光伏发电技术及其应用 教学课件 ppt 作者 魏学业 第七章

1、,第七章 光伏逆变器的最大功率点跟踪技术,光伏发电系统的主要缺点之一是光伏电池的光电转换效率太低，一般多晶硅电池的转换效率为12%14%，单晶硅光伏电池的转换效率为14%18%，如果再考虑逆变器的效率，则光伏发电系统的综合效率只有10%多一点。为了最大限度地利用太阳能，一是提高光伏阵列的转换效率；二是在逆变器的结构或控制上采取有效的方法，实时地调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，而这一调节的过程即为最大功率点跟（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。,光伏电池有着复杂的非线性输出特性，光伏阵列的输出电压和电流在很大程度上受日照强度和温度的影响，当光照强度、温度等自然条件改变时，光伏阵列的输出特性和输出功率也会发生改变，系统工作点因此而变化，若不及时调整系统工作点，必然会导致系统效率的降低，即使在同一光照强度和温度下，由于负载的不同，阵列输出功率也是不同的，如果将其直接与负载相连，就不能保证阵列工作在最大功率点上，从而造成功率的损失。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻找光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。本章将对目前常用的

2、最大功率点的跟踪方法进行介绍。,通常将大量的光伏电池单元通过串联或/和并联的方式，采用一定的工艺封装为一个整体，构成能提供一定容量直流电能的发电单元，称为光伏模组、光伏组件或光伏电池板。由多片光伏模组互相连接，也是更多光伏电池的连接组成光伏阵列，光伏阵列用于大规模的光伏发电系统。最大功率点跟踪通常是针对光伏组件或光伏阵列进行的。 由第2章给出的光伏电池的模型可知，光伏电池与普通二极管一样，具有非线性的输出特性。它的输出电压和电流受日照强度和电池温度的影响，当光照强度、温度等环境条件改变时，光伏电池阵列的输出特性和输出功率也会发生改变，最大功率点的位置也随之改变。即使在同一光照强度和温度下，由于负载的不同而阵列输出的功率也不同，当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池的输出功率最大。,7.1 光伏模块的最大功率跟踪原理,由第2章的分析可知，光伏电池的输出特性与温度T、光照强度G等外部环境因素以及光生电流Iph、反向饱和电流Io、串联内阻Rs、并联电阻Rsh等阵列内部参数有关，呈现典型的非线性特征。在实际应用中，对于给定的光伏电池其内部特性一定时，光伏阵列的输出功率随着使用环境如光照

3、强度、负载和温度等的变化而变化。通常，生产厂商给出光伏电池的特性参数是在标准条件下进行的，即电池温度为25，太阳光照度1000W/m2，大气质量AM1.5。 1太阳光照强度G 在标准温度25时，某一型号的光伏模块在不同光照强度下的P-U曲线如图7-1所示。,7.1.1 影响光伏模块MPP的因素,图7-1不同光照强度G下光伏模块的P-U特性曲线,从图7-1可以看出，光伏模块的输出功率随着光照强度的增加有明显的增大，最大功率点也明显发生变化，并且位于不同的功率曲线上，但开路电压只随光照强度有微小的变化。随着光照强度的逐渐下降，模块的最大功率点由A点转移到C点，其最大输出功率由A点的60W左右变为C点的30W左右，最大功率点对应的工作电压由A点的17V左右变为C点的16V左右。 2温度T 光伏模块在标准光照强度1000W/m2，某一型号的光伏模块在不同温度下的P-U曲线如图7-2所示。,图7-2 不同温度T下光伏模块的P-U特性曲线,从图7-2可以看出，随着光伏模块本身温度的上升，输出功率有所减少，最大功率点也发生变化。开路电压随电池温度的上升而下降，且变化范围较大。,综上所述，在光伏模块内

