基于MATLAB的太阳能并网逆变器仿真研究精品资料.doc

《基于MATLAB的太阳能并网逆变器仿真研究精品资料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的太阳能并网逆变器仿真研究精品资料.doc（60页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、目 录摘要1关键词1Abstract.1Key words11 绪论211 课题的研究背景和意义212 国内外关于光伏发电的研究状况3121 国外光伏发电的发展现状3122 国内光伏发电的发展现状32 光伏并网发电系统简介42.1 光伏并网发电系统概述42.2 并网光伏系统类型工作原理和设备构成4221 太阳能电池的工作原理4222 光伏并网发电系统的工作原理5223 系统主要组件介绍63 光伏电池的特性、结构原理和最大功率点跟踪方法63.1 光伏电池特性73.2 光伏电池结构结构原理83.3 光伏阵列通用仿真模型10331 光伏阵列通用仿真数学模型10332 光伏阵列MATLAB仿真模型11

2、333 光伏阵列仿真结果123.4 光伏电池最大功率点跟踪方法13341 最大功率点跟踪的原理13342 最大功率点跟踪方法概述13343 一种改进的干扰观察法16344 改进的扰动观察法的仿真模型193.5 升压斩波电路仿真研究20351 升压斩波电路原理简介20352 升压斩波电路原理及仿真模型20353 升压斩波电路参数设计213.6 PV电池仿真研究22361 PV电池仿真模型22362 PV电池仿真结果及分析234 逆变电路MATLAB仿真研究254.1 逆变电路原理简介254.2 光伏并网逆变器的分类254.3 输出电流的控制方式264.3.1 方案选取264.3.2 参数选取28

3、4.4逆变电路仿真研究29441 逆变电路仿真模型29442 逆变电路仿真波形图305 系统总体方案设计326 讨论32致谢33参考文献3458基于MATLAB的太阳能并网逆变器仿真研究摘要：在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，太阳能凭其独特的优点受到了一致青睐。在太阳能的各种应用中，光伏应用备受关注。随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。独立发电(Stand一alone)系统和并网发电(Grid一connected)系统将成为光伏应用的主流。本文设计了一种具有三级结构的并网光伏系统。以具有最大功率点跟踪功能的并网逆变器为研究对

4、象，对并网光伏系统进行了全面的研究，包括光伏电池的非线性输出特性、最大功率点跟踪方法、以及并网逆变器的控制策略。 关键词：光伏系统；最大功率跟踪（MPPT）；boost；并网逆变；MATLABSimulation Study of Grid-Connected Photovoltaic InverterBased on the MATLABStudent majoring in Agricultural Electrification and Automation Geng Yuanyuan Tutor Abstract：At present, while most countries all

5、 over the world are developing green and renewable energy, solar energy is accepted commonly because of its unusual advantages. Photovoltaic (PV) systems are paid more attention to among its various applications. With price reduction of PV modules and development of PV technology, the role of PV gen

6、eration systems is gradually changed form supplemental energy to substitute energy. And stand-alone and grid-connected PV generation systems will be the trend among PV applications. This paper designs a three stage PV gridconnected system. Grid-connected inverter with maximum power point tracking(MP

7、PT) function is focused in this thesis. All aspects of photovoltaic(PV)grid-connected system are comprehensively studied, which includes the nonlinear output characteristic of PV cell, MPPT methods and control strategy of grid-connected inverter.Key words: Photovoltaic System; MPPT; Boost; Grid-Conn

8、ected inventor; MATLAB1 绪论11 课题的研究背景和意义能源是人类经济及文化活动的动力来源。世界文明史上，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续至科技发达的现代社会。随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。全球资源专家们呼吁:煤炭、石油等可贵的化石资源应该是留给子孙后代的“化工原料”，而不该在我们这代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽。据统计，中国的常规能源储量更是低于世界平均水平，已探明的经济可开发能源总储量约占世界总量的1

9、01，可开发年限仅为1297年1-2。我国与世界常规能源剩余可开采量对比图如图11所示。图11我国与世界常规能源剩余可开采量对比图随着世界经济的发展和人口的增长，能源的需求量越来越大。据2009年6月发布的世界能源统计年鉴的数据显示：1965年世界一次能源消耗总量约为3827亿吨油当量，而2008年已高达11295亿吨油当量。短短43年间的能源消耗量年平均增长率为257。尤其是中国、非洲等发展中国家因发展经济的需要，对能源的需求量增速更快3。能源需求量的急剧增加与世界常规能源的日益枯竭构成了一对矛盾，如何解决能源短缺问题成为关系人类社会能否持续性发展的关键因素。此外，化石能源的大量燃烧所排放的

