毕业设计(论文)基于MPPT控制的光伏发电系统设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I基于 MPPT 控制的独立光伏发电系统设计摘 要随着时代的发展，人类对能源的需求越来越多，新能源开发是解决能源问题的根本途径，而太阳能光伏发电正是新能源和可再生能源的重要组成部分。本文主要研究独立光伏发电系统，它有着相当广泛的应用。独立光伏系统主要包括了光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四个组成部分，本文对独立光伏系统中的最大功率点跟踪进行深入研究。本文利用光伏电池的数学模型和等效电路，在 MATLAB/Simulink 中建立了光伏电池的仿真模型，得到了与实际光伏电池输出特性一致的仿真曲线，为进一步研究最大功率点跟踪打下了基础。最大功率点跟踪的方法有很多，但是应用最为广泛的是扰动观察法和电导增量法，本文对自适应占空比干扰法进行了详细的分析，给出了算法设计，并建立了光伏电池的仿真模型对算法进行了仿真，仿真结果验证了算法设计的正确。关键词独立光伏系统，光伏电池，最大功率点跟踪洛阳理工学院毕业设计（论文）IIThe Design of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on MPPT ControlABSTRACTWith the development of economics and technology, more and more energy is required. Researching and developing new energy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy. Research on the stand-alone photovoltaic system is the main content of this thesis. There is very comprehensive application for the stand-alone photovoltaic system. The stand-alone photovoltaic system is composed of the solar cell, storage battery, charger and inverter. Several key techniques, for instance , the MPPTMaximum Power Point Tracking are deeply studied in this thesis. Base on the mathematical model and the equivalent circuit, the solar cell simulation model in MATLAB/Simulink is built in order to research the MPPT, and the curve which is in accordance with the actual solar cell is attained. This work built the base for the further research on MPPT. There are many methods for MPPT, but the POPerturb and Observe method and the C.I. Conductance incremental method are applied most extensively, and these two methods are analyzed in detail. The algorithmic designs of the PO method and the C.I. method are given in this thesis, and the algorithmic designs are simulated with the model of the solar cell in MATLAB/Simulink, and the result of simulation validated the correctness of the design of the two algorithms. Besides, take the PO for instance, the factors which can affect the quality of the MPPT are discussed.KEY WORDSStand-alone photovoltaic system,Solar cell,MPPT洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 发展光伏发电的意义 .21.1.1 保护气候和改善环境 .21.1.2 节省空间 .31.1.3 增加就业 .31.1.4 提供农村电力 .31.1.5 中国的特殊需求 .41.2 国内外光伏产业的发展及趋势 .41.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势 .41.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势 .5第 2 章 光伏发电系统 .62.1 光伏发电系统的基本组成 .62.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 .6第 3 章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究 .83.1 光伏电池的工作原理 .83.2 光伏电池等效电路分析 .93.3 光伏阵列的 Simulink 模型 12第 4 章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究 .194.1 光伏系统最大功率跟踪的原理 .194.2 最大功率跟踪点方法概述 .204.3 DC/DC 变换电路实现 MPPT 的原理 284.3.1 Boost 变换电路 294.3.2 Boost 电路实现光伏阵列 MPPT 的仿真模型 314.4 自适应占空比干扰观察法 .364.4.1 占空比干扰观察法的提出 .364.4.2 自适应控制技术介绍 .374.4.3 基于自适应控制思想的 MPPT 方法 .37洛阳理工学院毕业设计（论文）IV4.4.4 光伏阵列 MPPT 仿真模型的建立 .404.4.5 仿真结果与分析 .41结 论 .45谢 辞 .47参考文献 .48外文资料翻译 .51洛阳理工学院毕业设计（论文）0前 言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的 34 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。有人称之为光伏电池光伏系统。目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨。洛阳理工学院毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 发展光伏发电的意义太阳能作为一种可持续利用的洁净能源，有着巨大的开发应用潜力。