光伏发电最大功率跟踪技术研究

吴丽红

（四川省绵阳电业局，四川绵阳621000）

光伏发电最大功率跟踪技术研究

吴丽红

（四川省绵阳电业局，四川绵阳621000）

1 太阳能电池的工作原理及基本特性

太阳能电池工作原理的基础是半导体P-N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物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。当太阳光或其他光照射半导体P-N结时，就会在P-N结的两边出现电压，一般称之为光生电压，使P-N结短路时就会产生电流，这种现象就是著名的光生伏打效应。

1.1 太阳能电池的等效电路及数学模型[6]

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。图1为太阳能电池的等效电路。图1中，Iph表示光生电流；Id表示通过二极管的电流；Rsh表示并联电阻；Rs表示串联电阻；R表示负荷电阻；I表示负荷电流；V表示负荷电压。

图1 太阳能电池等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of solar cells

由太阳能光伏电池等效电路得出太阳电池的伏安（I-V）方程为

式中，Iph是光生电流；I0是二极管反向饱和电流（一般对于光伏单元而言，其数量级为10-4A）；q是电子电荷，为1.6×10-19；V是输出电压；α是P-N结的理想因子，当温度T=300K时，取值2.8；K是波耳兹曼常数，为1.38×10-23J/K；T是绝对温度；Rs是串联电阻（为低阻值，小于1Ω）；Rsh是并联电阻（为高阻值，数量级为kΩ）。

1.2 太阳能电池的I-V输出特性

太阳能电池阵列的I-V特性是系统分析最重要的技术数据之一，图2表明它具有强烈的非线性性质，由图可看出最大功率Pm与电压、电流的关系。

图2 太阳电池阵列的I-V特性Fig.2 The I-V characteristic of the solar arrays

图2中：短路电流ISC表示在给定日照和温度下的最大输出电流；开路电压VOC表示在给定日照和温度下的最大输出电压；最大功率点电流Im表示在给定日照和温度下相应于最大功率点的电流；最大功率点电压Vm表示在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压；最大功率点功率Pm表示在给定日照和温度下阵列可能输出的最大功率。最大功率点功率Pm为

2 最大功率点跟踪的原理

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能电池的转换效率，使其输出功率为最大值[7-9]。然而，太阳能光伏电池的I-V特性具有非线性，并且它随着外界环境（温度、日照强度）的变化而变化，所以不好控制。但是，在某一特定的温度或日照强度总存在着一个最大功率点，如图2太阳电池阵列的I-V特性图所示，因此，对于最大功率点跟踪的研究是至关重要的。最大功率点跟踪的过程实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。图3为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加；当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，最大功率点跟踪（MPPT）控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值及功率值来判断其运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。但要注意日照强度和环境对太阳电池阵列的开路电压和短路电流的影响。

图3 太阳电池阵列的输出功率特性Fig.3 The characteristics of the output power of solar array

目前常用的最大功率跟踪法有定电压跟踪法、电导增量法和间歇性扫描法。①定电压跟踪法:使用定电压跟踪法法，人们只需从生产厂商获得最大输出电压值，并将输出电压钳位于最大输出电压值即可。此方法控制简单，容易实现，可靠性也比较高，但是控制精度较差（尤其是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区）。此外，这种方法忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，缺乏准确性。②电导增量法:电导增量法也是MPPT控制常用的算法之一。这一跟踪法的最大优点是当太阳电池上的日照强度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压波动较扰动观察法小，不过其算法较为复杂，且在跟踪过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。③间歇性扫描法：这种方法是在定电压跟踪法的基础上得来的，只是用定时的扫描代替了从厂商处得来Vm值。这种方法的思想是定时扫描一段阵列电压，同时记录下不同电压下对应的电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点，而不需要一直处于搜寻状态。这种方法一般不会产生振荡[10]。

水工混凝土宜掺合适量的掺合料和外加剂，以改善拌和物性能提高质量、节约成本。原材料要经有资质的第三方检测机构试验选定，生产厂家应相对固定，除常规检验合格外，骨料应遵循优质、经济、就地取材的原则，优先选用石灰岩质的原料，细骨料的表面含水率不宜超过6%

3 光伏并网逆变器的最大功率控制方法

采用最佳的MPPT控制方法，不仅要通过比较得到各种方法的优劣，还需要根据实际应用场合选取适合光伏系统拓扑以及负载特性的最优算法。假设系统采用两级并网逆变器，MPPT在前级变换中实现，并网控制等其他控制要求在后面的变换中实现，从而降低了控制的复杂程度，也增加了各级控制的精度。

前级电路除了起升压作用，将光伏电池输出电压升高到400V左右外，还可对最大功率点进行跟踪，即：直接调节DC-DC部分的占空比来调节太阳电池的工作电压，根据太阳电池的伏安特性，改变太阳电池的工作电压就能决定其最大工作点的位置[11]。

