光伏发电系统MPPT控制方法的研究

硕士学位论文

光伏发电系统MPPT控制方法的研究

姓名：王岩申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化

指导教师：20071215

华北电力大学硕士论文摘要摘要能源犹如人体的血液。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。随着能源危机与环境污染的加剧，太阳能的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建模仿真方面对具有最大功率点跟踪的控制器进行了研究，提出了一种基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现最大功率点跟踪的方法，仿真表明该方法能够很好的处理好控制精度和速度这一矛盾，使光伏系统始终输出最大功率。光伏并网是光伏发电未来发展的大趋势，将该控制策略应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制，并结合消谐ＰＷＭ控制，实现了系统的高效率并网运行。关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，模糊参数自校正ＰｌＤ控制，消谐ＰｗＭ控制ＡＢＳＴＲＡＣＴＥｎｅｒｇｙｓｏｕｒＣｅｓａｒｅｌｉｋｅｔｈｅｂｏｄｙｂｌｏｏｄ．ＡｓｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄａｎｏＶｅｌｇｒｅｅｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｗｏｒｓｉｎｇｏｆｂａｓｅｄｏｎｉｓａｂｕｎｄａｎｔ，ｎｏｎ－ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃＩｌｉｓｉｓａｎｄｅｎＶｉｒｏｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ０１ａｒｅｎｅ玛ｙｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄ１０ｔｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｏｌａｒｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｅｎｅｒｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｆｏｃｕｓｗｈｉｃｈｐｅｏｐｌｅａｔｔｅｎｄｔｏ．Ａｉｍｓａｔｈｏｗｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｅｆ矗ｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆ．ｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｈｅｔｈｅｓｏｌａｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ａＩｌｄｆｕｚｚｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆ．ｎｌｎｉｎｇＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒｔｏａｃｈｉｅＶｅｔｈｅＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＶｓｙｓｔｅｍ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｄｏｐｔｅｄｈａｓｇａｉｎｅｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｓａｔｉｓｆ．ａｃｔｏｒｙｅｆｆ．ｅｃｔｓｉｎｈａｎｄｌｉｎｇｂｏｔｈｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｐｅｅｄ，ａｎｄｋｅｐｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｉｎｇｉｎＶａｒｉａｂｌｙｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ鲈ｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｅｎｊｏｙｓｂｒｉｇｈｔｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅ如ｔｕｒｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ鲥ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈａｍｏｎｉｃｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｔｏａｃｈｉｅＶｅｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆ－矗ｃｉｅｎｃｙ．、ⅣａｎｇＹＡｎ（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）Ｄｉｒ．ｅｃｔｅｄｂｙｐＩ．ｏ￡ＬｉＰｅｎｇＫＥＹＷｏＲＤＳ：ｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ＭＰＰＴ，ｔｈｅｆｌ您ｚｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇＰｌＤｃｏｎｔｒｏｌ’ｈａｒｍｏｎｉｃｅⅡＩＩｌｉｎａｔｉｏｎＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌ华北电力大学硕士论文摘要摘要能源犹如人体的血液。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。随着能源危机与环境污染的加剧，太阳能的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建模仿真方面对具有最大功率点跟踪的控制器进行了研究，提出了一种基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现最大功率点跟踪的方法，仿真表明该方法能够很好的处理好控制精度和速度这一矛盾，使光伏系统始终输出最大功率。光伏并网是光伏发电未来发展的大趋势，将该控制策略应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制，并结合消谐ＰＷＭ控制，实现了系统的高效率并网运行。关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，模糊参数自校正ＰｌＤ控制，消谐ＰｗＭ控制ＡＢＳＴＲＡＣＴＥｎｅｒｇｙｓｏｕｒＣｅｓａｒｅｌｉｋｅｔｈｅｂｏｄｙｂｌｏｏｄ．ＡｓｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄａｎｏＶｅｌｇｒｅｅｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｗｏｒｓｉｎｇｏｆｂａｓｅｄｏｎｉｓａｂｕｎｄａｎｔ，ｎｏｎ－ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃＩｌｉｓｉｓａｎｄｅｎＶｉｒｏｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｔａｋｅｎａｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ０１ａｒｅｎｅ玛ｙｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄ１０ｔｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｏｌａｒｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｅｎｅｒｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｆｏｃｕｓｗｈｉｃｈｐｅｏｐｌｅａｔｔｅｎｄｔｏ．Ａｉｍｓａｔｈｏｗｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｅｆ矗ｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｆ．ｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｈｅｓｏｌａｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ａＩｌｄｔｈｅｆｕｚｚｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆ．ｎｌｎｉｎｇＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒｔｏａｃｈｉｅＶｅｔｈｅＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＶｓｙｓｔｅｍ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｄｏｐｔｅｄｈａｓｇａｉｎｅｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｓａｔｉｓｆ．ａｃｔｏｒｙｅｆｆ．ｅｃｔｓｉｎｈａｎｄｌｉｎｇｂｏｔｈｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｐｅｅｄ，ａｎｄｋｅｐｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｉｎｇｉｎＶａｒｉａｂｌｙｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ鲈ｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｅｎｊｏｙｓｂｒｉｇｈｔｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅ如ｔｕｒｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ鲥ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈａｍｏｎｉｃｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｔｏａｃｈｉｅＶｅｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆ－矗ｃｉｅｎｃｙ．、ⅣａｎｇＹＡｎ（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙｐｒｏｆＬｉＰｅｎｇＫＥＹＷｏＲＤＳ：ｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ＭＰＰＴ，ｔｈｅｆｌ您ｚｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇＰｌＤｃｏｎｔｒｏｌ’ｈａｒｍｏｎｉｃｅⅡＩＩｌｉｎａｔｉｏｎＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌ声尸明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《光伏发电系统ＭＰＰＴ控制方法的研究》，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：至茎日期：关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。（涉密的学位论文在解密后遵守此规定），Ｗ作者签名：圭丕日导师签名：日期：期：刀！兰！？华北电力大学硕士学位论文第一章绪论１．１课题背景１．１．１能源危机及环境污染问题十八世纪的工业，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模的开采矿产、石油、砍伐森林、开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在传统能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在２ｌ世纪上半期迅速地接近枯竭。能源危机迫在眉睫…。在２１世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为３９．９年，天然气可采量为６１年，煤炭可采量为２２７年。可见，化石能源的可采量已经是屈指可数了【２】。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济。事实上，近１０年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发，它的爆发将具有爆炸性！环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点【３】。环境污染是指对生态系统有害的物质进入环境后对生态系统所造成的干扰和损害的现象，对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体质量恶化，危及水生生物的生存，使水体失去原有的生态功能和使用价值，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种问接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。例如，温室效应、酸雨和臭氧层的破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。例如城市的空气污染造成空气污浊，人类的发病率上升等等；水污染使水环境质量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突同益增加。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。华北电力大学硕士学位论文正是在这样的背景下，世界各国相继制定了各种来减缓能源危机和提倡环境保护。１９７２年６月５日，联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次人类环境保护会议，随后，联合国设立了环境保护规划署。环境保护从此提到联合国和各国的议事日程上来，并规定每年的六月五日为世界环境保护日，“世界只有一个地球”，“地球是你我共同的家”，“让地球充满生机”等环保口号充分反映了全人类的共同心声【引。１．１．２太阳能的开发和利用２ｌ世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。由于传统能源（如煤、石油、天然气等）的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的传统化石能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点【５１。可再生能源特点，主要有：１）能源密度较低并且高度分散；２）资源丰富，可以再生；３）清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放；４）太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；５）开发利用的技术难度大。