4、部参数以及外部环境一定的条件下，光伏模块输出功率与输出电压的关系可以静态地表示为一条非线性曲线。光伏模块可以工作在不同的输出电压，并对应输出不同的功率，但对应于整个输出电压区间，模块只有工作在某一输出电压时，其输出功率才能达到最大值，如图7-2中的A、B、C点。由于光伏模块的P-U输出特性曲线随着外部环境的变化而变化，在不同的光照强度或温度下，光伏模块最大功率点的位置将发生偏移，使最大输出功率以及工作点电压都发生改变。 7.1.2 MPPT的基本原理 根据电路理论，当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池能输出最大的功率。由此可见，光伏电池的MPPT过程实际上就是使光伏电池输出阻抗和负载阻抗相匹配的过程。在实际应用中，光伏电池的输出阻抗受环境因素的影响，需要通过控制方法实现对负载阻抗的实时调节，并使其跟踪光伏电池的输出阻抗，以实现光伏电池的MPPT控制。在均匀光照下，光伏电池输出的功率是单峰值曲线，由曲线极值点的性质可知,式中，、分别为最大功率点处的输出功率和输出电压。 图7-3所示为一个简单的光伏应用系统，负载由一个电阻R和一个占空比为D的PWM信号控制的开关S组成。当占空比D

5、=1时，负载阻值 ；当占空比D = 0时，负载阻值 。开关管输入-输出关系为,（7-1）,（7-2）,（7-3）,将式（7-2）代入式（7-3）可得 在最大功率点时，由光伏电池的特性可知 由此可得,由此可以通过占空比变化来实现输出功率的变化，即如果找出了最大功率点处的占空比就找到了最大功率点。 具体工作过程如下：假定电池的温度不变，光伏电池的特性曲线如图7-4所示。 图中曲线、分别对应不同日照情况下光伏器件的I-特性曲线，A、B分别为曲线、的光伏电池最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线。当光伏电池工作在A点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏电池的工作点将转移到A 点。从图7-4可以看出，为了使光伏电池在特性曲线仍能输出最大功率，就要使光伏电池工作在特性曲线上的B点，也就是说必须对光伏电池的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线，实现与光伏电池的功率匹配，从而使光伏电池输出最大功率。,图7-4 MPPT工作原理示意图,图7-3 简单的光伏应用系统,1MPPT的研究进展 人们最早对MPPT技术的研究是将多个光伏电池按不同的并联和串联的排列方式组合起来，在特定的外部环境和负载

6、情况下，通过改变光伏电池的排列方式，可以达到较大功率的输出。这种方法在外部环境改变后，就不能保证最大功率的输出。随后出现了扰动观察法和电导增量法两种基本的MPPT研究方法。其中扰动观察法的结构简单、被测参数少，而电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性比扰动观察法好。但是这两种方法都存在一个共同的缺点，即步长固定：步长较小时，导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；步长较大时，会导致系统振荡。,7.1.3 MPPT的研究现状,针对这一缺点提出了变步长的寻优法：当距离最大功率点较远时，取较大步长，使寻优速度加快；当距离最大功率点较近时，取较小步长，这样就会慢慢接近最大功率点；当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作。由于这种方法需要大量的计算，在没有微处理器的出现之前，这种方法也只能是理论的研究。 微处理器的出现使MPPT控制变得更为方便、快捷，但是在用数字式实现电导增量法MPPT时，确定最大功率工作点时总存在着误差。为了克服这一缺陷，人们又提出了一种改进型的电导增量法，消除了误差的存在，并且不管外界环境如何变化，都能比较准确地找出最大功率点。 随着半导体功率器件、单片

7、机及DSP的迅速发展，MPPT研究技术达到鼎盛时期，各国的研究者提出了各种有效的跟踪控制方法，其中包括： 采用单片机控制DC/DC转换器的占空比来调节光伏电池阵列的输出，从而达到最大功率点的跟踪； 给逆变器输入小正弦信号改变其开关频率来调节光伏电池阵列端电压，从而达到最大功率的输出； 在某一固定的外界环境下，最大功率点与电路变量（如开路电压、短路电流）间的关系是线性的，通过DSP控制输出电流、电压使输出功率达到最大。,2现代控制理论在MPPT中的应用进展 控制理论在MPPT中的应用研究主要集中在： 1）优化控制：即通过建立优化效率数学模型，构造求解方法，从而得到光伏阵列最大功率的输出。 2）模糊逻辑控制：该控制不需要调节输出电压从而避免了部分功率损失，它通过定义输入量与输出量并借助MATLAB工具箱中的模糊逻辑模块来完成MPPT的控制，是目前使用较为普遍的一种控制方法。 3）人工神经网络控制：在天气发生间歇性变化的情况下，人工神经网络控制使得系统的精度和稳定性得到了提高，可以有效地输出最大功率。 4）自适应控制：针对固定步长寻优的缺点进行改进，虽然光伏阵列的输出特性呈非线性，但是在某一