10、二氧化碳、二氧化硫等气体严重破坏了人类的生存环境，导致全球气候变暖和酸雨等问题。“政府间气候变化专门委员会(IPCC)”分别于1990年、1995年、2001年和2007年发布了关于全球气候的评估报告，逐步证明了全球气候变暖主要由化石能源燃烧所致。并在2007年的评估报告中指出，本世纪全球气温可能上升11至64摄氏度，海平面可能上升18厘米至59厘米4。由此可见，人类若不对温室气体采取减排措施，人类的生存环境将遭到毁灭性的破坏。在种种有利条件的刺激下，太阳能光伏发电以其储量大、清洁和分布广等无可比拟的优势脱颖而出，越来越受人们的重视5-7，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类

11、必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。12 国内外关于光伏发电的研究状况光伏发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。121 国外光伏发电的发展现状 目前，日、美、德等发达国家在光伏发电方面的研究处

12、于世界领先地位。他们纷纷于20世纪90年代推出了相应的光伏屋顶计划，如日本的“新阳光计划”和“百万太阳能光伏屋顶计划、美国的“百万光伏屋顶计划、德国的“十万光伏屋顶计划”等等。在这些类似政策的鼓励下，光伏产业在过去的10年间进入了快速发展时期。根据欧洲光伏工业协会对全球光伏装机总量的研究报告8-9，1998年至2008年，全球光伏累计装机总量年平均增长率在30以上，尤其是2008年，全球光伏产业累计装机总量达14730MWp，比2007年的9162MW增长了5568MWp，增长速度高达6077。1998-2008年世界光伏产业累计装机总量数据如表11所示。有关数据表明，2020年全球光伏发电装

13、机总容量预计将达到70GWWp。10年份装机容量/MWp1998962199911662000142820011762200222012003275920043847200551672006677020079162200814730表11 998-2008世界光伏产业累计装机总量数据表122 国内光伏发电的发展现状 我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五”和“十五”的国家科技攻关，在基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面已有所突破，并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产品，但在并网逆变技术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。例如，并网逆

14、变系统的电磁噪声和电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题在并网逆变系统中却相当重要，要良好地予以解决在技术上也相当困难。在并网逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然国内研究报道较多，原理也相当简单11，但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功率跟踪还未能看见实际样机。在适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率控制方式还缺乏详细的实验研究和标准制定。此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较单一，适应面较窄。国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术的差距形成，其原因是多方面的，多年来缺乏国家新能源政策的支持，光伏发电在我国的发展缓慢，企业、研究单位的研究投入不够是主要原因。国内在光伏系统的

15、优化设计方面，己经有部分院校做了相关研究，但由于存在大量的气象数据统计据的获取、电站运行的数据统计、研制经费的缺乏等原因，系统的优化设计软件应用推广还有待时间和实践考验，也还有待于进一步的完善。相信随着光伏系统在我国的普及和推广应用的发展，光伏系统的优化设计问题会越来越受到人们的重视。2 光伏并网发电系统简介2.1 光伏并网发电系统概述 太阳能光伏并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。光伏发电系统具有以下优点11:1、利用清洁干净，可再生的自然能源太阳能发电，不耗用

16、不可再生的，资源有限的含碳化石能源，使用中无室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。 2、所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。3、光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加卖点。4、分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线

17、路损耗。5、可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。但目前光伏发电系统也存在着三大问题：1光伏阵列发电效率低，大多数太阳能板的光电转换效率在20%左右。2系统的造价成本高，太阳能电池板的生产制造成本远高于传统能源，使其在短时间内不能得以广泛推广。3发电运行受气候环境影响大。并且并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。2.2 并网光伏系统类型工作原理和设备构成221 太阳能电池的工作原理 太阳能电池阵列是太阳能光伏发电系统中的重要

18、组成部分，它的好坏直接关系到整个光伏系统的性能和质量。由于太阳能电池阵列是由若干太阳能电池组件串、并联而成，为此，下面我们将介绍太阳能电池的工作原理12。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，简言之，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。当太阳光或其它光照射半导体P-N 结时，就会在P-N 结的两边出现电压，就叫光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使P-N 结短路时就会产生电流。众所周知，物体的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电，电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道围绕着原子核高速旋

