光伏發(fā)電最大功率跟蹤技術(shù)研究

吳麗紅

（四川省綿陽電業(yè)局，四川綿陽621000）

光伏發(fā)電最大功率跟蹤技術(shù)研究

吳麗紅

（四川省綿陽電業(yè)局，四川綿陽621000）

1 太陽能電池的工作原理及基本特性

太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，就是當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體P-N結(jié)時，就會在P-N結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，一般稱之為光生電壓，使P-N結(jié)短路時就會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。

1.1 太陽能電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型[6]

為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一個等效電路來模擬。圖1為太陽能電池的等效電路。圖1中，Iph表示光生電流；Id表示通過二極管的電流；Rsh表示并聯(lián)電阻；Rs表示串聯(lián)電阻；R表示負(fù)荷電阻；I表示負(fù)荷電流；V表示負(fù)荷電壓。

圖1 太陽能電池等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit of solar cells

由太陽能光伏電池等效電路得出太陽電池的伏安（I-V）方程為

式中，Iph是光生電流；I0是二極管反向飽和電流（一般對于光伏單元而言，其數(shù)量級為10-4A）；q是電子電荷，為1.6×10-19；V是輸出電壓；α是P-N結(jié)的理想因子，當(dāng)溫度T=300K時，取值2.8；K是波耳茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K；T是絕對溫度；Rs是串聯(lián)電阻（為低阻值，小于1Ω）；Rsh是并聯(lián)電阻（為高阻值，數(shù)量級為kΩ）。

1.2 太陽能電池的I-V輸出特性

太陽能電池陣列的I-V特性是系統(tǒng)分析最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)之一，圖2表明它具有強(qiáng)烈的非線性性質(zhì)，由圖可看出最大功率Pm與電壓、電流的關(guān)系。

圖2 太陽電池陣列的I-V特性Fig.2 The I-V characteristic of the solar arrays

圖2中：短路電流ISC表示在給定日照和溫度下的最大輸出電流；開路電壓VOC表示在給定日照和溫度下的最大輸出電壓；最大功率點(diǎn)電流Im表示在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流；最大功率點(diǎn)電壓Vm表示在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓；最大功率點(diǎn)功率Pm表示在給定日照和溫度下陣列可能輸出的最大功率。最大功率點(diǎn)功率Pm為

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的原理

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，使其輸出功率為最大值[7-9]。然而，太陽能光伏電池的I-V特性具有非線性，并且它隨著外界環(huán)境（溫度、日照強(qiáng)度）的變化而變化，所以不好控制。但是，在某一特定的溫度或日照強(qiáng)度總存在著一個最大功率點(diǎn)，如圖2太陽電池陣列的I-V特性圖所示，因此，對于最大功率點(diǎn)跟蹤的研究是至關(guān)重要的。最大功率點(diǎn)跟蹤的過程實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，即通過控制太陽能電池端電壓來控制最大功率的輸出。圖3為太陽能電池陣列的輸出功率特性曲線，當(dāng)太陽能電池工作于最大功率點(diǎn)電壓Vm左側(cè)時，其輸出功率隨電池端電壓的上升而增加；當(dāng)太陽能電池工作于最大功率點(diǎn)電壓Vm右側(cè)時，其輸出功率隨電池端電壓的上升而減少。此外，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制也可以先根據(jù)采集到的太陽能電壓、電流值及功率值來判斷其運(yùn)行在哪個工作區(qū)，然后根據(jù)不同的工作區(qū)采取不同的工作指令進(jìn)行跟蹤控制。但要注意日照強(qiáng)度和環(huán)境對太陽電池陣列的開路電壓和短路電流的影響。

圖3 太陽電池陣列的輸出功率特性Fig.3 The characteristics of the output power of solar array

目前常用的最大功率跟蹤法有定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法和間歇性掃描法。①定電壓跟蹤法:使用定電壓跟蹤法法，人們只需從生產(chǎn)廠商獲得最大輸出電壓值，并將輸出電壓鉗位于最大輸出電壓值即可。此方法控制簡單，容易實現(xiàn)，可靠性也比較高，但是控制精度較差（尤其是對于早晚和四季溫差變化劇烈的地區(qū)）。此外，這種方法忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，缺乏準(zhǔn)確性。②電導(dǎo)增量法:電導(dǎo)增量法也是MPPT控制常用的算法之一。這一跟蹤法的最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)太陽電池上的日照強(qiáng)度產(chǎn)生變化時，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，其電壓波動較擾動觀察法小，不過其算法較為復(fù)雜，且在跟蹤過程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時間去執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，這對微處理器在控制上會造成相當(dāng)大的困難。③間歇性掃描法：這種方法是在定電壓跟蹤法的基礎(chǔ)上得來的，只是用定時的掃描代替了從廠商處得來Vm值。這種方法的思想是定時掃描一段陣列電壓，同時記錄下不同電壓下對應(yīng)的電流值，經(jīng)過比較不同點(diǎn)的太陽電池陣列的輸出功率就可以方便地得出最大功率點(diǎn)，而不需要一直處于搜尋狀態(tài)。這種方法一般不會產(chǎn)生振蕩[10]。