DC-DC控制部分主要完成最大功率点跟踪，经过MPPT控制得到参考电压与太阳能电池输出的实际电压相比较，其误差经过PI调节后用于产生PWM驱动波形，从而驱动电路中开关器件的导通、关断。DC-AC控制部分主要完成稳定Dclink母线电压和控制输出与电网电压同频同相的正弦电流两部分。Dclink检测电压闭环回路只有在Dclink的电压超过其上限电压设定值时才起作用，其目的是防止Dclink的电压过高而损坏主电路的器件。

3.1 光伏并网逆变器控制目标

光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的装置，它实际上是一个有源逆变系统。光伏并网控制目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。因此选择并网逆变器的输出电流为被控量，并网逆变工作方式下的等效电路和电压电流矢量图如图4和图5所示。图中Va为逆变电路交流侧电压，Vnet为电网电压。因为并网逆变器的输出滤波电感L的存在会使逆变电路的交流侧电压与电网电压之间存在相位差，即：为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，逆变输出电压要滞后于电网电压[12]。

图4 并网时的等效电路Fig.4 The equivalent circuit of the voltage and current under grid-connected

图5 并网时的等效电路的电压电流矢量图Fig.5 The vector graph of voltage and current under grid-connected

在光伏并网发电系统中，并网逆变器工作在有源逆变状态且其功率因数应为1，以保证不对电网造成污染。当电网电压Vnet一定时，若控制VL沿ab方向调节，则从矢量图中可以看出电感电压矢量VL滞后电网电压矢量Vnet90°，并网输出的电流I超前电感电压矢量VL90°,即与电网电压同相位，从而实现无污染的并网输出。

3.2 光伏并网逆变器控制策略的研究

光伏并网逆变器的控制部分是逆变器设计的重点，采用先进的控制技术是提高逆变器性能必不可少的关键技术。随着电力电子器件的高频化和微处理器运算速度的提高，特别是高性能数字信号处理器（DSP）的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网控制成为可能。

目前广泛应用于太阳能并网发电系统中的方案是：首先将太阳光能转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制（SPWM）全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将太阳能回馈给交流电网。在整个系统最主要的环节（逆变器）中，采用的就是SPWM逆变技术。为了减少并网装置在并网工作时产生的冲击，根据电力系统准周期并列的条件，并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下3个条件：①并网逆变器的输出电压和市电电压接近相等，一般压差应在10%以内；②并网逆变器输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.4Hz；③并网逆变器输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过10度[13]。

因此，控制系统需要完成以下任务：①采集直流、交流电压和电流等模拟量用于监控和控制；②向功率器件驱动板提供脉宽和频率可实时改变的SPWM信号；③检测电网电压的频率和相位实现数字锁相；④接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护功能。

3.3 基于SPWM的电压/电流型并网逆变器控制的控制系统数学模型

单相光伏并网系统的主电路拓扑结构为一个H桥，如图6所示，通过功率器件的换相，直流能量转换成适合于馈入电网的交流能量，由于电网反映电压源的特性，因此，馈入电网的能量应以电流源的形式出现。通过交流侧电感的滤波作用，逆变桥输出的SPWM电压波形转换成适合于馈入电网的正弦波电流。桥路功率开关器件的通断由以DSP芯片为核心的弱电控制主板产生的SPWM波控制[14]。

图6 主电路拓扑结构Fig.6 Sketch map of grid-connected inverter for modeling

对逆变器输出端电路，图6中取流经滤波电感L的电流iL为状态变量。则由图6可得

经过Laplas变换，可解出IL（s）

式中，Vab是未经滤波的逆变器输出电压；G3（s）为滤波电路传递函数；RL为电感及交流进线的等效电阻。

如果忽略功率开关器件T1～T4开关延时及死区时间的非线性影响，SPWM控制方式下的桥式逆变环节为一个纯滞后环节，可等效为一个小惯性环节，传递函数为

式（5）中，Tpwm是一个开关周期，当开关频率取10kHz时；Tpwm为100μs；Kpwm为逆变器增益，与PI调节器的最大限幅值有关，由式（4）和（5）可得到系统的并网电流闭环结构图，如图7所示。

不对逆变系统进行任何控制的情况下，系统被控对象的传递函数为

图7 电流闭环结构图Fig.7 The flow chart of current loop

式（6）中，L为逆变器滤波电感；RL为电感及交流进线的等效电阻；a为反馈系数。

4 结论

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能电池的转换效率，使其输出功率为最大效率。文中介绍了定电压跟踪法、电导增量法、间歇扫描法等几种常用的最大功率跟踪方法。重点介绍了并网逆变器的最大功率控制方法，研究了并网光伏逆变器的控制目标和控制策略，最后还给出了基于SPWM的电压/电流型并网逆变器控制的控制系统数学模型。

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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)

对太阳能电池的工作原理及工作特性进行介绍，详细分析太阳能电池工作的等效电路和数学模型；介绍了几种最大功率点跟踪的控制方法；分析光伏并网逆变器的控制目标，研究其控制策略，并设计了基于SPWM的电压/电流型并网逆变器控制的控制系统数学模型。

并网逆变器；光伏；最大功率点跟踪（MPPT）

1674-3814（2011）11-0083-05

TM511

A

2010-10-29。

吴丽红（1984—），女，硕士研究生，从事太阳能光伏并网发电理论研究。

（编辑 徐花荣）