圖1 系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)

• 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理：
  

太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助一定的能量轉(zhuǎn)換器才能變換成電能，這個(gè)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換器，就叫做光伏電池。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其光電轉(zhuǎn)換效率和成本對(duì)光伏發(fā)電的發(fā)展具有決定性的影響。

   光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)制成的。所謂光生伏打效應(yīng)，簡(jiǎn)單的說，就是當(dāng)物體受到太陽(yáng)輻射時(shí)時(shí)，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。半導(dǎo)體材料將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率特別高，因此光伏電池多為半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體光伏電池的發(fā)電過程可概括為如下四個(gè)過程：收集太陽(yáng)光使之照射到光伏電池表面；光伏電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子——電子空穴對(duì)；這些電性符號(hào)相反的光生載流子在光伏電池 P-N 結(jié)內(nèi)建電廠的作用下，電子-空穴對(duì)被分離，在 P-N 結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，形成光生電壓；在光伏電池 P-N 結(jié)的兩側(cè)引出正負(fù)電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣光伏電池就把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成了電能。發(fā)展至今，光伏電池的種類已特別繁多，根據(jù)制作材料的不同可將光伏電池分為硅光伏電池、有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池和薄膜光伏電池。

  （2）光伏電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型

                          圖 2 光伏電池等效電路            

    由光伏電池的等效電路可得：

                        

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                     （1）

               

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                    （2）

式中， Io 為光伏電池的反向飽和漏電流； q 為單個(gè)電子所含電荷量

（

）；K 為波爾茲曼常數(shù)（

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）；A為光伏電池的二極管理想因子（ A =1～5），用來決定其與理想 P-N 結(jié)半導(dǎo)體間的差異；T 為光伏電池的溫度（以絕對(duì)溫度表示）。

對(duì)于Ish有：

所以光伏電池的輸出電流I為：

通常情況下，式 1-4 中的V IRs

式中， N p 和 Ns 分別為光伏陣列中光伏電池的并聯(lián)和串聯(lián)個(gè)數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中考慮到光伏電池的光照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化，根據(jù)光伏電池的工作原理可得：

上面的公式中，

為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（光照強(qiáng)度

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=1000W/

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,電池結(jié)溫

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=298K,太陽(yáng)輻射光譜AM=1.5)所測(cè)得的光伏陣列短路電流，即光伏陣列兩端處于短路狀態(tài)時(shí)的電流，α為光伏陣列短路電流溫度系數(shù)，

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為光伏陣列的開路電壓，即光伏陣列電路將負(fù)荷斷開時(shí)所測(cè)出的光伏陣列兩端的電壓，

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為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下所測(cè)得的光伏陣列開路電壓，β為光伏陣列開路電壓溫度系數(shù)，S為光伏陣列的光照強(qiáng)度。

當(dāng)光伏陣列處于開路狀態(tài)時(shí)有I=0,V=

當(dāng)光伏電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，根據(jù)式1-5可得：

其中，Im為峰值電流，即光伏陣列中輸出最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電流，Vm為峰值電壓，即光伏陣列輸出最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓。

（3）光伏電池的基本特性

  光伏電池的基本特性包括光伏電池的輸出特性、照度特性和溫度特性，光伏電池的輸出特性即I-V特性是指光伏電池在某一確定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系，通常用I-V和P-V特性曲線來描述。

            (a) I-V曲線                    (b) P-V曲線

                       圖3 光伏電池的輸出特性

  由查閱資料和上圖可知，光伏電池的輸出特性是非線性的，而且受環(huán)境溫度與光照強(qiáng)度的影響，在其他條件一定時(shí)，光伏電池周圍環(huán)境溫度的升高將使光伏電池的開路電壓

下降，短路電流

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輕微增加，從而導(dǎo)致光伏電池的輸出功率下降。光伏電池的溫度特性一般用光伏電池的溫度系數(shù)表示，溫度系數(shù)越小，說明光伏電池的輸出隨溫度的變化越緩慢。在其他條件一定時(shí)，光伏電池表面光照強(qiáng)度的增加將使光伏電池的短路電流增加，開路電壓也略微增加，從而導(dǎo)致光伏電池的輸出功率增加。

