毕业论文-太阳能光伏电池最大功率点跟踪系统-solarbe文库

资源描述：

摘要随着世界经济的迅速发展,对能源的需求越来越大,地球化石资源的大量开采与消耗,使石油、煤炭等自然资源日趋短缺,同时也给环境造成了严重污染。因此大力发展太阳能成为了当务之急。光伏电池的输出特性具有强烈的非线性,且受外界环境因素影响大,所以,如何有效的利用、提高太阳能转换效率,成为太阳能利用中一个迫切需要解决的问题。本文通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪（MPPT），本文采用了电导增量法跟踪最大功率点。以光伏发电系统为研究对象,以最大限度利用太阳能为主要目标,展开了光伏发电系统效率最优化的理论和实验研究。本文对其进行了基于 PSCAD 的仿真实验。实验结果表明很好的实现了太阳能电池的模拟以及在太阳能输入光照强度改变的情况下，能很好跟踪太阳能电池的最大功率点。关键词控制器；光伏电池；最大功率点跟踪；电导增量法；PSCAD 仿真AbstractWith the rapid development of the world economy, increasing demand for energy, mass-extraction and consumption of fossil resources of the Earth, the increasing shortage of natural resources such as oil, coal, and also caused serious pollution to the environment. Devoting major efforts to developing solar energy has become a priority. Output characteristics of photovoltaic cells with strong nonlinearity, and under the influence of external environmental factors, therefore, how to effectively use, improve energy efficiency, an urgent need to address the problems in the utilization of solar energy. This article by power electronics and control technology to achieve maximum power point tracking for photovoltaic power generation MPPT, maximum power point tracking with conductance increment method in this article. Photovoltaic power generation systems for the study, main goal is to maximize solar, photovoltaic power generation system of theoretical and experimental research on efficiency optimization. This article has to be based on simulation experiment of PSCAD. Experiment results show that the good implementation of the simulation of solar cells, as well as in the case of solar energy input light intensity changes, can be a very good maximum power point tracking solar.Key words controller, photovoltaic cell; maximum power point tracking; conductance increment method; PSCAD simulation目录1 绪论11.1 课题研究的背景. 11.2 课题研究的意义.41.3 课题研究的内容.62 光伏电池的原理及其特征.62.1 光伏电池的基本工作原理.62.2 光伏电池的基本特性.73 光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）控制.103.1 MPPT 算法的原理103.2 现代最大功率点跟踪方法 113.3 MPPT 控制方案设计. 193.4 有关 PWM 的介绍.224 仿真实验224.1 PSCAD 仿真软件介绍.224.2 基于 PSCAD 的光伏阵列 MPPT 的仿真245 总结.35参考文献.36致谢.371 绪论1.1 课题研究的背景目前世界上的能源消耗几乎全靠“初级能源“或“常规能源“来供应，它包括煤炭、石油、天然气和核裂变等。由于地球上的初级能源的资源有限、矿产开采费用越来越高、人类能源需求激增的趋势以及环境污染严重等原因，以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要。所以新能源和可再生能源既是近期急需的补充能源，又是将来能源结构的基础。在能源领域中，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。近年来，国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。光伏发电的竞争力越来越强。预计不久就可以成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。 1.1.1 能源及环境污染问题能源是社会经济和人民生活的主要物质基础，对于社会经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140 亿吨标准煤，即 25 年间增长了 69．7％，并预计，到 2020 年全世界对能源的消耗会达到 195 亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后 40 年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持 60 年和 200 年左右。在我国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅在 2004 年一年，我国就进口原油约 1．