可再生能源的种类，主要有：１）联合国开发计划署（ＵＮＤＰ）分为３大类：ａ１大中型水电。ｂ）新可再生能源。包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能和海洋能等。ｃ）传统生物质能。２）我国目前是指除常规化石能源和大中型水力发电及核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能、海洋能等一次能源以及氢能、燃料电池等二次能源。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比可利用最大，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一【６，７１。因为它具有以下的特点：１）普遍。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到处寻找，更不需要火车、轮船、汽车等Ｒ夜不停的运输。这对解决偏僻边远地区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。２）无害。利用太阳能作能源，没有废渣、废料、废水和废气排出，没有噪声，２华北电力大学硕十学位论文不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境，没有公害。３）长久。只要存在太阳，就有太阳辐射能。因此，利用太阳能作能源，可以说是取之不尽，用之不竭的。４）巨大。一年内到达地面的太阳辐射能的总量，要比地球上现在每年消耗的各种能源的总量大几万倍。太阳能的开发利用主要有光热利用、光化学利用、光生物利用和光伏利用等四种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。光化学利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光．化转换方式。光生物利用是通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻等。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点【２，８】。１）可靠：在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏系统经常用在要求供电可靠性很高的场合。２）耐用：目前绝大数太阳电池组件的生产技术，都足以保证ｌＯ年以上其性能不下降，一般可以发电２５年或更长的时间。３）维护费用低：在远离城镇的边远地区，为了维护或维修常规发电设备，需要将材料和人员运到很远的地方，其费用很高。光伏系统只需要周期性地检查和很小的维护工作量，因此维护费用比常规发电系统少得多。４）无需燃料费用：由于光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、运输和储存燃料的费用。５）减少噪声污染：光伏发电系统运动部件很少，基本没有噪声。６）安装组件积木化：便于用户根据自己的需要，选择和调整发电系统容量大小，安装方便灵活。７）安全：光伏系统不用易燃的燃料，只要设计合理和安装适当，系统具有很高的安全性。８）自主供电：离网运行的光伏发电系统具有供电的自主性、灵活性。有些用户采用光伏发电的目的，就是由于该系立于公用电网的自主性。９）非集中电网：小型分散的光伏发电站，可减少公用电网故障给用户带来的不良影响及危害。１０）高海拔性能：在高海拔地区，随着只照的增强光伏系统的输出功率将增加，因此使用光伏发电非常有利。相反，由于在高海拔地区空气稀薄，柴油发电机的工作效率降低，机组的实际输出功率减少很多。３华北电力大学硕士学位论文１．２太阳能光伏发电产业的广阔前景１．２．１国外光伏发电产业的发展太阳能光伏发电产业自２０世纪８０年代以来持续高速发展，目前，世界光伏产业正以３１．２％的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高的产业，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一【４】。光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国，普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发电具有许多优点，但是其发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法与常规能源进行竞争。２０世纪９０年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。２１世纪，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。为了鼓励太阳能的丌发和利用，各国分别积极制定各种优惠来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美日德等西方发达国家为主１９￣１¨。１）１９９６年，在美国能源部的支持下，美国开始了一项“光伏建筑物计划”，投资２０亿美元；１９９７年美国在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”，计划到２０ｌＯ年安装１００万套太阳能屋顶；２００２年，美国的光伏电池生产总量达到１１２．９Ｍｗ，计划到２０１０年要求发电成本降到７．７美分／千瓦时。２）日本早在１９７４年就公布了“阳光计划”，１９９３年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用的法规，极大地推动了日本光伏工业的发展与应用。２００２年，同本的光伏电池生产总量己达到２５４．５ＭＷ，并且以世界最快的增长速度一８．６％增长，计划到２０１０年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。３）德国是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。１９９０年，德国率先推出“１０００太阳能屋顶计划”，１９９３年，德国首先开始实施由投资支持，被电力公司承认的１０００屋顶计划，继而扩展为２０００屋顶计划；１９９８年德国进一步提出了１０万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等，１９９９年１月起丌始实施“十万太阳能屋顶计划”。德国颁布的“可再生能源法”于２０００年４月１日正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。预计到２０５０年左右，太阳能发电将达到世界总发电量的１０％～２０％１４Ｊ。４华北电力人学硕七学位论文１．２．２我国光伏发电产业的发展‘１２’１３１我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从６０年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从１９７０年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在８０年代中期建立起来。８０年代中期，我国光伏电池／组件总生产能力达到４．５ＭＷ，光伏产业初步形成。经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。至９０代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了１７ＫＷ和７ＫＷ的光伏发电屋顶系统。１９９９年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室和中试产品，但在２０００年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，２００３年１０月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，“光明工程”将筹资１００亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到２００５年全国光伏发电系统总装机容量达到３００ＭＷ。