電路結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它關(guān)系著系統(tǒng)的效率和成本。光伏離網(wǎng)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)要求效率高、成本低，輸入要能承受光伏陣列輸出直流電的電壓低且波動(dòng)大的不良影響，輸出也要滿足一定的電能質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要選擇適當(dāng)?shù)闹麟娐方Y(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)有源逆變系統(tǒng)，按照不同的分類方向，有多種不同的電路結(jié)構(gòu)。按輸入直流電源的性質(zhì)可分為電流型和電壓型兩大類，但由于電流源型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的大電感導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差，因此目前國(guó)內(nèi)外大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)按照系統(tǒng)功率變換的級(jí)數(shù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單極式和多級(jí)式。單極式結(jié)構(gòu)不包含DC-DC變換環(huán)節(jié)，只用一級(jí)能量變換來完成升降壓和DC-AC轉(zhuǎn)換，控制時(shí)既要考慮光伏電池的最大功率跟蹤，又要保證逆變輸出能量準(zhǔn)確的跟蹤電網(wǎng)電壓，其控制方式一般較為復(fù)雜。單極式逆變器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單元器件少，成本和功耗較低，但考慮到單極式升壓的程度有限，靠電感的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)，故僅適用于中小功率的場(chǎng)合。

多級(jí)式結(jié)構(gòu)是在前一級(jí)或幾級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)電壓的升降或者隔離，在后級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，最常見的是DC-DC-AC兩級(jí)式的結(jié)構(gòu)，前級(jí)DC-DC用于直流母線電壓的緩沖穩(wěn)壓和實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率跟蹤，后級(jí)DC-AC用于輸出離網(wǎng)，孤島效應(yīng)檢測(cè)和功率補(bǔ)償?shù)取ｋm然兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的元階數(shù)目和環(huán)節(jié)增加了，但其一方面方便了最大功率跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了電壓的寬輸入范圍要求，另一方面也便于對(duì)逆變器進(jìn)行控制，提高了轉(zhuǎn)換的效率。所以我最終選擇兩級(jí)式的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如下圖4：

圖4 多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  光伏發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)按照系統(tǒng)輸出的絕緣形式可以分為工頻變壓器型、高頻變壓器型和無變壓器型。3種類型的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)考慮到實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、電路的復(fù)雜性以及損耗等問題，我決定選用無變壓器型。無變壓器型隔離方式進(jìn)一步降低了成本，由于含有升壓電路，所以可以和不同的輸出電壓的光伏陣列匹配，同樣能夠保證逆變部分輸入電壓的穩(wěn)定性，降低電流，減少損耗。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖5：

                     圖5 無變壓器型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）電力變換線路的工作原理：

  DC-DC變換器

  DC-DC變換器選用的是無變壓器隔離的DC-DC變換器，它主要有：Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk電路、Sepic電路和Zeta電路等。其中的Sepic電路和Zeta電路較其他幾種變換電路相對(duì)復(fù)雜，不易控制。光伏發(fā)電中使用最多的是Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk電路這4種電路。本設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)不含有蓄電池組，我決定使用Boost電路，Boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，效率高，其電路結(jié)構(gòu)如圖6：

                         e

                     圖6 Boost電路結(jié)構(gòu)

可以得到輸出電壓與電源電壓的關(guān)系為：

  DC-AC變換器

  DC-AC變換器主要有推挽式、半橋式、和全橋式，推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率管可同時(shí)驅(qū)動(dòng)，但功率管承受開光電壓為兩倍的直流電壓，因此適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場(chǎng)合。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但要求較高的直流側(cè)電壓。我本次設(shè)計(jì)采用全橋式電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆變控制，與最大功率跟蹤分級(jí)控制，降低系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。全橋式電路結(jié)構(gòu)如圖7：

                        圖7 全橋式電路結(jié)構(gòu)

• 考慮到電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，系統(tǒng)后級(jí)加入LC濾波對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。                                                                                             
  