5 亿吨。按目前的消耗速度，我国的现有能源储量至多可以使用 50 年。可见，矿物燃料并不是取之不尽的。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约 1 亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高口近若干年来全球排放量迅速增长，𝐶𝑂2如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。环境污染对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突曰益增加。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。 1.1.2 太阳能及光伏发电的特点与优势太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。太阳是个巨大的能源，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有 3．865X J，相当于每秒钟燃烧 1．32X t 标准煤所发出的能量。1026 1016全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。太阳能作为一种巨量可再生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的。和常规能源相比较，太阳能资源具有如下 5 个优越性1取之不尽，用之不竭太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射 3．286 j 的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢1028核稳定燃烧的时间，可在 60 亿年以上。也就是说太阳能至少还可象现在这样有60 亿年可以稳定地被利用。 2就地可取，不需运输矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。 3分布广泛，分散使用太阳能年辐射总量一般大于 5．04 kJ／，就有实际利用价值，若106 𝑀2每年辐射量大于 6．3 kJ／，则为利用较高的地区。世界上约有二分之106 𝑀2一的地区可以达到这个数值。虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。 4不污染环境，不破坏生态人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如、𝑆𝑂2等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中水电、𝐶𝑂2核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。 5周而复始，可以再生在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。太阳能属于可再生能源。煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点 1结构简单，体积小且轻。独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。2容易安装运输，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源。 3维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。 4清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。 5可靠性高，寿命长，并且应用范围广。太阳能光伏发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。光伏发电有更加激动人心的计划。一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。据测算，到 2050 年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积的 2．3％或全部沙漠的 51．4％。另一方案是天上发电，早在 1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长 10 公里、宽 5 公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供 5 kW 电力。1061.2 课题研究的意义由于传统能源如煤、石油、天然气等的供给已出现短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。作为无污染的清洁能源之一太阳能越来越受到大家的关注，尤其在解决偏远地区的用电问题，发挥着重要的作用。我国光伏发电的现状及前景我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国太阳能光伏发电技术开始于 20 世纪 70 年代，开始时主要用于空间。70 年代中期后，光伏发电应用逐渐扩大到地面并形成了我国的光伏产业。光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在 21 世纪可持续发展中发挥更大作用。技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量 100kVA 以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公‘生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。目前，国内光电池硅片的生产能力己达 4．5MW，在西藏 7 个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的 100kW。2002 年光伏系统累计装机容量仅 40MW，而 2004 年深圳市已建成 870kW 光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。2003 年国内光伏电池的生产能力约 20MW，但实际生产量仅仅为 4MW 左右，占世界光伏电池实际生产量的 1％左右。在 20022003 年国家实施的总装机容量 20MW 的“光明工程 “项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％。