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类的起源时代。太阳能是人类得以生存和发展的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。目前，虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远来看，随着技术的进步，以及其它能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可能在 2030 之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。光伏发电着有许多特殊优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到光伏发电的附加价值，它的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式去比较单位发电成本。光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展光伏发电在经济、社会和环境保护等方面都有着积极的意义，下面来具体讨论光伏发电的发展意义。1.1.1 保护气候和改善环境太阳能光伏发电最重要的特征是在发电过程中只排放很少的 CO2，而 CO2 作为最主要的温室气体，导致气候变化的罪魁祸首。同时，电池板可循环使用，系统材料可再利用，光伏的能源投入可进一步降低。如果广泛使用光伏发电技术，可以为减缓气候变暖做出贡献。我国能源消费占世界的 10以上，同时我国一次能源消费中，煤占到 70左右，比世界平均水平高出 40 多个百分点。燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的 7080，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的 1/3。目前，环境质量的总体水平还在不断恶化，世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计 2020 年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到 GDP 总量的 13％。而光伏发电洛阳理工学院毕业设计（论文）2不产生传统发电技（例如燃煤发电）带来的污染物排放和安全问题，没有废气或噪音污染。系统报废后也很少有环境污染的遗留问题 [1,2]。1.1.2 节省空间光伏发电是一种简单的低风险技术，几乎可以安装在任何有光的地方。这意味着在公共、私人和工业建筑的屋顶和墙面上都有广泛的安装潜力。在运行中，这个系统还可以降低建筑的受热，增加通风。光伏电池板还可以作为隔声板装在公路两侧。光伏发电在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地。1.1.3 增加就业光伏发电可以提供大量的就业机会。安装阶段创造大量的就业机会（安装工人、零售商和服务工程师） ，促进地方经济发展。根据欧洲光伏发电行业信息显示，生产每兆瓦光伏产品大约产生 10 个就业机会，安装每兆瓦光伏系统创造大约 33 个就业机会。批发和间接供应可提供 34 个就业岗位，研究领域提供 12个就业机会。整个产业链中，每兆瓦的生产、安装和使用，可提供 50 个就业机会。在未来几十年，随着规模的扩大，自动设备的使用，这些数据会有所降低。但是，光伏发电产业不仅仅是一个资金密集型的产业，同时也是一个劳动密集型的产业。目前中国光伏技术及产业的就业总人数近万。到 2020 年将达到 10 万人左右。按照中国电力专家的研究，2050 年，光伏发电将达到装机容量 10 亿 ，PKW年生产和安装量 1 亿 ，就业人数将超过 500 万人。PKW1.1.4 提供农村电力太阳能光伏发电系统可以很容易地在偏远的农村地区安装，这些地区可能多年无法架设电网。光伏发电等可再生能源特别适用于远离电网、零星分布的社区。离网农村电力以家庭为单位或设立小电网可提供照明、冷藏、教育、通讯和卫生等所需电力，提高经济生产力，增加创收的机会。光伏发电系统结实耐用、易于安装和具有灵活性等特征，使其可满足世界任何地方的农村电力需求。2006 年底，中国还有无电人口 1100 万，使用光伏发电系统可以解决大部分无电人口的用电问题。洛阳理工学院毕业设计（论文）31.1.5 中国的特殊需求中国是一个能源生产和消费大国。2006 年能源消费总量为 246 亿吨标准煤，比 2005 年增长 9.3。2006 年各种一次能源的构成比例为煤炭占 69.7、石油占 20.3、天然气占 3.0、水电等占 6.0、核电占 0.8。2006 年，中国的原油进口达到 1.5 亿吨，大约是中国原油总需求量的 50％。中国能源开采和利用技术落后，传统高能耗产业比重大，单位 GDP 能耗落后于发达国家，甚至比世界平均水平落后许多。中国又是世界上最大的发展中国家，经济高速发展，中国能源消耗增长速度居世界首位，加剧了中国能源替代形势的严峻性和紧迫性。中国电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010 年和2020 年电力供需的缺口仍然分别为 6.4和 10.7，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。1.2 国内外光伏产业的发展及趋势1.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，最近 10 年光伏电池及组件生产的年平均增长率达到 33，近5 年的年平均增长率达到 43％，2006 年世界光伏电池产量达到 2500MWp，累计发货量达到 8500MWp。值得注意的是，中国 2006 年光伏电池的产量达到369.5MWp，紧随日本和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国。世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并将成为光伏发电的主导市场（其它应用包括通讯和信号、特殊商业和工业应用，农村离网应用、消费品和大型独立电站等） 。从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲 JRC 的预测，到 2030 年可再生能源在总能源结构中占到 30％以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到 10以上；2040 年可再生能源占总能耗 50％以上，太阳洛阳理工学院毕业设计（论文）4能光伏发电将占总电力的 20以上；到 21 世纪末可再生能源在能源结构中占到80％以上，光伏发电占到 60％以上，显示出重要战略地位 [4]。1.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势中国于 1958 年开始研究光伏电池，于 1971 年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上，于 1973 年开始将光伏电池用于地面。