   圖8 系統(tǒng)主電路圖

（4）Boost升壓電路各部件的參數(shù)值

Boost升壓電感參數(shù)的設(shè)計(jì)

對(duì)于一般的變換器來說，由于電感和電容寄生電阻的影響，隨負(fù)載電流增加，輸出電壓會(huì)下降，輸出電壓對(duì)占空比

的敏感度下降，控制特性變差。為了輸出電壓的穩(wěn)定，控制電路盡量增大占空比，使電壓增益變大以便于維持輸出電壓的恒定。因此，設(shè)計(jì)中選擇濾波元件總是盡量選取小的寄生電阻元件，且實(shí)際應(yīng)用中，是占空比調(diào)節(jié)

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。

為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不間斷的往外輸出功率，前級(jí)的Boost升壓斬波電路應(yīng)該工作在電感足夠大電流連續(xù)的模式下。根據(jù)伏秒平衡的定理，電感電壓在開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分為零。即如式10所示：

其中：

是太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓，

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是直流母線DC-link的電壓，也即Boost電路的輸出電壓，

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是開關(guān)管的開關(guān)周期，

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是Boost電路開關(guān)管的占空比，

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是開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間

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，

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是開關(guān)管的截止時(shí)間。

整理可得：

本系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板陣列輸入電壓是60V，直流母線電壓

，

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所以本系統(tǒng)中boost升壓斬波電路中占空比的范圍是0.76～0.8。

由于電感一直處于充電、放電過程，而且充放電過程都是曲線的，所以電感電流不是一個(gè)直流分量，還存在紋波量，其中紋波分量由電感兩端的電壓：

可得流過電感的電流變化量：

電感電流的紋波系數(shù)的定義：

有以上各式可得電感的大小：

其中

為輸出功率。電流紋波系數(shù)的選取

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，需要考慮電感的飽和問題、減少IGBT中的峰值電流及電壓損耗問題，這里取電流紋波系數(shù)

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。開關(guān)頻率的選取時(shí)，應(yīng)該綜合考慮。工作頻率過高，則輸出波形諧波含量少，有利于濾波器的設(shè)計(jì)。但工作頻率過高則功率開關(guān)管的發(fā)熱和和損耗都會(huì)增加。本系統(tǒng)選用開關(guān)管的頻率為

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，當(dāng)

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時(shí)，有：

所以選取

直流母線穩(wěn)壓電容參數(shù)的設(shè)計(jì)

升壓斬波電路輸出端電容的作用：①給直流母線穩(wěn)壓②盡可能的濾除紋波電壓。由電容兩端電流的變化量：

電容兩端電壓的變化量：

上下同乘

電容電壓的紋波系數(shù)

所以電容值的大小為：

其中

，

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，

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，

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，

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代入上式（19）得：

在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)開關(guān)管給電感充電時(shí)，后級(jí)逆變部分所需要的能量是由電容提供的，所以給設(shè)計(jì)的電容留下充足的裕量，所以給電容留一定的5倍以上的容量，本文采用

開關(guān)管的參數(shù)選擇

IGBT結(jié)合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，所以Boost升壓斬波電路中選用IGBT作為開關(guān)管。其承受的最大電壓為300V。本設(shè)計(jì)最終采用的IGBT其主要參數(shù)為：900V。

升壓電路二極管的選擇

Boost升壓斬波電路中的續(xù)流兼有防反作用的二極管應(yīng)該具有較低的通太電壓降和快速恢復(fù)的特性。二極管承受的最大電壓是300V，所以選用的二極管主要參數(shù)為900V。

（5） DC-AC（逆變）部分的參數(shù)

IGBT開關(guān)管的選擇

逆變器的功率開關(guān)器件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率開關(guān)器件有門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，雙極結(jié)型晶體管(BJT)，金屬氧化物功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵極晶體管(IGBT)等。在低壓小容量系統(tǒng)中較常使用的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較高的開關(guān)頻率和較低的通態(tài)壓降，以及正的溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性較好。但在逆變器的設(shè)計(jì)中，由于輸出濾波電感電容的作用，使續(xù)流時(shí)間較長(zhǎng)，容易燒壞MOSFET。

