光伏發電最大功率跟蹤技術研究

吳麗紅

（四川省綿陽電業局，四川綿陽621000）

光伏發電最大功率跟蹤技術研究

吳麗紅

（四川省綿陽電業局，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是半導體P-N結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應，就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體P-N結時，就會在P-N結的兩邊出現電壓，一般稱之為光生電壓，使P-N結短路時就會產生電流，這種現象就是著名的光生伏打效應。

1.1 太陽能電池的等效電路及數學模型[6]

為了描述電池的工作狀態，往往將電池及負載系統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表示并聯電阻；Rs表示串聯電阻；R表示負荷電阻；I表示負荷電流；V表示負荷電壓。

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結的理想因子，當溫度T=300K時，取值2.8；K是波耳茲曼常數，為1.38×10-23J/K；T是絕對溫度；Rs是串聯電阻（為低阻值，小于1Ω）；Rsh是并聯電阻（為高阻值，數量級為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特性是系統分析最重要的技術數據之一，圖2表明它具有強烈的非線性性質，由圖可看出最大功率Pm與電壓、電流的關系。

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

在太陽能光伏發電系統中，太陽能電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效率必須要提高太陽能電池的轉換效率，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重要的。最大功率點跟蹤的過程實質上是一個自尋優過程，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，當太陽能電池工作于最大功率點電壓Vm左側時，其輸出功率隨電池端電壓的上升而增加；當太陽能電池工作于最大功率點電壓Vm右側時，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，然后根據不同的工作區采取不同的工作指令進行跟蹤控制。但要注意日照強度和環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，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）。此外，這種方法忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，缺乏準確性。②電導增量法:電導增量法也是MPPT控制常用的算法之一。這一跟蹤法的最大優點是當太陽電池上的日照強度產生變化時，其輸出端電壓能以平穩的方式追隨其變化，其電壓波動較擾動觀察法小，不過其算法較為復雜，且在跟蹤過程中需花費相當多的時間去執行A/D轉換，這對微處理器在控制上會造成相當大的困難。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的電流值，經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。這種方法一般不會產生振蕩[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量、節約成本。原材料要經有資質的第三方檢測機構試驗選定，生產廠家應相對固定，除常規檢驗合格外，骨料應遵循優質、經濟、就地取材的原則，優先選用石灰巖質的原料，細骨料的表面含水率不宜超過6%

3 光伏并網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劣，還需要根據實際應用場合選取適合光伏系統拓撲以及負載特性的最優算法。假設系統采用兩級并網逆變器，MPPT在前級變換中實現，并網控制等其他控制要求在后面的變換中實現，從而降低了控制的復雜程度，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行跟蹤，即：直接調節DC-DC部分的占空比來調節太陽電池的工作電壓，根據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，其誤差經過PI調節后用于產生PWM驅動波形，從而驅動電路中開關器件的導通、關斷。DC-AC控制部分主要完成穩定Dclink母線電壓和控制輸出與電網電壓同頻同相的正弦電流兩部分。Dclink檢測電壓閉環回路只有在Dclink的電壓超過其上限電壓設定值時才起作用，其目的是防止Dclink的電壓過高而損壞主電路的器件。

3.1 光伏并網逆變器控制目標

光伏并網系統是將太陽能電池板產生的直流電轉化為正弦交流電，從而向電網供電的裝置，它實際上是一個有源逆變系統。光伏并網控制目標是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩定的高質量的正弦波，且與電網電壓同頻、同相。因此選擇并網逆變器的輸出電流為被控量，并網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為逆變電路交流側電壓，Vnet為電網電壓。因為并網逆變器的輸出濾波電感L的存在會使逆變電路的交流側電壓與電網電壓之間存在相位差，即：為了滿足輸出電流與電網電壓同相位的關系，逆變輸出電壓要滯后于電網電壓[12]。

圖4 并網時的等效電路Fig.4 The equivalent circuit of the voltage and current under grid-connected

圖5 并網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

在光伏并網發電系統中，并網逆變器工作在有源逆變狀態且其功率因數應為1，以保證不對電網造成污染。當電網電壓Vnet一定時，若控制VL沿ab方向調節，則從矢量圖中可以看出電感電壓矢量VL滯后電網電壓矢量Vnet90°，并網輸出的電流I超前電感電壓矢量VL90°,即與電網電壓同相位，從而實現無污染的并網輸出。