至２００３年底，我国光伏产业总的生产能力达到３８ＭＷ，太阳能电池／组件的实际生产量达到１３Ｍｗ。在市场方面，截至２００３年底我国光伏系统累计装机容量达到４５Ｍｗ。２００４年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达１兆瓦，年发电能力约为１００万千瓦时；２００５年２月２８同第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》自２００６年１月１日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用；２００８年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现。我国光伏产业在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。差距表现在：①生产规模小，自动化水平低，规模化效应没有充分发挥出来；②专用原材料国产化程度不高，品种不全，性能有待进一步改进。这些差距使我国光伏组件的成本比国际市场高，在国际竞争中处于不利地位，特别是在加入ＷＴＯ后的零关税情况下，我国光伏产业在国内外市场上面临着非常严峻的考验。可以说，我国的光伏产业虽是任重而道远，但ｆｊ｛『景是一片光明的Ｉｌ４｜。１．２．３并网发电成为光伏发电的发展趋势太阳能光伏并网发电系统的作用是将太阳能转换为可供利用的交流电能。光伏并网发电开始于８０年代初，大都是较大型的光伏并网电站，规模从１００Ｋｗ到１ＭＷ不等，都是投资的试验性电站。但由于太阳能电池成本过高，其发电成本很难华北电力大学硕士学位论文让电力公司接受。９０年代后，国外发达国家掀起“屋顶光伏并网系统”的热潮，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。近年来，光伏并网发电更是成为光伏发电应用的重要方向和研究热点，这标志着太阳能光伏并网发电技术己经进入了一个新的历史阶段，即太阳能光伏发电己开始向大能源、替代能源过渡，也就是说，光伏发电应用己经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑结合的常规供电方向发展。据统计，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，在光伏行业中的市场比例上升迅猛，至２０００年已上升５０％。并网所用的太阳能电池己占全球产量的一半以上，成为太阳能发电最重要的应用领域，而且随着大规模的应用，发电成本还将不断下降，作为一种分散供电的新模式，有着十分广阔的应用前景【Ｉ５１。特别值得提出的是，并网发电和光伏建筑集成发展迅速，２００１年并网发电占总光伏应用的５１％，已成为最大的光伏市场。目前，国外并网发电技术日趋成熟，已开发出并网发电专用的逆变器及相应的配套组件。我国虽己成功地实现了部分地区的并网发电，但在联网的光伏发电方面，我国只有ｌｏｏＫＷｐ以下等级的系统，仍然缺乏ＭＷ级以上光伏发电系统联网的经验，特别是太阳能光伏发电屋顶系统的安装经验。但随着电力电子及微电子技术的快速发展，并网发电系统将会得到不断的改善。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。１．３本文的主要工作本文在分析了光伏发电系统的基础上，对光伏发电系统ＭＰＰＴ控制做了定量研究，系统的分析了光伏发电系统ＭＰＰＴ控制对光伏发电效率的影响，通过建模与仿真，完成了模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的研究。１．概述了太阳能光伏发电系统的组成，介绍了目前我国太阳能光伏发电技术的应用，并根据不同的场合，对太阳能光伏发电系统进行了分类。２．比较分析了四种常用的ＤＣ／ＤＣ变换器的工作原理，在本文中提出利用ＢＯＯＳＴ型ＤＣ／ＤＣ变换器实现转换，并对参数进行分析和设计，建立ＢＯＯＳＴ型ＤＣ／ＤＣ变换器的仿真模型并仿真验证其可行性。３．分析了最大功率点跟踪原理，比较了几种常用的最大功率点跟踪方法，并在此基础上提出了基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的方法，仿真结果表明此方法的可行性。４．考虑到在实际应用的太阳能并网发电系统中，太阳能电池的输出及电网的电压是不断波动的。因此，提出了采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制对光伏并网系统输出功率进行控制并结合逆变器的消谐ＰｗＭ控制实现了光伏系统的高功率因数的并网运行。６华北电力人学硕七学位论文第二章太阳能光伏发电系统概述２．１太阳能光伏发电系统的组成太阳能发电是指无须通过热过程直接将太阳光能转换成电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转换成电能的直接方式，是当今太阳能发电的主流。时下，人们通常所说的太阳能发电就是指太阳能光伏发电。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏打效应【２】（光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。光被晶体硅吸收后，在ＰＮ结中产生一对对的正负电荷，由于在ＰＮ结区域的正负电荷被分离，于是一个外电流场就产生了，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的负端），将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。１）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能电池板的转化率，即将太阳能转换成电能的比率是其很重要的参数。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。２）太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于受天气等外界因素的影响，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。３）逆变器：逆变器是将直流电变成交流电的一种设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当用于交流负载时，逆变器是不可或缺的。逆变器按运行方式，可分为逆变器和并网逆变器。逆变器应用于运行的太阳能光伏发电系统，可为负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，可将发出的电馈入电网。４）蓄电池（组）：蓄电池（组）的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状念，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当Ｒ照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。７华北电力大学硕七学位论文２．２太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。２．２．１供电的光伏发电系立供电的太阳能光伏发电系统如图２。ｌ所示。图２．１供电的光伏发电系统结构框图整个供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。２．２．２并网光伏发电系统图２．２并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统如图２．