在高壓大容量系統(tǒng)中一般常使用IGBT模塊，由于MOSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量(100kVA以上)系統(tǒng)中，一般采用GTO作為功率開關(guān)元件。隨著光伏并網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，主電路開關(guān)器件的選擇也需要具體考慮與研究。因此，針對(duì)本設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用IGBT作為開關(guān)器件。它是復(fù)合型功率開關(guān)器件，是GTR和MOSFET復(fù)合而成。它擁有單極性電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了雙極型GTR耐壓高、大電流的優(yōu)點(diǎn)。在IGBT選擇中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題：

• 電流容量：在IGBT工作過程中，集電極峰值電流

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  必須要處于IGBT開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)。
  

2.電壓容量，在IGBT開關(guān)過程中，最大集射極電壓

高耐壓值，否則器件將會(huì)被過壓擊穿而損壞。

3.散熱要求：在IGBT開關(guān)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗而使器件發(fā)熱，因此，在選擇器件時(shí)必須綜合考慮系統(tǒng)的散熱條件——最大集電極功耗

分別從以上幾方面考慮，在本系統(tǒng)中，IGBT的最大集射極電壓為直流電壓300V左右，考慮到器件開關(guān)過程中有電壓尖峰的影響，選取一定的電壓裕量（一般選為2～3倍）。在電流方面，為了保證系統(tǒng)的工作安全，對(duì)開關(guān)管電流也要選取較大的裕量；逆變器的開關(guān)頻率為10kHz，在散熱方面，為了保證開關(guān)管的充分散熱，采用了將IGBT固定在散熱器上的措施。綜上所述，本設(shè)計(jì)最終采其主要參數(shù)為：900V。

交流測(cè)輸出濾波電感的設(shè)計(jì)

在單相全橋逆變器中，逆變器輸出濾波電感的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的元器件，光伏離網(wǎng)系統(tǒng)要求逆變器輸出側(cè)的波形為正弦波。所以，電感值選取的是否合適直接影響電路的整體工作性能。我們可以從以下幾個(gè)方面來選取電感值：

電流的紋波系數(shù)

逆變器輸出的濾波電感的值將直接影響輸出紋波電流的大小，通過電感基本的伏安關(guān)系

可得：

其中

為電感的電壓，當(dāng)輸出電壓在峰值附近即

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時(shí)，輸出電流的紋波系數(shù)最大，設(shè)此時(shí)開關(guān)管的開關(guān)周期為Ts，占空比為

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，則有：

另外根據(jù)電感的伏秒特性平衡原理，可得：

于是可得占空比：

有以上各式可得：

進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得：

即

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         （26）

在逆變系統(tǒng)中，由于

所以開關(guān)管的工作頻率為f=10kHz，T=100us，取電流的紋波系數(shù)為

因此，要保證實(shí)際的電流紋波

，所以取電感取值范圍為

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。

逆變器的矢量三角形關(guān)系

從逆變器的矢量三角形關(guān)系可以得出：

于是可得它們的基波幅值滿足下面公式：

由SPWM正弦脈寬調(diào)制理論可以得到

。其中，m為調(diào)制比，且

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，從而可得：

進(jìn)一步對(duì)上式（30）化簡(jiǎn)得：

把數(shù)值代入式（31）計(jì)算可得：

綜合計(jì)算，濾波電感的取值范圍為

。在實(shí)際電感設(shè)計(jì)過程中，由于電感的成本、體積等因素的影響，一般只考慮取電感的下限值即可。以上計(jì)算建立在額定的輸出電壓基礎(chǔ)上，即UN=220V基礎(chǔ)上，最終選取電感值

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。

交流測(cè)輸出濾波電容的設(shè)計(jì)

由于電感和電容一起構(gòu)成LC式的阻高頻通低頻的低通濾波器，有效的抑制了高次諧波，同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波的頻率，避免輸出電流發(fā)生畸變，一般取電流的基波頻率為10～20倍的基波頻率，本文取13倍的基波頻率進(jìn)行分析。