水工混凝土宜摻合適量的摻合料和外加劑，以改善拌和物性能提高質(zhì)量、節(jié)約成本。原材料要經(jīng)有資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)試驗選定，生產(chǎn)廠家應(yīng)相對固定，除常規(guī)檢驗合格外，骨料應(yīng)遵循優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、就地取材的原則，優(yōu)先選用石灰?guī)r質(zhì)的原料，細(xì)骨料的表面含水率不宜超過6%

3 光伏并網(wǎng)逆變器的最大功率控制方法

采用最佳的MPPT控制方法，不僅要通過比較得到各種方法的優(yōu)劣，還需要根據(jù)實際應(yīng)用場合選取適合光伏系統(tǒng)拓?fù)湟约柏?fù)載特性的最優(yōu)算法。假設(shè)系統(tǒng)采用兩級并網(wǎng)逆變器，MPPT在前級變換中實現(xiàn)，并網(wǎng)控制等其他控制要求在后面的變換中實現(xiàn)，從而降低了控制的復(fù)雜程度，也增加了各級控制的精度。

前級電路除了起升壓作用，將光伏電池輸出電壓升高到400V左右外，還可對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，即：直接調(diào)節(jié)DC-DC部分的占空比來調(diào)節(jié)太陽電池的工作電壓，根據(jù)太陽電池的伏安特性，改變太陽電池的工作電壓就能決定其最大工作點(diǎn)的位置[11]。

DC-DC控制部分主要完成最大功率點(diǎn)跟蹤，經(jīng)過MPPT控制得到參考電壓與太陽能電池輸出的實際電壓相比較，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動波形，從而驅(qū)動電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷。DC-AC控制部分主要完成穩(wěn)定Dclink母線電壓和控制輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦電流兩部分。Dclink檢測電壓閉環(huán)回路只有在Dclink的電壓超過其上限電壓設(shè)定值時才起作用，其目的是防止Dclink的電壓過高而損壞主電路的器件。

3.1 光伏并網(wǎng)逆變器控制目標(biāo)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向電網(wǎng)供電的裝置，它實際上是一個有源逆變系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)控制目標(biāo)是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相。因此選擇并網(wǎng)逆變器的輸出電流為被控量，并網(wǎng)逆變工作方式下的等效電路和電壓電流矢量圖如圖4和圖5所示。圖中Va為逆變電路交流側(cè)電壓，Vnet為電網(wǎng)電壓。因為并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電感L的存在會使逆變電路的交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓之間存在相位差，即：為了滿足輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位的關(guān)系，逆變輸出電壓要滯后于電網(wǎng)電壓[12]。

圖4 并網(wǎng)時的等效電路Fig.4 The equivalent circuit of the voltage and current under grid-connected

圖5 并網(wǎng)時的等效電路的電壓電流矢量圖Fig.5 The vector graph of voltage and current under grid-connected

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器工作在有源逆變狀態(tài)且其功率因數(shù)應(yīng)為1，以保證不對電網(wǎng)造成污染。當(dāng)電網(wǎng)電壓Vnet一定時，若控制VL沿ab方向調(diào)節(jié)，則從矢量圖中可以看出電感電壓矢量VL滯后電網(wǎng)電壓矢量Vnet90°，并網(wǎng)輸出的電流I超前電感電壓矢量VL90°,即與電網(wǎng)電壓同相位，從而實現(xiàn)無污染的并網(wǎng)輸出。

3.2 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究

光伏并網(wǎng)逆變器的控制部分是逆變器設(shè)計的重點(diǎn)，采用先進(jìn)的控制技術(shù)是提高逆變器性能必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。隨著電力電子器件的高頻化和微處理器運(yùn)算速度的提高，特別是高性能數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于光伏并網(wǎng)控制成為可能。