２所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不问断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某华北电力大学硕七学位论文些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。２．２．３混合型光伏发电系统图２．３混合型光伏发电系统结构框图图２．３为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。２．３太阳能光伏发电系统的应用２ｌ世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。太阳能作为一种新兴的绿色能源，具有储量大、寿命长、利用经济、清洁环保等特点，因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视。其中，将太阳能应用于发电系统更是人们研究的热点。目前我国光伏发电系统的应用一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为２００万户偏远地区农牧民（即目前我国三分之一的无电人口）提供最基本的生活用电；另一方面，通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统【ｌ６＇０７１。此外，还将建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的９华北电力大学硕十学位论文大规模应用作好准备。２．３．１户用光伏发电系统、小型光伏电站户用光伏系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统（系统），多用于我国的广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能优良。例如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了３５３套家用太阳能光伏电源系统，太阳能电池组件总功率可达２２６５０Ｗ。此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统两大类。直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组３部分组成。交流系统比直流系统多一个逆变器，共由４部分组成。白天，太阳能电池组件接收太阳光照输出电能，然后经过防反充二极管向蓄电池组充电；夜晚，直流系统经过控制器将蓄电池组输出的直流电供直流负载使用，交流系统则经过逆变器把蓄电池组通过控制器输出的直流电变换为交流电供交流负载使用。在此系统中，太阳能电池组件的功能是将太阳辐射能转换为电能；蓄电池组的功能是将太阳能电池组件输出的直流电加以储存；防反充二极管的功能是用以阻止蓄电池组通过太阳能电池组件放电；控制器的功能是对蓄电池组的过充电和过放电进行保护；逆变器的功能是将蓄电池组输出的直流电变换为交流电。此外，我国在西北偏远地区（如青海、、、甘肃等地）还建立了一些小型光伏电站【埽】。由于特殊的地缘，光伏电站特别适合西部特殊的居住环境，特别是在青藏高原有着得天独厚的地理环境优势，大力开发利用太阳能新能源，将其转换为电能，既解决了部分无电人口的供电问题，又解决了边远地区的通讯问题，促进了西部地区脱贫致富，经济和生态环境的协调发展。其中成为我国光伏电站、光伏电池装机容量最大的省区，有效地改善了当地牧民们地用电紧缺现象，而在通讯方面，微波通讯中继站应用光伏电源达到７００ＫＷ以上，小型光伏电站有１３００个。２．３．２屋顶光伏发电系统随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划，“九五”期问，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将太阳能光伏发电系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很大方面的优点：１）不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要；２）可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗；３）降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗；４）取代和节约了昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；５）舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断电要求。ｌＯ华北电力大学硕士学位论文２００８年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，中国对在奥运村及奥运场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在奥运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。当今，诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源，于道路、公园、车站甚至家庭安装了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，造型新颖、美观大方、变化多样，而且经久耐用、融观赏性与实用性于一体，既不用拉电线、占用空间，还具有节能、环保，维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景线，为城市美化增添色彩。２．３．３大型并网光伏发电系统并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋势，光伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会利用能源的一场。目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也丌始建设大型并网光伏发电系统。我国的并网光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国己在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的并网太阳能光伏电站【ｌ９１，它在综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能光伏电站，电站总容量达１兆瓦，并网光伏电站的年发电能力约为１００万ＫＷｈ，相当于每年可节省标准煤约３８４余吨，减排粉尘约４．８吨，减排灰渣约１０１吨，减排二氧化碳约１７０余吨，减排二氧化硫约７．６８吨，是真正的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园ｌＭＷｐ并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时，也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白，将成为中国并网太阳能发电史上的里程碑。２．４本章小结面对能源危机和环境污染等问题，人类对光伏发电技术的研究和开发愈加重视。本章首先概述了光伏发电系统的组成，一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成；然后根据不同场合的需要，将太阳能光伏发电系统分为供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统三种：最后介绍了我国太阳能光伏发电技术的应用，分析了光伏发电系统不同发展应用阶段各自的优缺点，并指明大型并网光伏发电系统是未来光伏发电的主要发展趋势。