中国光伏工业在 20 世纪80 年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在 10kWp 以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上光伏电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固，并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。中国光伏发电的市场主要在通信和工业应用、农村和边远地区应用、光伏并网发电系统和太阳能商品等方面。所有这些应用领域中，大约有 53.8％是属于商业化的市场（通信工业应用和太阳能光伏产品） ，而另外的 46.2％则属于需要政府和政策支持的市场，包括农村电气化和并网光伏发电。由于并网成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段 [3]。洛阳理工学院毕业设计（论文）5第 2 章 光伏发电系统2.1 光伏发电系统的基本组成光伏发电系统按照是否与常规电力系统相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。本文研究的是独立光伏发电系统，在此就不对并网运行光伏发电系统做过多叙述。独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图 2-1 所示，主要由光伏电池，蓄电池组，充电器和逆变器四部分构成。光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。系统一般还需要蓄电池作为储能环节，根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，还需要逆变器将直流电转化为交流电。光伏电池D C / D C 充电器D C / A C 逆变器蓄电池交流负载图 2-1 独立光伏发电系统结构框图2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，由于光伏阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，洛阳理工学院毕业设计（论文）6只会影响蓄电池的寿命。因此需要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如图 2-2 所示。光伏阵列电池D C / D C充放电控制器D C / A C交流负载D C / D C直流负载M P P T 控制器蓄电池组图 2-2 带有 MPPT 功能的光伏发电系统结构图洛阳理工学院毕业设计（论文）7第 3 章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究3.1 光伏电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池 [5]。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。图 3-1 光伏电池特性测试光伏电池实际上是一个 P-N 结。通常，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有 4 个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴” ，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、嫁等元素，由于这些元素能够洛阳理工学院毕业设计（论文）8俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号 P 表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号 N 代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个 PN 结。光伏电池的奥妙就在这个 “结”上，PN 结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。如图 3-1 所示，当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向 N 型区移动，使 N 型区带负电，同时空穴向 P 型区移动，使P 型区带正电。这样，在 PN 结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应” 。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅光伏电池。3.2 光伏电池等效电路分析为了在光伏发电系统的设计中，更好的分析光伏阵列的电性能，更好的使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池之等效电路 [5]如图 3-2 所示。I p hI DR s hI LU o c图 3-2 光伏电池等效电路图由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方程洛阳理工学院毕业设计（论文）93-1LshDphLIRUII 10TkAIqexI-SLocp其中3-2-kBEqexpIrGro03-310298TKItSCph上述三个公式的参数解析详见表 3-1。一般讨论实际等效电路时，可忽略或 。对光伏电池等效电路进行分析可以发现串联电阻 越大，则短路电SRsh SR流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻 越大，则开路电压会变sh小，但不会影响到短路电流。由于 为数千欧姆，因此，在下面的讨论中将忽shR略 ，得到光伏电池的简化等效电路图 3-3，并且得到简化的光伏电池输出特性sh方程如公式 3-4。3-410TkARIUqexpI-I sLOCphLI p h I DI LR sU o c－图 3-3 光伏电池等效简化电路在外部负载短路的情况下，即 0，此时光伏电流 全部流向外部的短路ocUphI负载，短路电流 几乎等于光电流，有 ；在处于开路状态时， 0,光电scIsIph I流全部流经二极管 D，此时开路电压洛阳理工学院毕业设计（论文）103-510IlnqTkAUphoc从公式 3-3 可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界因素，如温度、日照强度等的影响。在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流 ,并且与日scI照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系，如下3-6298TKUocs其中， 为标准测试条件（光伏电池温度为 25℃，日照强度为 1000W/ ，称ocsU 2m之为标准测试条件）下的开路电压， 为开路电压的温度系数。T表 3-1 单个光伏电池等效电路参数表参数名 描述 类型LI光伏电池输出电流 变量ocU光伏电池输出电压 变量0I光伏电池反向饱和电流 常量T 光伏电池温度 常量K 玻尔兹曼常数 常量 K/J.23108G 日照强度 变量phI光生电流 变量q 电子电量 常量 C.1906orI二极管反向饱和电流 常量T参考温度 301.18KGE半导体材料禁带宽度 常量tK短路电流温度系数 常量A,B 理想因子 介于 1 和 2 之间scI标准测试条件下短路电流 常量洛阳理工学院毕业设计（论文）113.3 光伏阵列的 Simulink 模型光伏阵列是由许多小单位的光伏电池并联或串联组合所组成的。