19、转。当在太阳光辐射时，电子就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它的原来地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴”。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。当太阳光照射P-N 结时，在半导体内就会产生电子一空穴对，由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，电子被驱向N 型区，空穴被驱向P 型区。离开势垒区，结果使P 型区电势升高，N型区电势降低，P-N结两端形成光生伏打电动势，这就是P-N 结的光生伏打效应。由于光照产生的非平衡载流子各自向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流

20、向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流。在P-N 结开路情况下，P-N 结两端建立起光生伏打电势差，这就是开路电压。如将P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N 结起了电源的作用，这就是太阳能电池发电的基本工作原理。若把几十个、数百个太阳能电池串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光照射下，便可得相当可观功率的电能。222 光伏并网发电系统的工作原理太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和并网逆变器两部分组成。白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输

21、送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。其工作原理如图2.1。图 2.1 光伏系统发电原理图SPV 光伏系统主要由电池组件方阵、充电控制器（可选）、蓄电池组（可选）、并网逆变器、升压装置等几部分组成，其工作过程如下22：第一步，光伏电池组件吸收太阳光将其转化为直流电； 第二步，直流电在控制器的控制下向蓄电池充电（可选）； 第三步，逆变器将直流电转化为与电网频率及相位保持同步的交流电； 最后，交流电通过升压装置将电量输给电网。223 系统主要组件介绍光伏并网发电系统主要由光伏组件（光伏汇流箱、太阳能电池组件）、并网变流器、系统控制器和继电保护装置组成。1、光伏组件一

22、个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。光伏组建包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。 通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为光伏组件，具有一定的防腐，防风，防雹，防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。 2、光伏并网逆变器22将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是

23、交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。3、系统控制器系统控制器保证了并网变流器输出的电流与电网同频同相，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪，通过DSP等微处理器完成预计的系统功能。4、继电保护装置继电保护装置保证了系统的安全运行，在电网或光伏系统发生故障时将其切除，保证系统整体的可靠运行。3 光伏电池的特性、结构原理和最大功率点跟踪方法光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部

24、件，其I-V 特性是太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统的动态仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列I-V特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源。 简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源。 但该模型不能实时跟踪太阳辐射强度、环境温度变化和光伏阵列参数的变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。目前，有关这方面的工作，国内还未见公开发表的文献。国外虽有涉及这方面的公开文献， 但所建模型主要针对特定的光伏模块12-13，因而缺乏通用性。Matlab/simulink 仿真工具可用于复杂系统（连续的、或离散的或混合型的

25、）的仿真，由于其强大的功能和方便、快捷的模块化建模环境，而日益受到人们的重视。本章针对Matlab仿真环境，基于光伏模块直流物理模型，开发了光伏阵列通用仿真模型。 该模型考虑了环境温度、 太阳辐射强度、光伏阵列串并连数、光伏模块参数（如标准条件下太阳电池的短路电流、 开路电压、 最大功率点电压、 最大功率点电流、电压温度系数、电流温度系数等）对I-V特性的影响，并考虑了系统是否带有最大功率跟踪（MPPT）功能。本章给出了该模型在单相光伏并网系统仿真中的具体应用实例。结果表明，由于通用性强，该模型还可以方便地推广应用于其它光伏系统(如，光伏水泵系统)或风光复合发电系统的动态仿真。3.1 光伏电池

26、特性13典型的光伏电池（电流I-电压V）、（功率P-电压V）特性如图3.1，图3.2所示。图 3.1表示I-V、P-V随太阳辐射变化而变化的规律。 图3.2则表示P-V随环境温度变化的规律。图 3.1 典型光伏电池I-V, P-V 特性随太阳辐射强度变化曲线在一定条件下，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。由图3.1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，在其附近可获得最大功率输出，这跟I-V曲线说明

27、了同一个问题，为光伏电源控制方法的改进提供了途径。图 3.2 典型光伏电池 P-V 特性随温度变化曲线由图3.2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、短路电流、开路电压随着辐射强度、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。3.2 光伏电池结构结构原理光伏电池的等效

