压来实现 MPPT。这种策略在不同温度条件下对最大功率点跟踪比恒压法有了很大的改善，但是这种方法需要间歇使光伏电池工作在开路状态去检测其开路电压，然后计算出最大功率点所对应的电压。所以在光伏电池开路，检测其电压的这段时间间隙中，光伏电池无法向外输出能量。并且在两次检测开路电压的时刻之间，存在一段时间，如果在这段时间里，温度变化，最大功率点发生偏移，而这段时间内却还以上一次计算出的电压作为基准，那么这段时间内光伏电池并没有工作在最大功率点上，从而造成了能量的损失。所以严格来讲，这种策略仍然不是真正的 MPPT ，而是近似地实现了 MPPT的功能。樊泰单相离网光伏逆变器的研究16 d. 短路电流法短路电流法和开路电压法相似，是基于光伏电池的短路电流和其最大功点的电流之间存在的一个相对固定的比例关系。短路电流法也是通过间歇地检测光伏电池的短路电流，然后根据此电流来确定当下最大功率点所对应的电流基准，并通过控制光伏电池的输出电流使其跟踪电流基准来实现 MPPT。短路电流法的缺点和开路电压法一样，也是无法实时地使光伏电池工作在最大功率点上，具有较多的能量损失，所以说，这种策略也不是真正的 MPPT，而是近似地实现了 MPPT 的功能。e. 扰动观察法扰动观察法（ PO） ，又称爬山法，由于其算法结构简单，而且需要检测的量较少，所以它是应用最广泛的 MPPT方法之一。这种方法就是要引入一个小的电压扰动，然后观察输出功率，与前一个状态进行比较，根据比较的结果来调节光伏电池的工作点。它具体的思路是通过改变光伏电池的输出电压，给以一定的扰动△ U，实时地采样光伏电池的输出电压和电流，计算它们的乘积，得到光伏电池此刻的输出功率，将其与上一采样时刻的功率相比较，如果大于上一时刻的功率，说明本次扰动使输出功率变大了，下一次应维持原来电压扰动的方向；如果小于上一时刻的功率，说明本次扰动使输出功率变小了，则下一次应改变电压扰动的方向。这样就确保了光伏电池的输出电压向着能使输出功率增大的方向变化，如此反复扰动观察，使其最终达到最大功率点，从而实现最大功率跟踪。但是达到最大功率点后，并不停止扰动，因而光伏电池的输出电压和输出功率会在最大功率点附近波动，会造成少量的能量损失。尽管有一定能量损失，这种方法依然能保证光伏电池的工作点是在最大功率点附近。所以说，扰动观察法是一种真正最大功率点跟踪的方法，应用相当广泛 【 6】 。西安理工大学本科生毕业设计（论文）17 f. 电导增量法电导增量法是另一种应用非常广泛的 MPPT方法。 其思想主要是通过比较某一时刻的电导和增量电导的关系来改变扰动的方向。某一时刻电导和增量电导的关系反映了此时光伏电池的工作状态是最大功率点 MPP 的左边还是右边，从而据此来改变扰动的方向。UOP dP/dU0MPPdP/dU0图 3- 1 光伏电池 P/U 曲线光伏电池输出功率对电压的 P-U 曲线如图 3- 1 所示。根据光伏电池的 P-U 特性曲线可知，在最大功率点处的功率对电压的导数为零，在最大功率点的左边导数为正，在最大功率点的右边导数为负，如式 3-3 所示。/ 0/ 0/ 0dP dU MPPdP dU MPPdP dU MPP0，樊泰单相离网光伏逆变器的研究18 增大光伏电池的电压，当 I/V △ I/ △ V0,维持光伏电池不变，当 I/V △I/ △ V0.5 时， UoUi，变换器为升压变换器；当 D0.5 时 UoUi，变换器为降压变换器。升降压变换器输出表达式为D1 Dono in inofftU U Ut - -- 3-7 由于 Buck-Boost 变换器输出电压可在很宽的范围工作， 可以得到高于或低于输入电压的输出电压，因此也常被用于光伏发电系统的最大功率点跟踪控制。但这种电路缺点也很明显，输入和输出电流脉动都大，而且输出和输入极性相反。d. Cuk 变换器Cuk是在 Boost 电路后面串联一个 Buck电路构成的，拓扑如图 3- 2d所示。 Cuk变换器实际上是由 Buck-Boost 变换器进行对偶变换得来的。 Cuk变换器和升降压变换器输出表达式一致。 Cuk变换器输出电压也可高于或低于输入电压，提供一个反向不隔离的输出电压，可广泛应用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪、光伏照明、光伏扬水等应用。当工作于电流连续状态下时， Cuk变换器输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感 L1 和 L2 的值，可使交流纹波电流值为任意的小。因此 Cuk变