北京申办 2008 年奥运会，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想2008 年奥运会是最成功的一届奥运会，光伏发电应用担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。2008 年北京奥运会建成多个 50kW～150kW 的光伏发电系统，场馆周围 80％的路灯以及部分场馆的照明与空调将利用太阳能电池供电。上海 2010 年世界博览会总量达 1MW～10MW 的城市光伏发电系统，还有旨在解决 8000 万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以 31％的速度发展，而我国每年只有 15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。1.3 课题研究的内容本课题主要研究太阳能光伏电池最大功率点跟踪系统，通过控制负载端的占空比来调节负载，找到最大功率点。本文会介绍几种常用的最大功率点跟踪方法，然后主要介绍本文采用的电导增量法。然后是仿真模块，本文通过 PSCAD 仿真软件来模拟最大功率点跟踪系统，会详细介绍仿真的过程以及结果。2 光伏电池的原理及其特征光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24％，所以现在开发得也最快。 2.1 光伏电池的基本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变换成为电能。这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池（光伏电池）。光伏电池工作原理的基础，是半导体 P-N 结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别的高。当太阳光照射到半导体的 P-N 结上，就会在其两端产生光生电压，若在外部将 P-N 结短路，就会产生光电流。光伏电池正是利用了半导体的这些特性，把光能直接转换为电能。2.2 光伏电池的基本特性2.2.1 光伏电池的等效电路光伏电池的等效电路图如图 2-1 所示 [1]。I S CI DR s hR sR LI L图 2-1 光伏电池的等效电路图其中，R L 为电池的外负载电阻。当 RL0 时，所测得电流为电池的短路电流Isc。所谓短路电流 Isc，就是光伏电池在标准光源的照射下，输出端短路时，流过光伏电池两端的电流。I sc 值正比于光伏电池的面积和入射光的光照强度。1cm2光伏电池的 Isc 值均为 16-30mA。环境温度的升高， Isc 值也会略有上升，一般来讲，温度每上升高 1℃，I sc 值上升 78µA。I D 为暗电流。无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下 P-N 结内流过的单向电流。它的大小反映了在当前环境温度下，光伏电池 P-N 结自身所产生的总扩散电流的变化情况。 IL 为光伏电池输出的负载电流。Uoc 为电池的开路电压。所谓开路电压，是把光伏电池置于 100m W/cm2 的光源照射下，且光伏电池输出两端开路（R L→∞）时所测得的输出电压值。光伏电池的开路电压与入射光强度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。Rs 为串联电阻，一般小于 1 欧姆。它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接接触电阻和金属导体电阻等组成。R sh 为旁路电阻，一般为几千欧姆。它主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的 P-N 结泄露电阻和电池边缘的泄露电阻等组成。2.2.2 光伏电池的特性曲线光伏电池的电压-电流关系曲线，简称伏安特性曲线 [2]，如图 2-2 所示。在 2-2 图中，曲线 1，是二极管的暗伏安关系曲线，即无光照射时光伏电池的伏安曲线；曲线 2，是电池接受光照后的伏安曲线，它可由无光照时的伏安曲线向第四象限位移 Isc 量得到。经过坐标变换，最后可得到常用的光照光伏电池的电流-电压特性曲线，如图 2-3 所示。I m pI s cIUU m pU O C21IUI S CI mU mP mU O C1-未受光照；2- 受光照 Isc-短路电流Uoc-开路电压 Im-最大工作电流Imp-受光照时的最大工作电流 Um-最大工作电压Ump-受光照时的最大工作电压 Pm-最大功率图 2-2 光伏电池的电流-电压关系曲线图 2-3 常用的光伏电池电流-电压特性曲线输出电压输出功率1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0U / m VP / WP mU m图 2-4 光伏电池的 P-U 曲线图根据功率定义式 PUI，设定 P 为不同的常数，带入 U、I，便可在光伏电池输出伏安特性曲线图上做出一系列的等功率曲线。有光伏电池的伏安特性曲线可绘制出 P-U 曲线，如图 2-4 所示。2.2.3 光照强度、温度对光伏电池输出特性的影响IL-UL 的关系代表了光伏电池的外特性即输出特性，这是光伏发电系统设计的主要基础。光照强度（S ）和温度（T ）是确定光伏电池输出特性的两个主要参数 [3]。固定温度并改变照度，或者固定照度并改变温度，在通过短路试验获得的Isc 的基础上，可得到光伏电池的输出随负载变化的两个主要的输出特性曲线族。光照强度对光伏电池输出参数的影响如图 2-5 所示。12345 1 0 1 5 2 0I L / AU L / VS 降低，短路电流明显变化S 降低，开路电压微弱变化PU LS 降低P 减小图 2-5 光照强度对光伏电池输出参数的影响图 2-5 为保持光伏电池温度不变，光伏阵列的输出随光照强度和负载变化的 IL-UL 和 P-UL 曲线族。由该曲线族可以看到开路电压 UOC 随光照强度的变化不明显，而短路电流 ISC 则随光照强度有明显的变化。P-UL 曲线中的最大功率点功率 Pm 随光照强度的变化也有明显的变化。温度对光伏电池输出参数的影响如图 2-6 所示。123I L / AU L1 51 05 2 0温度增加，电流增加温度降低，电压增加PU L温度降低图 2-6 温度对光伏电池输出参数的影响图 2-6 为保持光照强度不变，光伏阵列的输出随电池温度和负载变化的 IL-UL 和 P-UL 曲线族。由该曲线族可以看到开路电压 UOC 线性的随温度变化，短路电流 ISC 随温度有微弱的变化。最大功率点功率 Pm 随温度的变化也有很大的变化。其中所指的温度应为光伏阵列本体的温度而非环境温度。