28、电路对于研究光伏电池的外特性、建立光伏电池的仿真模型具有重要意义。根据有关文献的介绍，目前光伏电池的等效电路一般有三种形式14-16：理想化等效电路、考虑部分内阻的等效电路以及考虑全部内阻的实际等效电路。目前常用的两种等效电路为理想等效电路和考虑全部内阻的实际等效电路。(1)理想等效电路理想等效电路是在忽略所有内阻的理想情况下得出的，其精度不高，但因为其比较简单，在理论研究中具有一定应用价值，如在研究比较复杂的光伏发电系统时，可采用理想等效电路进行建模仿真，具有较快的仿真速度。在带纯电阻负载情况下，理想等效电路如图33所示。图3.3 光伏电池理想等效电路由基尔霍夫电流电流定律可推导出与图3.3

29、对应的数学表达式： (3-1)由于二极管电流的关系式如下， = (3-2)将(3-2)代入(3-1)可得=- (3-3)其中， = (3-4)= (3-5)式中，-光伏电池的输出电流；U-光伏电池的输出电压；-光生电流强度；-光伏电池内部等效二极管反向饱和电流，与光伏电池的材料有关，一般为常数，与光照强度无关；-电子电荷量(16C)，K-玻耳兹曼常数(138JK)；T-光伏电池工作时的绝对温度(K)；S-为光照强度(W)；-光伏电池在标准测试条件(光照强度为l kW以及环境温度为298K)下的短路电流；A-二极管的曲线常数；-光生电流随温度变化系数(0.0017A)；-晶体硅的能级宽度；-在标

30、准测试条件下二极管的饱和漏电流(约为10mAc)。-光伏电池的工作温度等于298K。(2)实际等效电路光伏电池的实际等效电路时在全面考虑光伏电池的串联电阻和并联电阻后得出的。该模型对应的等效电路如图3.4。图3.4 光伏电池实际等效电路按照图3.4所规定的电压、电流正方向，由基尔霍夫电流定律可以推导出光伏电池的电流关系： (3-6)又知= (3-7)由于=将上式代入（3-7）式，可得 (3-8)上式中，除和外，其余物理量与光伏电池理想等效电路对应的数学表达式中的物理量相同。是光伏电池的串联电阻，主要由光伏电池的体电阻、表面电阻、电极的导体电阻、金属导体电阻以及电极与半导体表面的接触电阻组成，其

31、阻值一般小于1；是光伏电池的并联电阻，主要包括半导体PN结的泄露电阻和电池边缘泄露电阻组成，阻值一般在几千欧姆2。由于光伏电池的并联电阻的阻值较大，流过并联电阻的电流半非常小，可忽略不计。此时，式（3-8）可简化为： (3-9)由于光伏电池的实际等效电路考虑了所有内阻的影响，与光伏电池的实际物理模型非常接近，具有较高的精度，可广泛用于光伏电池及其输出特性的研究与分析。3.3 光伏阵列通用仿真模型331 光伏阵列通用仿真数学模型本文用于Matlab建模的光伏阵列数学模型如下21： 任意太阳辐射强度R（w）和环境温度（C）条件下，太阳电池温度（C）为： (3-10)其中，R为光伏阵列倾斜面上的总太

32、阳辐射；（）为太阳电池模块的温度系数。设在参考条件下，为短路电流，为开路电压,为最大功率点电流和电压,则当光伏阵列电压为V,其对应点电流为I: (3-11)其中， (3-12)()ln()(3-13)考虑太阳辐射变化和温度影响时， (3-14)其中，(-1) (3-15) (3-16)(3-17)，：太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为1kW,25；：在参考日照下，电流变化温度系数（Amps/C）；：在参考日照下，电压变化温度系数（V/C） ；：光伏模块的串联电阻（Ohms），由下式决定20其中，:材料带能，=1.12eV(硅)；，：参考条件下， 光伏阵列最大功率点电压和电流；，：参考条件下

33、，光伏阵列短路电流和开路电压；，：参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数；：光伏阵列各模块的单元串联数；：光伏阵列模块的串联数；：光伏阵列模块的并联数；：参考条件下,光伏电池温度，一般设定为25。332 光伏阵列MATLAB仿真模型基于上述数学模型，在Matlab环境下，利用simulink工具, 建立了光伏阵列的通用仿真模块。图 3.5 光伏阵列 Matlab 仿真模块内部结构图图 3.6 PV模块外观图T，S为输入的实时环境温度、太阳辐射强度Vpv为光伏阵列的工作电压Ipv为光伏阵列输出电流PV模块是根据其数学模型建立的。由式(3-14)可以看出，在电池参数已知的情况下，电池的输出