光伏电池串联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压；光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程3-710-TkAnRIUqexpIn-I ssLocphL其中 、 分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。pns光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其 I/V 特性是日照强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统及其 MPPT 的仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源 [6]。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源 [10]。但是该模型不能实时跟踪日照强度、环境温度变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。在光伏发电系统设计中，光伏电池板的生产厂家一般会提供该光伏阵列的参数，主要有开路电压、短路电流、峰值工作电压、峰值工作电流、最大功率等。将这些参数直接带入相应的数学模型，即可得出光伏阵列的运行参数。表 3-1 列出了无锡尚德公司生产的 STP0950S-36 型号的光伏阵列的各项参数。它由 36 个单结晶硅光伏电池串联而成，根据公式 3-7，得到该光伏电池组件的输出特性方程（3-8）1360-TkARIUqexpI-I SLocphL下面运用 SIMULINK[8,9]对该光伏电池阵列进行仿真 [10]。表 3-2 光伏阵列 STP0950S-36 在标准测试条件下的参数标准测试条件下最大功率 94W峰值工作电流 4.5A洛阳理工学院毕业设计（论文）12峰值工作电压 21.7V短路电流 4.8A开路电压 24.2V短路电流温度系数 tK2.06 ）CA。m开路电压温度系数 T 0.77（ ）V。在公式 3.8 中的未知量有 、 以及 ，下面对这三个未知量进行讨论，phI0sR分别建立模型。1.求解光生电流 phI根据公式得3-310298GTKItSCph建立光生电流 子模块如图 3-4 所示。phI图 3-4 子模块phI2. 求解光伏电池反向饱和电流 0I当外部负载开路时，知 0，此时LI（3-9）01360-TkAUqexpI-ocph因此可求得洛阳理工学院毕业设计（论文）13（3-10）1360-TkAUqexpIIoch根据公式（3-6）298TKocs可先建立 子模块如图 3-5。ocU图 3-5 子模块ocU令 （3.11）qTkAVt则建立 子模块如图，并得到公式 3-12tV图 3-6 子模块tV3-121360-UexpIItoch洛阳理工学院毕业设计（论文）14根据上式可建立 子模块如图0I图 3-7 子模块0I3. 求解串联等效电阻 sR在最大功率点处，有（3-13）1360-VRIexpI-I tsmpphm若取理想因子 A1，则在温度 T25℃下， ≈25.68mV,则在标准测试条件t下的串联等效电阻 54601360.IV-lnVRmpmphts 若得知在不同 T、G 下的最大功率点（ 、 ,就可求得不同气候条件下pmpI的 。但由于数据有限，并且 值较小，可采用恒定 的方法来近似模拟。sRs sR洛阳理工学院毕业设计（论文）15图 3-8 光伏阵列 Simulink 模型完成上述三个未知量的求解，根据公式 3.8 即可完成光伏阵列的建模，如图3-8 所示。0 10 20 30 40 5000.511.522.533.5U/VI/AG30W/mG70W/mG50W/m2220 10 20 30 40 50010203040506070U/VP/WG70W/mG50W/mG30W/m222a b洛阳理工学院毕业设计（论文）160 10 20 30 40 5000.511.52U/VI/AT20℃T30℃T40℃0 10 20 30 40 5001020304050U/VP/WT20℃T30℃T40℃c da20℃，不同光强下的伏安特性曲 线；b20 ℃，不同光强下的伏瓦特性曲线；c400W/m2，不同温度下的伏安特性曲 线；d400W/m 2，不同温度下的伏瓦特性曲 线图 3-9 光伏阵列特性曲线洛阳理工学院毕业设计（论文）17第 4 章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究4.1 光伏系统最大功率跟踪的原理在太阳能光伏发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的 I-V 特性是非线性的，它随着外界环（温度、光照强度）的变化而变化，它的工作电压改变时它的输出功率也会改变，为了始终能获得最大的输出功率，所以需要进行最大功率点跟踪。图 4-1 中的曲线是在一定光照强度下的光伏 I-V 输出特性曲线，直线 1 为一定负载阻抗的负载线，它和曲线的交点为 a，即为光伏电池的工作点。显然，对应不同的负载阻抗，负载线的斜率不同，与光伏电池输出特性曲线的交点不同，即工作点不同，光伏电池在工作点上的输出功率也不同。如果不改变负载特性，则系统工作在 a 点，但 a 点的输出功率 小于 MPP 处的功率 。1VIPmpVIP如果我们能改变负载阻抗，则可以使负载线与光伏电池输出特性曲线的交点从 a点移到 MPP，使光伏电池工作在最大功率点处。当光强变化时，光伏电池的输出特性也会变化，则可以相应地调整负载阻抗，使它仍能工作在最大功率点上。在不同的环境条件下，按输出最大功率的要求来进行调整负载阻抗，则能使太阳能得到最大利用，即实现最大功率点跟踪的控制。IV0aM p pI 1I mV 1 V m图 4-1 最大功率点跟踪原理由于 DC/DC 变换器具有阻抗变换的作用， DC/DC 变换器输出端负载一定时，洛阳理工学院毕业设计（论文）18通过调节占空比 D，可以改变 DC/DC 变换器的输入阻抗，这样就改变了光伏电池的负载阻抗。若知道最大功率点所对应的负载阻抗，就可以通过调整 DC/DC变换器的占空比 D，使 DC/DC 变换器的输入阻抗在光伏电池的最大功率点上。当外界环境变化时，仍然可以通过不断调整变换器的开关占空比 D，实现光伏电池与 DC/DC 变换器之间的动态负载匹配，就可以实时获得光伏电池的最大输出功率。4.2 最大功率跟踪点方法概述目前，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，例如恒电压跟踪方法 [7]、干扰观察法 [14]、增量电导法 [15]等，但是应用最为广泛的是干扰观察法和增量电导法。针对以上提到的几种方法，下文做了简要的介绍。4.2.1 恒电压跟踪恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理如图 4-2 所示，忽略温度效应时，光伏阵列在不同日照强度（分别为 1000 ，800 ，600 ，4002m/W2/2m/W，200 ）下的最大功率输出点 a’、b’ 、c ’、d’和 e’总是近似在某2m/W2/一个恒定的电压值 附近。