光伏电池的温度和环境温度的关系为光伏电池温度环境温度 K*照度。3 光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）控制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的影响。在一定的光照强度和环境温度下，光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） [4]。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电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点跟踪（MPPT）。3.1 MPPT 算法的原理最大功率点跟踪（MPPT）控制策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使光伏电池的结温升高使得列阵的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。MPPT 算法分析图 [5]如图 3-1 所示。假设图 3-1 中曲线 1 和曲线 2 为两种不同光照强度下光伏阵列的输出曲线，A 点和 B 点分别为相应的最大功率输出点；并假设某一时刻，系统运行在 A 点。当光照强度发生变化时，即光伏阵列的输出特性曲线 1 上升为曲线 2 时，此时，如果保持负载 1 不变，系统将运行在 A点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，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，如果光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 B 点变化到 B点，应当相应的调整负载 2 至负载 1，以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点 A。曲线 2曲线 1负载 2负载 1A BB AI / AU / V图 3-1 MPPT 算法分析图3.2 现代最大功率点跟踪方法3.2.1 干扰观察法干扰观察法 [6]（Perturb Observer algorithms,PO）是目前实现 MPPT 常用的自寻优类方法之一。其基本思想是首先扰动光伏电池的输出电压或电流，然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压或电流方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。对于光伏并网系统而言，从观测对象来说，扰动观测法又分为两种一种是基于并网逆变器输入参数的扰动观测法；另一种是基于并网逆变器输出参数的扰动观测法。基于并网逆变器输入参数的扰动观测法直接检测逆变器输入侧光伏电池的输出电压和电流，通过计算光伏电池的输出功率并采用功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。一般正常情况下，光伏电池 P-U 特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，这一特点为采用扰动法来寻找最大功率点提供了条件，而扰动观测法实际上采用了步进搜索的思路，即从起始状态开始，每次对输入信号做一有限的变换，然后测量由于输入信号变换引起输出变换的大小和方向，待方向辨别后，再控制被控对象的输入按需要的方向调节，从而实现自寻优最优控制。将步进搜索应用于光伏系统的 MPPT 控制时，就是所称的扰动观测法。扰动观测法的 MPPT 过程，具体描述如下当增大参考电压 U（U1U△U）时，若 P1P，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时系统应保持增大参考电压的扰动方式，即 U2U1△U，其中U2 为二次调整后的电压值，如图 3-2a 所示。当增大参考电压 U（U1U△U）时，若 P1P，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时系统应保持减小参考电压的扰动方式，即 U2U1-△U ，如图 3-2c 所示。输出功率标幺值端电压标幺值0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0PP 1P 2UU 1U 2Δ U a 输出功率标幺值端电压标幺值0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0P 2PP 1U 2U 1UΔ U b 当减小参考电压 U（U1U-△U）时，若 P1Uk-1 UkUk-1UrefUref△U UrefUref-△U UrefUref-△U UrefUref△UN开始返回Y N YYN图 3-3 定步长扰动观测法的流程图扰动观测法按每次扰动的电压变化量是否固定，可以分为定步长扰动观测法和变步长扰动观测法，其中，定步长扰动观测法的流程图如图 3-3 所示。扰动观测法这种控制方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度很慢，只适用于那些光照强度变化非常缓慢的场合。而且稳定情况下，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度振荡，因此，会造成一定的功率损失，而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，得到判断错误的跟踪方向。3.2.2 模糊逻辑控制由于太阳光照强度的不确定性、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征的非线性特征，要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑的因素是很多的。针对这样的非线性系统，使用模糊逻辑控制 [7]（fuzzy Nlogic control）方法进行控制，可以获得比较理想的效果。引入模糊控制，首先应当确定模糊逻辑控制器的输入和输出变量。同扰动观察法一样，为实现 MPPT 控制，模糊逻辑控制系统也是将采样得到的数据经过运算，判断出工作点与最大功率点之间的位置关系，自动校正工作点电压值，使工作点趋于最大功率点。所以可定义模糊逻辑控制器的输出变量为工作点电压的校正值 dU。输入变量则分别为光伏电池 P-U 特性曲线上连续采样的两点连线的斜率值 E 以及单位时间斜率的变化值 CE，即（3-1）1kIPk（3-2）C其中，P（ k）和 I（k）分别为光伏电池的输出功率及输出电流的第 k 次采样值。