3.2 光伏并網逆變器控制策略的研究

光伏并網逆變器的控制部分是逆變器設計的重點，采用先進的控制技術是提高逆變器性能必不可少的關鍵技術。隨著電力電子器件的高頻化和微處理器運算速度的提高，特別是高性能數字信號處理器（DSP）的出現，使得一些先進的控制策略應用于光伏并網控制成為可能。

目前廣泛應用于太陽能并網發電系統中的方案是：首先將太陽光能轉化成電能的形式，然后將電能調節成滿足正弦波脈寬調制（SPWM）全橋逆變器需要的直流電壓，最后經SPWM全橋逆變器將太陽能回饋給交流電網。在整個系統最主要的環節（逆變器）中，采用的就是SPWM逆變技術。為了減少并網裝置在并網工作時產生的沖擊，根據電力系統準周期并列的條件，并網逆變器在實現并網工作時應同時滿足以下3個條件：①并網逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應在10%以內；②并網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，控制系統需要完成以下任務：①采集直流、交流電壓和電流等模擬量用于監控和控制；②向功率器件驅動板提供脈寬和頻率可實時改變的SPWM信號；③檢測電網電壓的頻率和相位實現數字鎖相；④接收功率器件發出的過流、過壓等保護信號，實現自動保護功能。

3.3 基于SPWM的電壓/電流型并網逆變器控制的控制系統數學模型

單相光伏并網系統的主電路拓撲結構為一個H橋，如圖6所示，通過功率器件的換相，直流能量轉換成適合于饋入電網的交流能量，由于電網反映電壓源的特性，因此，饋入電網的能量應以電流源的形式出現。通過交流側電感的濾波作用，逆變橋輸出的SPWM電壓波形轉換成適合于饋入電網的正弦波電流。橋路功率開關器件的通斷由以DSP芯片為核心的弱電控制主板產生的SPWM波控制[14]。

圖6 主電路拓撲結構Fig.6 Sketch map of grid-connected inverter for modeling

對逆變器輸出端電路，圖6中取流經濾波電感L的電流iL為狀態變量。則由圖6可得

經過Laplas變換，可解出IL（s）

式中，Vab是未經濾波的逆變器輸出電壓；G3（s）為濾波電路傳遞函數；RL為電感及交流進線的等效電阻。

如果忽略功率開關器件T1～T4開關延時及死區時間的非線性影響，SPWM控制方式下的橋式逆變環節為一個純滯后環節，可等效為一個小慣性環節，傳遞函數為

式（5）中，Tpwm是一個開關周期，當開關頻率取10kHz時；Tpwm為100μs；Kpwm為逆變器增益，與PI調節器的最大限幅值有關，由式（4）和（5）可得到系統的并網電流閉環結構圖，如圖7所示。

不對逆變系統進行任何控制的情況下，系統被控對象的傳遞函數為

圖7 電流閉環結構圖Fig.7 The flow chart of current loop

式（6）中，L為逆變器濾波電感；RL為電感及交流進線的等效電阻；a為反饋系數。

4 結論

在太陽能光伏發電系統中，太陽能電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效率必須要提高太陽能電池的轉換效率，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。重點介紹了并網逆變器的最大功率控制方法，研究了并網光伏逆變器的控制目標和控制策略，最后還給出了基于SPWM的電壓/電流型并網逆變器控制的控制系統數學模型。

[1]寇鳳海,朱曉榮,張建成,等.光伏發電系統發電量的一種表征方法[J].陜西電力，2010（12）：38-41.

KOU Feng-hai,ZHU Xiao-rong,ZHANG Jian-eheng,et al.A Representati0n Method for Generating Capacity of Photovoltaic Power Generation System[J].Shaanxi Electric Power,2010（12）：38-41(in Chinese).

[2]海濤,劉得剛,駱武寧,等.一種太陽能光伏并網逆變器的研究[J].陜西電力，2010(1):49-52.

HAI Tao,LIU De-gang,LUO Wu-ning,et al.Research on Solar Photovoltaic Grid-connected Inverter[J].Shaanxi Electric Power,2010(1):49-52(in Chinese).

[3]黃先偉,張淼,岑長岸.參數辨識在光伏發電控制系統中的應用[J].陜西電力，2009(1):5-8.