由

其中基波頻率取為50Hz，把電感值帶入上式（4.24）可以求出電容值為

，最后選取電容值為

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。

• MPPT控制策略
  

  在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個(gè)系統(tǒng)的效率必須要提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，使其最大限度地輸出功率。然而，光伏電池的I-V特性是非線性的，它隨著外界環(huán)（溫度、光照強(qiáng)度）的變化而變化，它的工作電壓改變時(shí)它的輸出功率也會(huì)改變，為了始終能獲得最大的輸出功率，所以需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

  目前，對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究很多，很多文獻(xiàn)都提出了不同的MPPT方法，例如恒電壓跟蹤方法、干擾觀察法、增量電導(dǎo)法等，但是應(yīng)用最為廣泛的是干擾觀察法和增量電導(dǎo)法。增量電導(dǎo)法有傳統(tǒng)的還有改進(jìn)型的，為了實(shí)現(xiàn)更加精確的控制，本次設(shè)計(jì)使用的是改進(jìn)型電導(dǎo)增量法，下文做了傳統(tǒng)型與改進(jìn)型的區(qū)別介紹。

（1）傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法   

  傳統(tǒng)的增量電導(dǎo)法則是根據(jù)光伏陣列P-U曲線為一條一階連續(xù)可導(dǎo)的單峰曲線的特點(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對(duì)P=UI求全導(dǎo)數(shù)，可得

兩邊同時(shí)除以Ud，可得

令

式36即為達(dá)到光伏陣列最大功率點(diǎn)所需滿足的條件。這種方法是通過比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時(shí)電導(dǎo)值的大小來決定參考電壓變化的方向，下面就幾種情況加以分析：

  假設(shè)當(dāng)前的光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，此時(shí)有

即

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，說明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。

同理，假設(shè)當(dāng)前的光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，此

即

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，說明參考電壓應(yīng)向著減小的方向變化。

  假設(shè)當(dāng)前光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)處(附近)，此時(shí)將有

                      圖9電導(dǎo)增量法控制電路

電導(dǎo)增量法控制流程圖如圖9所示，圖中，

、

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為檢測(cè)到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值，

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、

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為上一控制周期的采樣值。理論上這種方法比干擾觀察法好，因?yàn)樗�在下一時(shí)刻的變化方向完全取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度的快速變化，其控制精度較高但 是由于其中

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和

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的量值很小，這樣就要求傳感器的精度很高，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較困難。

• 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法
  

  傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法采用的是固定步長(zhǎng)，當(dāng)步長(zhǎng)選擇較大時(shí)，對(duì)光照變化跟蹤速度快，但振蕩比較嚴(yán)重，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差較大，無法滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求；當(dāng)步長(zhǎng)選擇較小時(shí)，振蕩現(xiàn)象有所減弱，但對(duì)光照變化的跟蹤速度變慢，無法滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求。同時(shí)傳統(tǒng)點(diǎn)到增量法含有復(fù)雜的除法計(jì)算，這對(duì)于數(shù)字處理器的實(shí)時(shí)處理影響較大，影響到了執(zhí)行的效率和正確性。

  鑒于固定步長(zhǎng)的缺陷，在此采用變步長(zhǎng)方式，且取步長(zhǎng)為K

為了去除除法運(yùn)算，可以對(duì)式4-2進(jìn)行處理，兩邊同時(shí)除以I，可以得到：

首先判斷式37中dV的符號(hào)，進(jìn)而判斷

的符號(hào)，最后通過判斷

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的決定輸出電壓參考值應(yīng)該增加、減小還是保持不變。其流程圖如圖12所示。通過結(jié)合固定電壓法，首先采樣當(dāng)前光伏陣列開路電壓值

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，由于光伏陣列MPPT處的電壓為開路電壓的0.78倍，因此系統(tǒng)將0.78作為初始基準(zhǔn)值，控制輸出電壓移動(dòng)到MPP電壓附近，然后啟動(dòng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，實(shí)現(xiàn)精確的MPPT控制。