目前廣泛應(yīng)用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的方案是：首先將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的形式，然后將電能調(diào)節(jié)成滿足正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）全橋逆變器需要的直流電壓，最后經(jīng)SPWM全橋逆變器將太陽能回饋給交流電網(wǎng)。在整個系統(tǒng)最主要的環(huán)節(jié)（逆變器）中，采用的就是SPWM逆變技術(shù)。為了減少并網(wǎng)裝置在并網(wǎng)工作時產(chǎn)生的沖擊，根據(jù)電力系統(tǒng)準(zhǔn)周期并列的條件，并網(wǎng)逆變器在實現(xiàn)并網(wǎng)工作時應(yīng)同時滿足以下3個條件：①并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應(yīng)在10%以內(nèi)；②并網(wǎng)逆變器輸出頻率接近市電頻率，一般頻差不超過0.4Hz；③并網(wǎng)逆變器輸出電壓和市電電壓同相，通常此相位差不宜超過10度[13]。

因此，控制系統(tǒng)需要完成以下任務(wù)：①采集直流、交流電壓和電流等模擬量用于監(jiān)控和控制；②向功率器件驅(qū)動板提供脈寬和頻率可實時改變的SPWM信號；③檢測電網(wǎng)電壓的頻率和相位實現(xiàn)數(shù)字鎖相；④接收功率器件發(fā)出的過流、過壓等保護(hù)信號，實現(xiàn)自動保護(hù)功能。

3.3 基于SPWM的電壓/電流型并網(wǎng)逆變器控制的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個H橋，如圖6所示，通過功率器件的換相，直流能量轉(zhuǎn)換成適合于饋入電網(wǎng)的交流能量，由于電網(wǎng)反映電壓源的特性，因此，饋入電網(wǎng)的能量應(yīng)以電流源的形式出現(xiàn)。通過交流側(cè)電感的濾波作用，逆變橋輸出的SPWM電壓波形轉(zhuǎn)換成適合于饋入電網(wǎng)的正弦波電流。橋路功率開關(guān)器件的通斷由以DSP芯片為核心的弱電控制主板產(chǎn)生的SPWM波控制[14]。

圖6 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Sketch map of grid-connected inverter for modeling

對逆變器輸出端電路，圖6中取流經(jīng)濾波電感L的電流iL為狀態(tài)變量。則由圖6可得

經(jīng)過Laplas變換，可解出IL（s）

式中，Vab是未經(jīng)濾波的逆變器輸出電壓；G3（s）為濾波電路傳遞函數(shù)；RL為電感及交流進(jìn)線的等效電阻。

如果忽略功率開關(guān)器件T1～T4開關(guān)延時及死區(qū)時間的非線性影響，SPWM控制方式下的橋式逆變環(huán)節(jié)為一個純滯后環(huán)節(jié)，可等效為一個小慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為

式（5）中，Tpwm是一個開關(guān)周期，當(dāng)開關(guān)頻率取10kHz時；Tpwm為100μs；Kpwm為逆變器增益，與PI調(diào)節(jié)器的最大限幅值有關(guān)，由式（4）和（5）可得到系統(tǒng)的并網(wǎng)電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示。

不對逆變系統(tǒng)進(jìn)行任何控制的情況下，系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為

圖7 電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The flow chart of current loop

式（6）中，L為逆變器濾波電感；RL為電感及交流進(jìn)線的等效電阻；a為反饋系數(shù)。

4 結(jié)論

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，使其輸出功率為最大效率。文中介紹了定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、間歇掃描法等幾種常用的最大功率跟蹤方法。重點(diǎn)介紹了并網(wǎng)逆變器的最大功率控制方法，研究了并網(wǎng)光伏逆變器的控制目標(biāo)和控制策略，最后還給出了基于SPWM的電壓/電流型并網(wǎng)逆變器控制的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

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Research on Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Generation System

WU Li-hong
（Mianyang Electric Power Industry Bureua of Sichuan，Mianyang 621000，Sichuan Province，China）

,Thispaperfirstlyintroducestheworking principles and performance characteristics of photovoltaic cells,and presents a detailed analysis of the equivalent circuit and mathematical model of the cells.Secondly,it introduces several traditional MPPT control methods.Finally,it analyzes the control objective of the grid-connected photovoltaic inverter and studies on its control strategies,and then designs the mathematical model of the control system in the grid-connected photovoltaic voltage/current inverter based on Sinusoidal Pulse Width Modulation(SPWM).

grid-connected inverter;photovoltaic;maximum power point tracking(MPPT)

對太陽能電池的工作原理及工作特性進(jìn)行介紹，詳細(xì)分析太陽能電池工作的等效電路和數(shù)學(xué)模型；介紹了幾種最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法；分析光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)，研究其控制策略，并設(shè)計了基于SPWM的電壓/電流型并網(wǎng)逆變器控制的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

并網(wǎng)逆變器；光伏；最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

1674-3814（2011）11-0083-05

TM511

A

2010-10-29。

吳麗紅（1984—），女，碩士研究生，從事太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電理論研究。

（編輯 徐花榮）