HUANG Xian-wei,ZHANG Miao,CEN Chang-an.Application of Parameter Identification in Control System for Photovoltaic Generation[J].Shaanxi Electric Power,2009(1):5-8(in Chinese).

[4]楊琦,魏賓.風光互補獨立供電系統設計及分析[J].陜西電力，2009(1):1-4.

YANG Qi,WEI Bin.Design and Analysis of Stand-alone Hybrid Wind/PV Power System[J].Shaanxi Electric Power,2009(1):1-4(in Chinese).

[5]傅旭,李海偉,李冰寒.大規模風電場并網對電網的影響及對策綜述[J].陜西電力，2010(1):53-57.

FU Xu，LI Hai-wei，LI Bing-han.Review on Influences of Large-scale Wind Farms Power Systems and Counter measures[J].Shaanxi Electric Power,2010(1):53-57(in Chinese).

[6]趙春江，楊金煥，陳中華，等.太陽能光伏發電應用的現狀及發展[J].節能技術，2007(9).

ZHAO Chun-jiang,YANG Jin-huan,CHEN Zhong-hua,et al.The Application and Development of Solar Photovoltaic Generation System,Energy Conservation Technology,2007(9)(in Chinese).

[7]詹昕,王凱,劉春梅.VSC-HVDC并網穩態建模及仿真研究[J].陜西電力，2011(3):1-4.

ZHAN Xin，WANG Kai，LIU Chun-mei.VSC-HVDC-based Network Modeling and its Simulation[J].Shaanxi Electric Power,2011(3):1-4(in Chinese).

[8]蔡彥濤,楊俊華,楊夢麗,等.基于并網型雙饋感應發電機的風電場暫態穩定性研究[J].陜西電力，2011(6):6-11.

CAI Yan-tao,YANG Jun-hua,YANG Meng-li,et al.Study on Transient Stability of Grid-connected Wind Farm with Doubly Fed Induction Generator[J].Shaanxi Electric Power,2011(6):6-11(in Chinese).

[9]張矛盾,張淼,王鋒,等.基于隔離式Cuk電路的黃金分割法MPPT[J].陜西電力，2009(9):1-5.

ZHANG Mao-dun,ZHANG Miao,WANG Feng,et al.Isolated Cuk Circuit based Maximum Power Point Tracking by Golden Section Method[J].Shaanxi Electric Power,2009(9):1-5(in Chinese).

[10]閆士職，尹梅，李慶，等.太陽能光伏發電并網系統相關技術研究[J].電子元器件應用，2009，1.

YAN Shi-zhi,YIN Mei,LI Qing,et al.Analysis and Research on the Technology of Photovoltaic Grid-Connected Generation System[J].Electronic Component And Device Applications,2009(in Chinese).

[11]曹海紅.光伏并網系統研究[J].中國科技信息，2009，4.

CAO Hai-hong.The Reseach on Photovoltaic Grid-Connected Generation System[J].China Science and Technology Information,2009,4(in Chinese).

[12]周治，呂康，范小苗.光伏系統設計軟件簡介[J].西北水電，2009，6.

ZHOU Zhi,LV Kang,FAN Xiao-miao.Brief on Design Software of Photovoltaic System[J].Northwest Hydropower,2009,6(in Chinese).

[13]趙春江，朱元昊，包大年.太陽能光伏發電系統設計實踐[J].節能技術，2007，7.

ZHAO Chun-jiang,Zhu Yuan-hao,Bao Da-nian.The Design and Practice of the Solar Photovoltaic Generation System[J].Energy Conservation Technology,2007,7(in Chinese).

[14]馬幼捷，程德樹，陳嵐,等.光伏并網逆變器的分析與研究[J].電氣傳動,2009，4.

MA You-jie,CHENG De-shu,CHEN Lan,et al.Analysis and Research on Photovoltaic Inventer[J].Electric Drive,2009,4(in Chinese).

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行介紹，詳細分析太陽能電池工作的等效電路和數學模型；介紹了幾種最大功率點跟蹤的控制方法；分析光伏并網逆變器的控制目標，研究其控制策略，并設計了基于SPWM的電壓/電流型并網逆變器控制的控制系統數學模型。

并網逆變器；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發電理論研究。

（編輯 徐花榮）