显然，若 E（k）0 ，则表明光伏电池已经工作在最大功率输出状态。对光伏电池 P-U 特性曲线进行分析，可得出 MPPT 的模糊逻辑控制的规则，如图 3-4 所示。1） E（k ）＜ 0, CE（k ）≥0 时，P 由左侧向 Pm 靠近；则 dU 应为正，以继续靠近最大功率点；2） E（k ）＜ 0, CE（k）＜0 时，P 由左侧远离 Pm；则 dU 应为正，以继续靠近最大功率点；3） E（k ）＞ 0, CE（k）≤0 时，P 由右侧靠近 Pm；则 dU 应为负，以继续靠近最大功率点；4） E（k ）＞ 0, CE（k）＞0 时，P 由右侧远离 Pm；则 dU 应为负，以继续靠近最大功率点；0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0输出功率标幺值端电压标幺值E k ＜ 0C E k ≥ 0E k ＜ 0C E k ＜ 0E k ＞ 0C E k ＞ 0E k ＞ 0C E k ≤ 0图 3-4 MPPT 的逻辑控制规则示意图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个方面内容① 确定模糊控制器的输入变量和输出变量② 归纳和总结幕后控制器的控制规则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在模糊逻辑控制中，通常用系统的实际输出量与设定的期望值相比较，得到一个偏差值 E，一般还需要根据该偏差的变化率 EC 进行综合判断。光伏发电系统中采用模糊逻辑控制方法控制流程图如图 3-5 所示。开始检测光伏阵列输出电压 Vin 电流 Iin计算dP/dI（n）模糊化 △ioutn-1模糊规则运算反模糊化输出△ioutndP/dI（n-1 ） dP/dI（n ）；△ioutn-1△ioutn给定并网电流△ioutn结束dP/dIn-1图 3-5 光伏发电系统中采用模糊逻辑控制方法控制流程图3.2.3 电导增量法电导增量法 [8]（Incremental Conductance，INC）也是 MPPT 控制常用的算法之一。它是从光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导率的直接关系，进而提出相应的MPPT 算法。根据扰动观测法的分析，表明，最大功率点跟踪实质上就是搜索满足条件dP/dU0 的工作点。为提高 MPPT 算法对最大功率点的跟踪精度，采用功率全微分近似替代 dP 的 MPPT 算法，即从 dPUdIIdU 出发，推演出以电导和电导率的直接关系为搜索判据的 MPPT 算法，即电导增量法。光伏电池 P-U 特性曲线及 dP/dU 变化特征如图 3-6 所示。0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0d P / d U 0dP/dU0dP/dU-I/U 最大功率点左边△I/△U -I/U 最大功率点△I/△U -I/U dI0UrefUref△U UrefUref-△U UrefUref△U输入 U（k）,IkIk-1IkUk-1Uk结束Y开始YYYYN NNNNUrefUref-△U图 3-7 定步长电导增量法流程图其中△U 为每次系统调整工作点时固定的电压改变量（步长），Uref 为下一工作点电压。从图中可以看出计算出 dU 之后，对其是否为零进行了判定，使流程图出现了两条分支，其中，左分支与上述分析相吻合；而右分支则主要是为了抑制当外部辐照度发生突变时的误判而设置的。采用电导增量法的主要优点是 MPPT 的控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，且与光伏电池的特性和参数无关。与扰动观察法相比，电导增量法稳态的振荡比扰动观测法小；与模糊逻辑控制法相比，电导增量法的算法明显要简便些，且模糊逻辑控制法会忽略 PWM 的脉冲宽度的变化，这也是本文采用电导增量法的原因。3.3 MPPT 控制方案设计3.3.1 MPPT 控制的基本电路光伏阵列 MPPT 控制一般要通过 DC/DC 电路实现，主要采用的电路结构有以下几种① Buck 型变换器广泛应用于光伏阵列最大功率点跟踪、蓄电池充电和光伏直流电机控制等，优点是结构简单、效率高、控制易于实现，缺点是只能用于降压输出控制。② Boost 型变换器可将光伏阵列或蓄电池输出电压进行升压变换，其效率较高，电路结构和控制也较为简单。这类电路在 MPPT 控制电路中得到普遍应用。③ Buck-Boost 型变换器输出电压可以在很宽的范围内工作，可以得到高压或低于输入电压的输出电压，即要求输出电压一定的情况下，允许输入电压有较大的变化范围。④ Cúk 型变换器输出电压可高于或低于输入电压，提供一个反极性不隔离的输出电压，其输出和输入电流都是连续地，具有较小的纹波分量，可以广范应用于广泛发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪、光伏照明、光伏扬水应用。考虑到 Boost 电路本身具有较高的效率，而且它能使直流测电压配置更加灵活，因此，本文研究使用的光伏发电系统的前级 DC/DC 电路采用的是 Boost型变换器。3.3.2 Boost 型变换器的工作原理Boost 变换器属于并联型开关变换器，又称为升压变换器，其电路拓扑结构如图 3-8 所示。由光伏阵列（或蓄电池）、电感、开关管、二极管、电容器和负载构成。Boost 变换器以电感电流源方式向负载放电，实现负载电压升高的目的。在光伏发电系统中，Boost 变换器可以被用来将蓄电池或光伏电池输出的低电压变换为较高电压，满足较高电压负载的高额定电压需求。U Si LDTLD 1CI ORU 0-图 3-8 Boost 变换器电路拓扑结构图Boost 变换器控制过程 [9]如下当图 3-8 中开关管 T 在导通时，Boost 电路等效电路如图 3-9（a）所示。电源只向电感供电，在电感线圈未饱和前，电流 iL 线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈 L 中，此时负载 R 供电靠电容 C 放电，R 上流过电流IO，R 两端输出电压 UO 的极性为上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接电源 US 的负极，二极管承受反压不导通，所以电容 C 不能通过开关管放电。U S U L - Li LCI ORU 0-U SLi L- U L CI ORU O-（a ） b图 3-9 Boost 变换器电路改造控制过程图当图 3-8 中开关管 T 关断时，Boost 电路等效电路图如图 3-9（b）所示。由于线圈 L 中的磁场