34、电流只与光照强度S和温度T有关。建立了PV模块，它的输入量是光照强度S和温度T，输出量是光生电流I。PV的仿真模块如图 3.5 所示，图 3.6 所示为该模块外观。333 光伏阵列仿真结果由于图3.5为子系统内部结构图，外接信号和示波器（如图3.7），可以得出光伏阵列外部特性曲线。图 3.7 光伏阵列模块外部特性仿真模型图对图3.7进行仿真，得光伏阵列外部特性曲线，如图3.8所示。（1）光伏阵列U-I特性曲线（2）光伏阵列U-P特性曲线图3.8 PV阵列仿真结果曲线对比图3.8和图3.1、图3.2，可知结果是正确的。3.4 光伏电池最大功率点跟踪方法在天气条件变化时，如何使电池始终工作在其最大

35、功率点处，成为光伏技术的研究焦点之一，这就是最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）。341 最大功率点跟踪的原理最大功率点跟踪本质上是光伏电池输出特性与所带负载进行最佳匹配的自寻优过程。根据3.1节和3.3节所做的讨论，光伏电池的输出功率会随着光照强度和温度的变化而变化。对应一定光照和温度条件下，光伏电池有唯一的最大工作点，当光照或者温度变化时，最大工作点将会发生移动，最大功率点所对应的最大功率点电压和最大功率点电流也会相应的移动，最大功率点电压和最大功率点电流的比值即为光伏电池所带的负载。光伏电池最大功率点的移动就意味着所带最佳匹配负载发生了变化，

36、此前所带负载已不再是最佳匹配负载，有必要将其进行调整。最大功率点跟踪控制通过控制算法预估当前光照和温度条件下光伏电池的最大功率点所处的位置，实时调整阻抗变换器的导通时间，改变负载特性，最终达到光伏电池输出特性与所带负载的最佳匹配16。342 最大功率点跟踪方法概述经过人们的积极探索，目前已经出现了多种MPPT控制方法，如定电压跟踪法、干扰观察法、电导增量法、模糊控制法、间歇扫描跟踪法、最优梯度法、神经网络控制法、功率回授法、二次插值法等2,16。目前，比较常用的MPPT控制方法主要有定电压跟踪法、干扰观察法和电导增量法。本节将介绍几种常用的MPPT控制方法以及各自的优缺点。1恒电压控制法18（

37、Constant Voltage Tracking-CVT）通过图3.1可知，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一恒定的电压值附近，这样可以采用CVT法，而把成为蛛。在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点始终稳定在蛛附近。这样不但简了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率点。但一般硅型光伏阵列的路电压都会受到结温度的影响，在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用恒定电压控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率点，产生较大的功率损失。特别是在有些情况下，光伏阵列的结

38、温升高的比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统将会产生振荡。对于那些一年四季或者每天晨午温差比较大的地区，温度对整个光伏阵列的输出将会产生比较大的影响，如果仍然采用CVT控制策略就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。2电导增量法(Inc)电导增量法16 (Incremental conductance Algorithm)也是MPPT控制常用的算法。通过光伏电池阵列P-V曲线（图3.2）可知其在最大功率点处的斜率为零，即式(3-18)、(3-19)成立。将(3-18)式代入(3-19)式进行推算便得到(3-20)式。 (3-18) (3-19) (3-2

39、0)从图3.9中可以看出，dP/dV值是与输出电压值一一对应的。当，在最大功率点处；当，在最大功率点左边；当，在最大功率点右边。图3.9 光伏电池P-V和-V关系图电导增量法通过设定一些很小的变化阐值，判断目前工作点在最大功率点的哪一侧，然后改变逆变器输出功率，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点，而不是来回的跳动。当从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，不会出现误判断的过程。电导增量法的流程图如图3.10所示。图3.10 电导增量法的流程图此跟踪法最大的优点，是当光伏电池上的光照强度产生变化时，输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电压波动较

40、扰动观察法小。缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。而且实际的太阳能光伏阵列可能存在局部的功率最大点，这种算法可能导致系统稳定在局部最优点上。3.干扰观察法20干扰观察法是常用的MPPT控制方法之一。其算法如下：控制器在每个控制周期内，以较小的步长改变光伏阵列的输出电压或电流，改变的步长是一定的，方向可以是增大的方向也可以是减小的方向。然后检测出干扰后的功率，与干扰前所记忆的功率进行比较，如果干扰后的功率大于干扰前的功率，则说明干扰方向正确，沿着该方向继续干扰；反之，如果干扰后的功率小于干扰前的功率

