光伏发电系统及其MPPT的浅析

光伏发电系统及其 MPPT 的浅析摘要： 以太阳能光伏发电系统为研究对象，整体介绍了太阳能光伏发电系统的类型及其构成，讨论了光伏系统的最大功率点跟踪（ MPPT ） 技术的意义。以最大限度利用太阳能为主要目标，介绍了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法，并讨论了各个方法的优缺点。关键词： 太阳能；光伏发电系统； MPPT；控制方法Abstract: Focusing on the photovoltaic (PV) generation systems, overall introduced the types and the structures of the PV generation systems, and discussed the value of maximum power point tracking (MPPT) technology. In order to maximize the use of solar energy, introduced the methods of controlling the MPPT for PV generation system, and then discussed the advantages and disadvantages for each of them. Key words: solar energy; PV generation system; MPPT; methods of control0 引言在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天， 太阳能作为一种新兴的可再生能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域限制等优点，受到了一致青睐，正得到迅速的推广应用。 在太阳能的各种应用中， 光伏应用倍受关注。 随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展， 太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。太阳能发电是将太阳光能直接转化成电能的发电方式， 包括光伏发电、 光化学发电、 光感应发电等。 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式， 光伏发电系统是由光伏阵列、 控制器和电能存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。 光伏电池阵列产生的电能经过电缆、 控制器、 储能等环节予以存储和转换， 转换为负载所能使用的电能。 而光伏系统的一大缺点就是光伏电池的光电转换效率太低 ,使其不能以最大效率转化为电能输出；而且在工作过程中受环境的影响也很大， 会损失很多能量。 因此为了使其输出的电能达到最大化 ,除了要研制价格低廉且能量转换效率高的光电材料外 ,还要在控制上实现光伏电池的大功率输出。 这些控制方法包括光伏自动跟踪控制和最大功率点跟踪控制。最大功率点跟踪 (MPPT)控制方法是光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。本文讨论了光伏发电系统的构成以及提出了光伏系统的最大功率点跟踪技术的意义，并介绍了最大功率点跟踪的方法和原理及常见 MPPT 控制方法。1 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统在偏远农村电气化、 荒漠、 军事、 通信及野外检测等领域得到广泛应用， 并且随着技术的发展， 其应用领域还在不断地延伸和发展。 根据不同场合的需要， 太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、 并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。1.1 独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。 独立供电的光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足， 不能满足与电网互通需要的地区， 主要用于满足单个用户的一天工作， 生活用电， 必须带有储能环节， 满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要， 这种供电方式设备复杂， 蓄电池受环境和使用方法的影响， 寿命一般不长， 而且当有多余的电能或者是电能不足的情况下就会产生浪费或者影响工作和生活。独立运行光伏发电系统组成与负载有关， 直流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路。独立光伏系统的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池的输出电压进行升（降）压后提供给负载。这类系统结构简单， 成本低廉。 由于负载直流电压的不同， 很难实现系统的标准化和兼容性， 特别是生活用电， 负载主要为交流， 而且直流系统也很难实现并网运行。因此， 交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。 交流光伏逆变电源系统与直流光伏电源系统的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器， 逆变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。图 1.1 为典型的独立光伏系统的结构图。光伏阵列安装在户外接受太阳能， 通过充电控制器给蓄电池充电， 逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相交流电。1.2 并网光伏发电系统光伏并网发电是太阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来， 这样当电能多余的时候， 可以把多余的电能输送到电网； 当电能不足时可以图 1.1 独立光伏发电系统结构图太阳能电池板 DC/DC 蓄电池 直流负载交流负载逆变器控制器从电网获得电能补偿， 满足工作和生活的需要， 另外， 并网发电系统不需要储能环节，这就大大节省了设备成本和维修率。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，其中逆变器起很重要的作用， 要求具有与电网连接的功能。 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式， 其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。 带有蓄电池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， 使得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来说具有重要意义； 此外， 该系统还可以充当功率调节器的作用， 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。 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，在此系统中，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。当有日照照射、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； 夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。1.3 混合光伏发电系统图 1.3 为混合型光伏发电系统， 它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组， 当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时， 可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电， 又可以经整流器后给蓄电池充电， 所以称为混合型光伏发电系统 [1]。太阳能电池板 DC/DC 电网交流负载逆变器控制器图 1.2 并网光伏发电系统结构图2 光伏发电系统最大功率点跟踪（ MPPT）控制光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大， 电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。 并且， 由于目前光伏阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、 环境温度等因素的影响， 为了提高光伏发电系统的效率， 充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求， 在现在的光伏发电系统中， 通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大， 即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。