8、时刻的输出功率相对于占空比是连续可导的，且仅有一个极值点，因此采用二次插值法进行最大功率点跟踪具有较好的跟踪性能。,图7-5 恒定法电压原理图,实际系统中，由于外部环境的变化，所以光伏阵列并没有工作在实际的最大功率点上，而是工作在最大功率点附近，因此是一种近似的最大功率点跟踪方法。尤其是当温度变化较大时，光伏阵列的输出特性会有较大变化，最大功率点的输出电压也会有较大的变化，使得光伏阵列的工作点较大地偏离最大功率点，进而造成较大的功率损失。随着最大功率点控制技术的研究进展，该方法将逐渐被新方法所替代。 7.2.2 电导增量法 电导增量法（Incremental Conductance，INC）是通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点的跟踪。由光伏阵列的输出特性可知，其P-特性曲线是一条一阶连续可导的单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。也就是说，最大功率点的跟踪实质上就是寻找满足的点。光伏阵列的功率表达式为,将式（7-5）两端对U求导，将I作为U的函数，可得 即 式（7-6）即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件，电导增量法通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导

9、抗变化量的方法来决定参考电压变化的方向，图7-6给出了电导增量法的工作原理。,（7-5）,（7-6）,图7-6 电导增量法的工作原理,在温度、光照强度一定的前提下，观察光伏阵列电导增量法原理图可分为如下三种情况： 1）当光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧， ，即 ，说明参考电压应向着增大的方向变化。 2）当光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧， ，即 ，说明参考电压应向着减小的方向变化。 3）当光伏阵列的工作点位于最大功率点处，即 ，此时参考电压将保持不变，光伏阵列稳定地工作在最大功率点上。 根据以上分析，可得算法流程图如图7-7所示。,图7-7 电导增量算法流程图,电导增量法的优点是在下一时刻参考电压的变化方向完全取决于在该时刻的瞬时导抗与导抗变化量的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，不会出现扰动观测法中的误判，因而能够适应光照强度快速变化的情况，而且该方法的电压波动较小，并具有较高的控制精度；缺点是容易受到杂波信号的干扰而造成较大的误动作。在实际操作过程中，通常取很小的dI和dU值，那么就需要对光伏器件输出电压、输出电流等参数的采样精度要求较高，要求传感器的精度很高，计算过程也比较复杂，必须逐次调整以趋近于最大功率点，而无法很快调整至最大功率点。 7.2.3 扰动观测法 1工作原理 扰动观测法（Perturbation and Observation，PO）是最常用的一种光伏阵列最大功率点跟踪方法之一。基本原理是：扰动光伏电池输出电压，然后观察其输出功率的变化，根据输出功率的变化趋势决定下一次扰动方向，如此反复，直到光伏电池达到最大功率点。,1）当增大参考电压（ ），同时P1P，那么当前工作点在最大功率点左侧（如图7-8中的A、B、C点），下一次扰动电压方向不变。 2）当增大参考电压（ ），同时P1P，那么当前工作点在最大功率点右侧。下一次扰动电压方向不变。,图7-8 扰动观察法原理图,从以上过程可以看出，扰动观察法实际上就是让工作电压向最大功率点方向移动。扰动步长又分为定步长和变步长两类。它的优点是控制简单、容易实现，需要检测的参数少，对参数检测的精度要求不高，在日照变化不是很剧烈的情况下具有较好的MPPT控制

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