41、，则说明干扰方向错误，将干扰方向变反后继续干扰，如此循环进行，光伏阵列的实际工作点就可以接近最大功率点。干扰观察法的控制流程图如图3.11所示。图3.11 干扰观察法的控制流程图干扰观察法只需要通过传感器检测光伏电池的输出电流和电压，控制结构简单，易于实现，并且是对前后两次检测结果作比较，对传感器的精度要求不高，在光照强度变化不大的情况下具有较好的使用效果，光照变化剧烈时会发生误判。由于干扰观察法是在干扰的基础上进行工作的，该方法不能兼顾跟踪精度和跟踪速度，扰动步长较大可保证跟踪的快速性，但跟踪精度较差；扰动步长较小可保证跟踪的准确性，但跟踪速度较慢。此外，即使系统已经达到了最大功率点处也会继

42、续干扰，因此该方法不能使系统稳定在最大功率点处，而是在最大功率点附近振荡，这种振荡会造成一定的功率损失。为了改善干扰观察法的这种缺点，本文对干扰观察法作了改进，将在3.4.3节进行详细的介绍。343 一种改进的干扰观察法由342节对干扰观察法的介绍可知，干扰观察法是基于不断的扰动进行工作的，即使光伏系统已经达到了最大功率点，扰动依然会继续，这种不断的扰动会使光伏系统在最大功率点附近振荡，而不会稳定在最大功率点处。振荡必然会带来一定的功率损失。针对干扰观察法的这一缺点，对其进行了改进了，提出了一种改进干扰观察法，该方法适用于光照比较稳定的情况。改进干扰观察法的核心思想是变步长，即在扰动过程中不断

43、地改变扰动步长26-27。开始时给控制器指定一个固定的步长，然后开始扰动，直到检测到扰动方向错误，扰动方向将会变反，此时将原先指定的步长减去某个常数作为新步长沿着变反的方向扰动，直到再次将扰动方向变反；此时将改变后的步长再减去同一个常数作为再次扰动的步长，然后按照改变后的方向继续扰动；如此反复，直到步长减到零，此时光伏阵列的实际工作点就稳定在最大功率点处。为了直观地表达改进干扰观察法的思想，以图312为例进行了阐述。图312 改进干扰观察法的跟踪过程示意图在图312中，假设Pk-1、Pk和Pk+l三点与最大功率点Pm紧邻，若光伏电池当前工作点位于最大功率点左侧的Pl点，以一定的步长增加电压的给

44、定值，对应的输出功率将会逐步增大，说明扰动方向正确，以该步长继续增加电压给定值，功率点会由P1逐步移到P2、P3直到Pk。当由Pk移到Pk+l处时，输出功率减小，说明扰动方向错误，应按反方向扰动。在改变扰动方向的时刻，传统干扰观察法仍以原来的步长进行扰动，即由Pk+l移到Pk处，再由Pk移到Pk-1处，最终造成系统在Pk-1、Pk和Pk+l三点之间振荡。而改进的扰动观察法在每次改变扰动方向的时刻都会减小步长，即由Pk+l移到图中虚线处而非Pk处，可以看出虚线处比Pk更靠近最大功率点Pm，当再次改变扰动方向时扰动步长会进一步减小，如此循环进行，系统在Pm附近的振荡区域越来越小，最终会稳定在Pm点

45、。改进干扰观察法的具体算法如下：首先设定参考电压Ur和扰动步长step的初值；然后检测扰动后电压U(k)和电流I(k)，计算出扰动前后的功率变化量和电压变化量；由的值决定是否改变扰动步长，若0，保持原扰动方向，若0，将扰动方向变反；用求得的新步长和扰动方向修正参考电压Ur的值，并更新输出功率的值；如是循环，直至step变为零。改进干扰观察法的流程图如图313所示。图313 改进干扰观察法的流程图传统的扰动观察法在稳态时候的功率损失比较大，而且在光照强度发生变化时，有一次误判，而改进的扰动观察法则克服了上述问题，在远离最大功率点处采用较大的扰动步长，在最大功率点附近采用较小的扰动步长；在光照强度发生变化时，改进的方法跟踪到最大功率点所需要的时间比传统的方法要短，这样既保证了跟踪速度，又保证了最大功率点的跟踪精度，减少了稳态功率损失，而且在