                       圖10 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法

• 數(shù)據(jù)處理軟件
  

  本次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件是MATLAB軟件，MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。

隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。

  MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而且經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。

  本次設(shè)計(jì)需要用matlab軟件來對(duì)光伏電池的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模仿真，測(cè)定其參數(shù)，還有光伏電池輸出特性的仿真。

• 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)
  

• 搭建光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型
  

  利用matlab仿真軟件，根據(jù)光伏電池的等效電路圖圖2，以及光伏電池的數(shù)學(xué)模型，搭建光伏電池的仿真數(shù)學(xué)模型。

• 測(cè)試不同光照強(qiáng)度下、不同溫度下光伏電池的輸出特性曲線：
  

  改變T的值，可得到不同的輸出特性曲線，比較這些不同的曲線特性，同理，保證其他參數(shù)不變，改變光照強(qiáng)度G=750，比較這些不同的特性曲線。

3．光伏發(fā)電輸出特性測(cè)試

  測(cè)試接線圖如圖11

圖11 輸出特性接線圖

  本次實(shí)驗(yàn)用二個(gè)萬用表來測(cè)電流和電壓，本次實(shí)驗(yàn)還需測(cè)量光照強(qiáng)度，可用光強(qiáng)檢測(cè)器測(cè)量，根據(jù)下表，多測(cè)幾組數(shù)據(jù)填入下表一和表二:

                        表一 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)

                       表二 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)

根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可畫出I-V曲線和P-V曲線：

• 建立離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)建模模型。
• 按分塊調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)順序，依次調(diào)試分析仿真各模塊功能，調(diào)節(jié)離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路和控制參數(shù)值，仿真并分析最大功率跟蹤控制效果。
  

五、思考題

1.太陽(yáng)能電池防止熱斑現(xiàn)象的辦法？

答:（1）電池生產(chǎn)線采用72片一包的包裝，避免組件生產(chǎn)線再次數(shù)片帶來的混

     片

    （2）電池生產(chǎn)線先外觀檢驗(yàn)，后測(cè)試分選，防止測(cè)試分選后再外觀檢驗(yàn)造

     成混片            

    （3）組件生產(chǎn)時(shí)用整包的電池片，不用散包，防止混片

    （4）組件補(bǔ)片原則，一定要補(bǔ)同一檔次的電池，（正在準(zhǔn)備試75片一包的

     試驗(yàn)）

    （5）焊接前檢查隱裂片

    （6）焊串模板定期檢查，防止互連條脫焊

    （7）嚴(yán)格檢查異物

    （8）加強(qiáng)虛焊檢查，防止虛焊

    （9）搬運(yùn)時(shí)盡量減少玻璃彎曲

    （10）大組件采用4毫米玻璃，以減少?gòu)澢�，增加�?qiáng)度

    （11）搬運(yùn)周轉(zhuǎn)車改為玻璃垂直放置

    （12）不允許＞50℃時(shí)裝框

    （13）返修時(shí)不允許互連條對(duì)接

    （14）散包電池必須重新分選測(cè)試，湊成整包后再做組件

    （15）庫(kù)存超過一定期限的電池在做組件前應(yīng)經(jīng)過二次分選測(cè)試

    （16）測(cè)試時(shí)，組件一定要在規(guī)定溫度范圍內(nèi)

    （17）給出發(fā)現(xiàn)曲線異常后的處理方法，防止不良組件流到客戶手中

    （18）電池先光衰減后再分選測(cè)試（正在試驗(yàn)實(shí)施中）

  2. 光伏發(fā)電系統(tǒng)中 MPPT 擾動(dòng)觀察法有啥不足？

答：響應(yīng)速度較慢，只適用于那些日照強(qiáng)度變化比較緩慢的場(chǎng)合。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失；而日照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。

參考文獻(xiàn)：

  [1]劉棟.離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的研制[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011

[2]閔江威.光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2006

  [3]Liu X,Lopes L A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays. Power Electronics Specialists Conference, 2004.