因此，要解决此问题可在光伏阵列与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏阵列始终能够输出其最大功率，以提高太阳能的利用率。2.1 光伏系统最大功率点跟踪的原理光伏阵列输出特性具有非线性特征， 并且其输出受日照强度、 环境温度和负载情况影响。 在一定的日照强度和环境温度下， 光伏阵列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， 光伏阵列的输出功率才能达到最大值， 这时光伏阵列的工作点就达到了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， 一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点， 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） [2]。为便于说明，现将光伏阵列的输出特性绘制如图 2.1 所示。假定图中曲线 1和曲线 2 为两个不同日照强度下光伏阵列的输出特性曲线， A 点和 B 点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在 A 点。当日照强度发生变化， 即光伏阵列的输出特性由曲线 1 上升为曲线 2。 此时如果保持负载 1 不变，太阳能电池板 蓄电池 直流负载交流负载逆变器控制器主开关发电机组图 1.3 混合型光伏发电系统结构图系统将运行在 A′点， 这样就偏离了相应日照强度下的最大功率点。 为了继续跟踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载 1 变化至负载 2，以保证系统运行在新的最大功率点 B。 同样， 如果日照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2 减至曲线 1，则相应的工作点由 B 点变化到 B′点，应当相应的减小负载 2 至负载 1 以保证系统在日照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点 A。2.2 几种常用 MPPT 技术及比较目前，光伏阵列最大功率点跟踪 (MPPT) 控制技术，在国内外均有一定程度的研究，也有很多控制方法，常用的有恒电压跟踪方法 (CVT) 、干扰观察法(Perturbation And Observation, P&O)、增量电导法 (Incremental Conductance)等 [3]。下面将对这几种主要的 MPPT 控制方法的特点加以介绍。2.2.1 恒电压跟踪恒电压跟踪方法从严格的意义上来说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 [4]，其工作原理如图 2.2 所示。忽略温度效应时，光伏阵列在不同日照强度下的最大功率输出点 a′、 b′ 、 c′ 、 d′和 e′总是近似在某一个恒定的电压值 mU 附近。假如曲线 L 为负载特性曲线， a、 b、 c、 d 和 e为相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 mU 附近。 这样不但简化了整个控制系统，I 0 U 负载 2 A′B A 负载 1 B′曲线 2 曲线 1 图 2.1 MPPT 方法示意图还可以保证它的输出功率接近最大输出功率。 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 mUU 之间的面积。因而在一定的条件下， 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。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， 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。2.2.2 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： 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小幅1000W/m 2800W/m 2600W/m 2400W/m 2200W/m 2b a c d e a′b′c′d′e′L PmaxUm U I 0 图 2.2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线振荡， 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， 方向可以增加也可以减小，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” ；然后比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率， 若 0P ， 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 0P ，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。这样，光伏阵列的实际工作点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 [3]。干扰观测法具有如下优点：模块化控制回路、跟踪方法简单、实现容易、对传感器精度要求不高。 同时存在以下缺点： 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失； 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度； 在特定情况下会出现判断错误情况。2.2.3 增量电导法增量电导法则是根据光伏阵列 UP 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 UIP 求全导数，可得U d II d UdP (2.1) 两边同时除以 dU ，可得dUUdIIdUdP // (2.2) 令 0/ dUdP ，可得UIdUdI // (2.3) 式 2.3 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0/ dUdP ,即 UIdUdI // ，说明参考电压应向着增大的方向变化。(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，0/ dUdP ， UIdUdI // ，说明参考电压应向着减小的方向变化。(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，0/ dUdP ，参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。理论上这种方法比干扰观察法好， 因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系， 而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高，但是由于其中 dI 和 dU 的量值很小， 这样就要求传感器的精度要求很高， 实现起来相对比较困难。2.2.4 模糊逻辑控制由于日照强度的不确定性、 光伏阵列温度的变化、 负载情况的变化以及光伏阵列输出特性的非线性特征， 要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考率的因素是很多的。 针对这样的非线性系统， 使用模糊逻辑控制 （ Fuzzy logic control）方法进行控制，可以获得比较理想的效果。在光伏发电系统中使用模糊逻辑方法实现 MPPT 控制，可以通过 DSP 比较方便的执行，其中控制器的设计主要包括以下几方面内容：(1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量；(2)归纳和总结模糊控制器的控制规则；(3)确定模糊化和反模糊化的方法；(4)选择论域并确定有关参数。使用模糊逻辑方法进行光伏系统的 MPPT 控制，具有较好的动态特性和精度， 在光伏并网发电领域具有较为广阔的应用前景， 但是基于模糊逻辑控制方法的光伏发电系统的 MPPT 控制器通常通过 DSP 芯片实现， 由于成本较高的原因，并不适用于小型的独立光伏发电系统。2.2.5 其他 MPPT 方法除了上述几种常用的 MPPT 方法，还有其他多种方法可以实现光伏阵列的最大功率点跟踪，包括滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等，它们实现 MPPT 控制的基本原理都是类似的，但具体实现方法各有差别 [5]。3 结束语本文主要介绍了光伏发电系统的类型，并提出了 MPPT 技术在独立光伏发电系统中的意义，同时简单描述了几种 MPPT 控制方法，分析了各个方法的优缺点，希望能在对光伏发电系统整体了解方面上发挥一定的作用。参考文献[1] 王岩 . 光伏发电系统 MPPT 控制方法的研究 [D]. 河北：华北电力大学， 2007 [2] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛等 . 太阳能光伏发电及其应用 [M]. 北京：科学出版社， 2005， 1~8 [3] Koutroulis, E.Kalaitzakis, K.V oulgaris. 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