华北电力人学硕十学位论文第三章ＤＣ／ＤＣ变换器的设计ＤＣ／ＤＣ变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压，其中二极管起续流的作用，ＬＣ电路用来滤波。ＤＣ／ＤＣ变换分类方式有多种【２１，按功率开关器件中的电流或电压的波形来分，可分为方波型和正弦型。前者是由于此类开关变换器在稳态运行中功率开关器件中电流或电压波形基本上是方波而得名；而后者是由于此类变换器在稳态运行中电流或电压波形基本上是正弦波而得名。按功率开关器件的控制方式来分，方波型变换器可分为：①脉冲宽度调制型（ＰｗＭ型），即控制信号的脉冲周期固定，而脉冲宽度可调：②脉冲频率调制型（ＰｗＦ型），即控制信号的脉冲宽度固定，而脉冲周期可调；③混合调制型，即控制信号的脉冲宽度和脉冲周期均可调节。而正弦波变换器则可分为：①模拟信号离散时间控制式；②脉冲频率控制式；⑨二极管导通角控制式；④电容电压控制式。按变换功能分，ＤＣ／ＤＣ变换器可分为两种：一种是电压一电压变换器，即变换器的输入和输出均可视为电压源；另一种是电流一电流变换器，即变换器的输入和输出均可视为电流源。工程上多采用第一种类型的变换器，即电压一电压变换器。而当输入需要为电流源时，通常采取将电压源和电感相串联的方式来实现。基本的电压一电压变换器有四种结构：降压式（Ｂｕｃｋ）、升压式（Ｂ００ｓｔ）、升降压式（Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ）、库克式（Ｃｕｋ）。下面就几种常用的变换器（降压式变换器（ＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔ砷、升压式变换器（ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）、升降压式变换器（Ｂｕｃｋ．ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）和库克式变换器（ＣｕｋＣｏｎｖｅｒｔｅｆ））分析一下Ｄｃ／ＤＣ转换电路的工作原理。３．１典型的ＤＣ／ＤＣ变换电路３．１．１降压式变化器（ＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）图３．１所示为降压式变换电路，其输出电压平均值Ｋ总是小于输入电压杉。。为在开关Ｓ关断时给负载中的电感电流提供通道，图中设置了续流二极管Ｄ。当开关Ｓ导通时，电源杉。向负载供电，电流流经电感Ｌ一部分向电容Ｃ，充电，另一部分流向负载，此时电路输出电压为Ｋ；当开关Ｓ关断时，电容放电，电流经二极管Ｄ续流，二极管两端电压近似为零。通过电感的电流‘是否连续，取决于开关频率、滤波电感Ｌ和电容ｅ的数值，通常串接￡值较大的电感。这种变换器适合用于太阳能光伏阵列输出端电压高而蓄电池电压低的情况，当电路工作于稳态时，输出电压平均值为：华北电力大学硕士学位论文％＝等圪＝Ｄ吃工（３．１）其中，Ｄ２南专，０如＜１，称为占空比。＋Ｕｌｓ－ＴＴＴ－Ｌ＋．＂一％２∑＝＝％［ＲＤＣ２Ｃ１图３．１降压式变换器电路图Ｂｕｃｋ变换器是ＰｗＭ型变换器中最简单，也是最基本的一种。其电路拓扑如图３．１所示。Ｂｕｃｋ变换器的优点是电路简单，动态性能好。其缺点是：①输入电流的脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以工程中常在电源和变换器之间加入一个输入滤波电容，如图３．１中的ｃｌ；②稳态电压比永远小于ｌ，只能降压；③丌关晶体管发射极不接地，使得其驱动电路很复杂。３．１．２升压式变换器（ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）图３．２所示为升压式变换电路，当开关Ｓ导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容Ｃ向负载供电，此时Ｋ＝Ｋ。。当开关Ｓ截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右ｊ下，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时Ｋ＝形。一圪。所以，输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。Ｒ图３．２升压式变换器电路图华北电力人学硕士学位论文Ｂｏｏｓｔ变换器的优点是：①输入电流连续，对电源的电磁干扰相对较小：②开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。其缺点为：①输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。②电压比永远大于ｌ，只能升压。３．１．３升降压式变换器（Ｂｕｃｋ—ＢｏＯｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）＋ＵＩｓ：Ｋ＜＋Ｌ２．Ｖｓ％乇。ｒ≤ｓ＝＝％［Ｃ２Ｃ３Ｒ下‘容器很大，可以形成一个恒定的输出电压。图３—３升降压式变换器电路图如图３．３所示为升降压式变换电路，该电路的基本工作原理是：当开关ｓ导通时，电源％向电感￡供电使其储存能量，此时电流为‘，通过电感的电压为巧＝圪；当开关Ｓ截止时，电感三中储存的能量向负载释放，电源不向电路提供能量。假设电当电路进入稳态后，一个周期内电感￡两端电压Ｋ对时间的积分为零，即肛￡以＝ｏ当开关ｓ导通时，巧＝％；而当开关ｓ截止时，巧＝一％。于是，圪乞。＋（一％）ｆ新＝０（３—２）（３－３）丘：旦．ｏ＜Ｄ＜ｌ卜Ｄ。圪（３．４）Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ变换器综合了以上两种变换器的部分特点，既可升压又可降压，其电路拓扑如图３．３所示。Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ变换器的优点是电路简单、电压变比可从零到无穷大变化，也就是既可升压又可降压。它的缺点主要是：①输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。所以工程上时常加有输入、输出滤波网络，如图３．３中的Ｃｌ，Ｃ２和厶；②开关晶体管的发射极不接地，使驱动电路较为复杂。３．１．４库克式变换器（ＣｕｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）ｃｕｋ变换器是由美国加利福尼亚工学院的ｓｌｏｂｏｄａｎｃｕｋ提出来的，其电路拓扑结构如图３．４所示。这个电路在克服了上述三种电路（Ｂｕｃｋ，Ｂｏｏｓｔ和Ｂｕｃｋ．Ｂ００ｓｔ）的１４华北电力大学硕士学位论文缺点同时，又将它们的优点保留下来。此电路的特点是：①输入、输出皆没有脉动，基本上是平直的，只在直流成份基础上附加一个不大的开关纹波；②电压变比可在零到无穷大之间变化；③开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。总之，Ｃｕｋ变换器的优势就在于用最少的元件获得最理想的稳态性能，因此某些文献上称之为最佳拓扑变换器【１４１。＋¨己～‘Ｉ÷Ｖ。％ＳｌＩ¨●ＴＴＴ●Ｌ２＋＜—＿５！Ｄ一＝％ｆＣ２Ｒ。Ｉ—ｌＩ图３－４厍克式变压器电路图Ｂｕｃｋ电路属于串联型开关变换器，又称为降压变换器。由于Ｂｕｃｋ电路是连续向负载供电、间断从电源取电，因此需要在光伏电池板输出端并联储能电容器以保证光伏阵列输出电流的连续。然而在大功率情况下，储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，使Ｂｕｃｋ电路无法工作在更高的频率下，增大了ＭＰＰＴ装置的体积，使整个系统变得笨重【２０１。Ｂｏｏｓｔ变换器属于并联型丌关变换器，又称升压变换器。Ｂｏｏｓｔ变换器可以将输出电压升高变换，效率较高，且电路的结构和控制比较简单。但由于Ｂｏｏｓｔ电路的不足之处是其输入端电压较低，在同样功率下，输入电流较大，因而会带来较大的线路损耗，但Ｂｏｏｓｔ电路具有独特的优点，仍然是一种吸引人的方案【Ｚ１，２引。