浅谈光伏发电系统及MPPT.ppt

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1、浅谈光伏发电系统及MPPT光伏发电系统简介光伏电池的原理及结构光伏电池的外特性最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking)光伏发电系统 太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统 不与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为独立太阳能光伏发电系统。一般来说,独立太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、MPPT控制器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载等部分组成。独立太阳能光伏发电系统的结构框图如下。独立太阳能光伏发电系统根据用电负载的特点,可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等几种,其主要区别是系统中是否带有逆

2、变器。独立太阳能光伏发电系统的工作原理是光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载,并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中,在日照不足时,储存在蓄电池中的能量供给直流负载使用或经过逆变器后变成交流电能供给交流负载使用。并网光伏发电系统 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。图所示一种常用的并网光伏发电系统结构示意图,该系统包括太阳能电池阵列、DC/DC变换、DC/AC逆变器、交流负载、变压器,另外该系统可根据需要在DC/DC变换器输出端并联蓄电池组,以用于提高系统供电的可靠性,但系统成本将增加。光伏电池的原理及结构 太阳电池的发电原理是利用光

3、入射于半导体时所引起的光电效应。光伏电池的基本特性和二极管类似,光伏电池是不加偏置的PN结器件。当具有适当能量的光子入射于半导体时,光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴,此时如半导体中存在PN结,电子向N型半导体扩散,空穴向P型半导体扩散,并分别聚集于两个电极部分,即正负电荷聚集于两端,这样如用导线连接这两个电极,就有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式完全不同:既没有旋转的转动部分,也不排出气体,是清洁、无噪声的发电机。光伏阵列的构成及其特性 光伏电池单元是光电转换的最小单元,一般不单独作为电源使用。将光伏电池单元进行串、并联并封装后就成为太阳电池组件,功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦

4、,众多太阳电池组件按需要再进行串、并联后形成太阳电池阵列,就构成了“太阳能发电机”(Solar Generator)。光伏电池工作环境的多种外部因素都会影响光伏电池的性能指标,比如光照强度、环境温度、光谱响应等。光伏电池的输出特性可以用曲线的形式表示出来,根据纵坐标的不同,分为I-V和P-V特性曲线。在一定条件下,光伏电池两端电压和电流的对应关系在直角坐标下形成一条曲线,叫做光伏电池的伏安特性曲线,即I-V曲线。可以看出,此I-V曲线具有高度的非线性特征,这样就存在一个最大功率输出问题。在P-V特性曲线中,可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降,说明存在一个端电压值,在其附近可获

5、得最大功率输出,这跟I-V曲线说明了同一个问题。由图可见,光伏电池输出功率受多个因素的影响,尤其取决于照射到其表面的太阳辐射量。由于受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各种因素的影响,实际上某个地方所能接受的辐射量时时刻刻都在变化着,偶然的阴影遮蔽也会使输出功率降低。因此,光伏电池的输出最大功率点Pm、短路电流Isc、开路电压Voc随着辐射强度、环境温度在不停地变化,所以光伏发电系统要不停地调整以使光伏电池工作于最大功率点上,但这又同时使得光伏电池的输出电流、电压在不断变化,即输出功率是不断变化的。光伏阵列MPPT功能的研究和实现策略 由于光伏阵列具有明显的非线性特性,为了实现光伏阵

6、列在不同光强条件下的输出功率最大化,需要对光伏阵列的最大功率点进行跟踪。使之工作在最大功率点电压处以使太阳能电池板输出功率达到最大值,这个过程即最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)。从电路理论可得:在线性电路中,当外部负载等效阻抗(ZL)与电源内阻抗(Zpv)成共轭时,外部负载可以获得最大输出功率。在光伏发电系统中,虽然光伏电池和DC/DC变换电路均为非线性,但在较短时间内,两者均可以看为线性电路。因此可以把光伏阵列等效看成直流电源,DC/DC变换电路看成外部负载。调节DC/DC变换电路的等效电阻,使之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化,两者动态

7、负载匹配时就可以获得DC/DC变换器的最大输出功率,实现太阳能电池的MPPT。实现太阳能电池的MPPT算法有很多种,常用的有：恒定电压控制法扰动观测法电导增量法。恒定电压控制法(Constant Voltage Tracking-CVT)温度一定时,在不同的日照强度下,太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近,如图所示。因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压,就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。从上图可以看出恒电压法实际上是把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪。恒电压法实现原理如图所示（三角波比较跟踪控制方法

8、）。Uset表示给定工作点电压,一般为某一温度下太阳能电池阵列的最大功率点电压，Upv认为太阳能电池阵列实际输出电压,给定工作点电压和太阳能电池阵列实际输出电压比较后经过PI调节,调节结果与三角波进行比较产生PWM脉冲以驱动功率开关管,从而对太阳能电池阵列的负载阻抗进行调节,实现阻抗匹配。扰动观察法(Perturb&Observe algorithms-P&O 扰动观察法(Perturb&Observe algorithms-P&O）是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池端电压,并观测其后的功率变化方向,来决定下一步的控制信号。算法可以简述如下:光伏控制器

9、在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列输出,改变步长是一定的,方向可以是增加也可以是减小,控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流,这一过程称为“扰动”;然后通过比较扰动周期前后光伏阵列的输出功率,如果输出功率增加,那么继续按照上一周期的方向继续扰动,相反,如果输出功率减小,则改变“扰动”方向。电导增量法(Incremental Conductance Algorithm 由光伏电池的P-U曲线可以看出,在最大功率点处的斜率为零。通过简单的数学推导可以得出在最大功率点处有下式成立:从图中可以看出,dP/dV值是与输出电压值一一对应的。当dP/dV=0，在最大功率点处；当dP/dv0，在最大功率左边；当dP/dv0，在最大功率右边。当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是:输出电导的变化量等于输出电导的负值。若不相等,则要判断dP/dV大于零还是小于零。电导增量法的控制流程图如图所示。图中Un和In分别为检测到的当前太阳能电池阵列电压值和电流值,U(n-1)和I(n-1)分别为上一控制周期太阳能电池阵列电压值和电流值。MPPT算法比较谢谢。