假如曲线 L 为负载特性曲线，a、b、c、d 和 e 为相mU应关照强度下直接匹配时的工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压跟踪（CVT）方法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统实现稳压器的功能，使阵列的工作点始终稳定在 附近。这样不但简化了整个控制系统，还可以保m证它的输出功率接近最大输出功率，如中所示。采用恒定电压跟踪（CVT）控制与直接匹配的功率差值在图中可以视为曲线 L 与曲线 之间的面积。因而，mU在一定的条件下，恒定电压跟踪（CVT）方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪（MPPT）控制。洛阳理工学院毕业设计（论文）19IU0abcdea ’b ’c ’d ’e ’1 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0图 4-2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线CVT 方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得 20的电能，较之不带 CVT 的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对光伏阵列开路电压的影响。以单晶硅光伏阵列为例，当环境温度每升高 1℃时，其开路电压下降率为 0.35-0.45。这表明光伏阵列最大功率点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT 方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到光伏阵列的最大功率点。采用 CVT 以实现 MPPT 控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用，但随着光伏系统数字信号处理技术的应用，该方法正在逐步被新方法所替代。4.2.2 干扰观察法干扰观察法目前经常被采用的 MPPT 方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，并观测之后其输出功率变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制算法一般采用功率反馈方式，通过两个传感器对光伏阵列输出电压及电流分别进行采样，并计算获得其输出功率。该方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度较慢，只适用于那些日照强度变化比较缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近洛阳理工学院毕业设计（论文）20小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而日照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。下面对经典的干扰观察算法简述如下光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰” ；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，若 ΔP0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰” ；若 ΔP0 ，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，工作点位于图 4-3 中最大功率点 左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，maxP则工作点位于最大功率点 右侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于 的左侧，需增大参考电压,若输出功率增大，ax则工作点位于 的右侧，需继续减小参考电压。这样，光伏阵列的实际工作点maxP就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰” ，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷方案是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点附近时采用小步长 [14]。图 4-3 干扰观察法示意图干扰观察法的流程图如图 4-4 所示。给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。由于在寻优过程中洛阳理工学院毕业设计（论文）21不断地调整参考电压，因此，光伏阵列的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上，从而也造成了一定的功率损失。同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。以图 4-3 为例说明假设系统处于稳态，光伏阵列工作电压在 点左右波动，当日照强度突然增加时，光伏阵maxP列输出功率增加，这时如果参考电压偏移到 1 的位置，则系统会认为此时参考电压调整的方向与功率变化的方向相同，而继续增大参考电压使工作点移动至位置2，导致工作点进一步远离最大功率点。图 4-4 干扰观察法流程图对干扰观测法的优点总结如下1 模块化控制回路；2 跟踪方法简单，实现容易；洛阳理工学院毕业设计（论文）223 对传感器精度要求不高。缺点为1 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失。2 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度。3 在特定情况下会出现判断错误情况。4.2.2 增量电导法增量电导法则是根据光伏阵列 P-U 曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对 PUI 求全导数，可得4-1UdIIPd两边同时除以 ，可得Ud4-2I令 ,可得0/P4-3/Id/I式 4-3 即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析1 假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有即 ，说明参考电压应向着增大的方向变化。0Ud/PU/Id/I2 同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有， ，说明参考电压应向着减小的方向变化。/ /I/I3 假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处 附近，此时将有，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。0d/P洛阳理工学院毕业设计（论文）23图 4-5 电导增量法控制