一般，一个小型的太阳能光伏发电系统的输出电压不超过５０Ｖ，而铅酸蓄电池以及电机的电压在１００Ｖ之上【２３１。因此，为了满足人们需要，需要在太阳能电池板与负载之间加入升压变换器（Ｂ００ｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）。下面就详细的分析下升压变换器的工作原理。３．２升压式变换器（ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）的工作原理升压式变换器电路如图３．２所示，它由开关Ｓ、二极管Ｄ、储能电感三和滤波电容Ｃ组成。假设升压变换器电路中电感￡值很大，电容Ｃ值很大。当开关Ｓ开通时，其电路如图３．５（ａ）所示，输入电压圪向电感￡充电，同时电容Ｃ上的电压向负载供电，由于电容Ｃ值很大，因此输出电压基本保持恒定，记为％。假设开关Ｓ开通的时间为乙，则电感￡上的能量为圪厶乙。当开关ｓ关断时，其电路如图３－５（ｂ）华北电力大学硕＋学位论文所示，输入电压和电感三一起向电容Ｃ充电，并向负载提供能量。假设开关Ｓ关断的时间为锄，则电感Ｌ释放的能量为（％一圪），ｆｏ。当电路工作处于稳态时，一个周期内电感己上储存的能量与释放的能量相等，即（３—５）圪‘乙＝（％一圪）‘ｏ由式子（３．４）可以得出五：上．ｏ＜Ｄ＜ｌ圪ｌ—Ｄ（３—６）其中棚为占妣（肚蠹２争鲇ｍ物溅吼籼岖雌抛变。（ａ）开通状态图３．５升压变换器电路上作过程图（ｂ）关断状态３．３升压变换电路中参数的设计３．３．１储能电感Ｌ的选择电路中电感电流包括直流平均值以及纹波分量两部分，其中纹波分量为Ⅳ＝（Ｋ／三）０＝（形／￡）Ｄｒ当忽略电路内部损耗时，有（３—７）Ｋ‘＝％厶ＩｊＵＵ（３—８）其中‘是输入电源杉流出的平均电流，等于流入电感的平均电流‘即Ｋ‘＝％厶所以（３—９）１６华北电力人学硕士学位论文』，一一一一卜ＤＫＴ—ｖａＩｏ—Ｉｏ‘（３—１０）为保证电流连续，电感中的电流应该满足ｊ，≥三Ⅳ’（３．１１）２根据式（３．７），（３．１１）可以得出，电流连续情况下储能电感值为￡≥言Ｒ四（１一Ｄ）２波电流Ⅳ值为（３．１２）考虑到电感的饱和问题、减小ＩＧＢＴ中的峰值电流及电压损耗问题，这里取纹Ⅳ：监：１．４上￡（３・１３）‘由式子（３—６）、（３．８）、（３．１３）可以得出￡：盟：兰叟当！．１．４Ｉｉ１Ａ朋ｌｏ（３—１４）可以求得储能电感Ｌ的大小。３．３．２滤波电容Ｃ的选择开关Ｓ处于导通状态时，电容Ｃ给负载供电，其电流为一厶，当开关Ｓ关断时，电感￡中的感应电动势迫使二极管Ｄ导通，一面给负载供电（电流为厶），另一面补充当开关导通时电容Ｃ上减少的电荷。当开关Ｓ导通时，电容Ｃ上的电压压降为川－）－警当开关Ｓ关断时，电容Ｃ上的电压压升为（３．１５）△ｍ）＝去ｒｔ疵当电路进入稳态后，△矿（一）＝△矿（＋）由式子（３．１５）可得出（３＿１６）ｃ＝移＝篇△脉△矿㈦川。‘‘为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容由下面式子决定ｃ≥筹△豫３．４升压式变换器（ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）的仿真（３－１８）仿真参数设计为；输入电压为５０Ｖ，开关频率为ｌＯＯＫＨｚ，负载Ｒ为１００Ｑ，储１７，卜、、厂华北电力人学硕士学位论文能电感值Ｌ＝９ｐＨ，滤波电容Ｃ＝３ｍＦ，占空比为５０％。其仿真结果如图３．６所示。１４０１２０１∞＞＼、＼＼弋７＿：一＞～～：：—一…髻∞丑铎６０柏ａ．输出电压图１．４／＼、、１．２／ｔ！｛１一一一一～＋’／一一’＼、＼＼＼、。．一■一一～：’ｊ：）～。：：：：一一。＾《ＶＯ．８ｊ煺哥暑了Ｏ．６ｉ簿０．４Ｏ．２００Ｏ．００１０．００２Ｏ．００３Ｏ．００４Ｏ．００５０．００６Ｏ．００７０．００８０．００９０．０１１１ｍｅ（ｓ）ｂ．输出电流图图３．６升压变换器输出电压电流仿真波形华北电力大学硕士学位论文３．５光伏发电系统中ＤＣ／ＤＣ变换器功能的实现光伏发电系统中，ＤＣ／ＤＣ变换器主要有两个作用：一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处；二是蓄电池充电电压范围。本文着重讨论如何实现调节太阳能电池工作点这一功能１２４，２５１。由于太阳能电池的输出特性曲线受外界环境（如日照强度、温度等）的影响，对于不同的外界环境，太阳能电池的输出特性曲线不同。而在固定的外界环境下，太阳能电池的Ｉ．Ｖ输出曲线固定，但是相对于不同的工作点，太阳能电池的输出不同。因此，只要能够调节外电路的等效电阻，就可以达到调节太阳能电池的工作点的功能【２６】。太阳能光伏发电系统结构图如下：毒ｆＬｃ，ＤＩｆ｜｜ｆ｜｜ｌ～厶一、一ＩＩ”７、Ｉ蛐飞７一岛＝ｌ其中：、，三。ｌ于入‘Ｌ一一一Ｔ向下＝Ｒ图３．７太阳能发电系统结构图参见图３—７，假设Ｚ是理想开关，根据电路分析基本原理，可以得到乏在每一周期开、关两个状态的电路方程。＝．１．屯Ｉ导通时：眯．毛一争毒坠，ｇ。ｅ乃关闭时：ｔＩＩ．毛一。也３２Ｏ亟出盟出ＩＩ乞一％若在一个开关周期，将开关的状态量进行平均化处理，并用上划线表示状态平均量，则有：ｃ专＝ｉ～三。鲁＝亏－（１删瓦１９（３．２。）华北电力人学硕＋学位论文根据状态空间平均法，可得上述方程式的状态空间方程式为：Ｕ＾～——１。土ｅ（３．２２）Ｏ＾浏＝ｅ——１ｎＵ卧ｔ一一￡ｃｌ其中％＝（１一Ｄ）×气，Ｄ是占空比（０≤Ｄ≤１），上述方程中，‘的表达式中含有乞，因此方程是非线性的，最大功率点是该控制的平衡点。为简化计算在最大功率点处对方程进行线性化处理，即在筹Ｉ嚣＝ｏ，其吒¨为最大功率点电压和电流值，由（３．２２）可得：口１鱼ｆ－他１：班ｌ△么ｊｅｌｅＯｋ酬一牛㈣２３，其中Ｂ＝ｊ等匕ｅｘｐ［ｊ为ｇ。］，在式（３－２３）中，乞是状态变量，而‘不是，当ｔ和ｑ的值确定后，乞的改变主要由‰的变化决定。因此可知调整％的大小可以改变乞的值，并导致功率对电压的微分必／织的改变。而根据前面的叙述可知％的大小可以通过改变占空比Ｄ来控制。因此，在上述条件下太阳能电池的工作点可以通过占空比Ｄ来控制，那么通过正确调整占空比Ｄ的大小就能实现妒／炽为。的控制，进而实现太阳能输出的最大功率控制阢２８１。３．６本章小结ＤＣ／ＤＣ变换器，亦直流斩波器，通过调节控制丌关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压，在光伏发电系统中起着调节太阳能电池的工作点位于最大功率点处和蓄电池充电电压范围的重要作用。根据ＤＣ／ＤＣ变换器的工作原理，研究了正确调整占空比Ｄ的大小可以实现太阳能输出最大功率控制。本章首先比较分析了四种常用的ＤＣ／ＤＣ变换器的工作原理；接着重点提出采用Ｂ００ｓｔ型Ｄｃ／ＤＣ变换器实现转换，并对升压变换电路中的参数进行分析和设计，建立Ｂｏｏｓｔ型ＤＣ／ＤＣ变换器的仿真模型并给出仿真结果；最后详细分析了光伏发电系统中ＤＣ／ＤＣ变换器功能实现的问题。总之，本章的研究结果为下面几章中最大功率点跟踪控制的实现提供了基础。华北电力人学硕士学位论文第四章ＭＰＰＴ控制技术的研究及实现方案所有光伏系统都希望太阳电池阵列在同样同照、温度的条件下输出尽可能多的电能，这也就在理论上和实践上提出了太阳电池阵列的最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ——ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）问题。太阳能光电应用的目益普及、太阳电池的高度非线性和价格仍相对昂贵更加速了人们对这一问题的研究。本文在讨论太阳电池模型的基础上，讨论了太阳电池阵列ＭＰＰＴ控制的多种实施方案并提出了自己的方法和观点。４。１太阳能光伏电池的工作原理和特性４．１．１太阳能光伏电池的基本原理太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应（也称光伏效应）。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体Ｐ．Ｎ结，光伏效应更明显，因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。