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；最大功率點電流Im表示在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電流；最大功率點電壓Vm表示在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電壓；最大功率點功率Pm表示在給定日照和溫度下陣列可能輸出的最大功率。最大功率點功率Pm為

2 最大功率點跟蹤的原理

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度總存在著一個最大功率點，如圖2太陽電池陣列的I-V特性圖所示，因此，對于最大功率點跟蹤的研究是至關(guān)重要的。最大功率點跟蹤的過程實質(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)點是當(dāng)太陽電池上的日照強度產(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，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、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的位置[11]。

DC-DC控制部分主要完成最大功率點跟蹤，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，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、過壓等保護信號，實現(xiàn)自動保護功能。

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）