下面以硅半导体为例，对太阳能光伏电池的工作原理加以说明。当Ｎ型硅和Ｐ型硅结合时，Ｎ型区的电子扩散到Ｐ型区，Ｐ型区的空穴扩散到Ｎ型区，此时，Ｎ型带正电，Ｐ型带负电，在硅半导体内部产生电场。当太阳光照在半导体Ｐ．Ｎ结上时，形成新的空穴～电子对，在Ｐ．Ｎ结电场的作用下，空穴由Ｎ型区流向Ｐ型区，电子由Ｐ型区流向Ｎ型区，当接通电路后就形成电流。这就是光伏效应太阳能光伏电池的工作原理。４．１．２太阳能光伏电池的特性４．１．２．１太阳能光伏电池数学模型当光照恒定时，由于光生电流，扪不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源【２９１。．光伏电池的两端接入负载Ｒ后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压矿。负载端电压反作用于光伏电池的Ｐ．Ｎ结上，产生一股与光生电流方向相反的电流厶。此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻足。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大都在１００欧至几欧之剐如】。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流２ｌ华北电力人学硕十学位论文短路掉，因此引入一个并联电阻如来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在ｌＫＱ以上。太阳能光伏电池的等效电路如图４．１所示。１／硝乞１ｌｒ士麓１ｌｒＲ５二｛Ｉ－Ｉ图４．１太阳能光伏电池等效电路由太阳能光伏电池等效电路可得出：Ｉ＝Ｉｐｈ—ｌｄ—Ｉｓｈ（４．１）其中，——流过负载的电流；Ｌ——与同照强度成正比例的光生电流；Ｌ——流过二极管的电流；Ｌ——太阳能光伏电池的漏电流。而㈣Ｈ掣Ｈｌ（４．２），一塑ｓｈ—Ｒｓｈ（４．３）上两式中，厶——反向饱和电流（一般而言，其数量级为１０－４彳）；口——电子电荷（１．６×１０－１９Ｃ）；Ｋ——玻尔兹曼常数（１．３８×ｌＯ。２３，／足）；丁——绝对温度（＝ｆ＋２７３Ｋ）；么——Ｐ．Ｎ结理想因子；Ｒ。。——光伏电池并联电阻；Ｒ——光伏电池串联电阻。所以，综合式（４．１）、（４—２）、（４・３）可得：¨一厶㈦紫］－１）一警㈤４，４．１．２．２太阳能光伏电池的输出特性太阳能电池由于受外界因素（温度、日照强度等）影响很多，因此其输出具有明显的非线性，图４．２及４．３分别给出了太阳能电池的伏安特性曲线和伏瓦特性曲线。华北电力大学硕＋学位论文（ａ）常温小同Ｈ照下（ｂ）相同刚强不同温度下图４．２太阳能光伏阵列的伏安特性＼鲫哪＼Ｖ÷１ｌ∞们～影咖Ⅳ窿（ａ）常温不同日照情况下图４－３太ＲＩ能光伏阵歹０的伏瓦特性由以上两图可知，温度相同时，随着同照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加；日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能光伏电池板总有一个最大功率点，温度（或日照强度）不同，最大功率点位置也不同。４．１．３太阳能电池的等效模型由于光伏电池特性受光照强度和温度影响，直接利用它进行实验，则时问长；利用人为建立环境（要求人工可变光源、制冷、制热空调等）或购买光伏电池模拟器则费用高【３１１。因此能用一种简单的方法模拟实现光伏电池功能，使ＭＰＰＴ控制器得到验证，将为光伏技术快速发展提供条件。光伏电池的伏安特性表达为（４．４），即：华北电力大学硕＋学位论文％一厶Ｈ掣］＿１）一半舯Ｈ阱ｐ阿矧］厶＝［，姗＋墨（丁一２５）］名／ｌｏｏｏｋ一标准测试条件下电池的短路电流；ｒ一光伏电池的表面温度（绝对温度）；Ｋ，一短路电流的温度系数；力一辐射强度；㈤５，（４－６）其中％一硅的禁带宽度；Ｚ一参考温度；Ｌ—Ｚ下的暗饱和电流；Ｂ一特性因子，常数。当光照和温度都不变化时，乙和厶也就不会改变，对（４—４）式两边对』求导，并整理得：等圳｛・＋急唧［等］＋苷足矗无ｃ㈤７，可以看出，ｄ矿／刃不是一个常数，它受到输出电流、电压的影响。因此可以看成一个内阻变化的直流电源。为此，光伏电池的模拟实验可采用一直流电源加滑线电阻模拟太阳能电池。太阳能光伏发电系统结构图可优化如图４．４所示：一二一，ｌｒ：ｅｓ＝＝ＴＧ＜ＴＩＩｌ”７、ＩｅｄＴ＝二Ｑｌ图４．４模拟太舟Ｉ能发电系统结构图４．２太阳能电池的最大功率点跟踪控制４．２．１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２４华北电力大学硕士学位论文效率必须要提高太阳能光伏电池的转换效率，使其输出功率为最大功率。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４．３太阳能电池伏瓦特性曲线图所示，因此，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【３２】。图４—５为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点电压圪。。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圪。，右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，ＭＰＰＴ控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值以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温度环境对太阳电池阵列的开路电压和短路电流的影响。Ｙ闷ＰｍａｘＰ４Ｐｌ—ｌｌＩＩＵＮ。ＵｌＵ２Ｕ３ＶｍａｘＵ４Ｕ５图４．５太阳光伏电池的输出功率特性４．２．２最大功率点跟踪的研究进展４．２．２．１ＭＰＰＴ在电力电子技术应用方面的研究进展人们最早对ＭＰＰＴ技术的研究是将多个太阳能电池按不同的并联和串联的排列方式组合起来【３３１，在特定的外界环境和负载的情况下，通过改变太阳能电池的排列方式，可以达到较大功率（接近最大功率点）的输出。随后出现两种基本的ＭＰＰＴ研究方法：扰动观察法（Ｐｅｒｔｕｒｂ＆（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＯｂｓｅｒｖｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ；Ｐ＆Ｏ）和电导增量法Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ｉｎｃ），其中，扰动观察法的结构简单、被测参华北电力大学硕＋学位论文数少【３４’３５１，而电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好【３６】。但是这两种方法都存在着一个共同的缺点，即步长固定，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。针对这一缺点提出了变步长寻优法：当距离最大功率点较远时，步长取大，寻优速度加快；当距离最大功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点；当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作【３‘７ｌ。随着数字处理器的产生，ＭＰＰＴ控制变得更方便、快捷，但是在数字式实现电导增量法ＭＰＰＴ控制的情况下，决定最大功率工作点时总存在着误差，为了克服这一问题，人们又提出了一种改进型的电导增量法【３引，消除了误差的存在，并且不管外界环境如何变化都能比较准确地找出最大功率工作点。随后，随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展，ＭＰＰＴ研究技术达到鼎盛时期，人们将ＭＰＰＴ控制与ＤＣ／ＤＣ变换器连接起来，通过硬件控制来达到最大功率点的跟踪，提出了各种有效的跟踪控制方法，其中有：（１）采用单片机控制Ｄｃ／Ｄｃ变换器的占空比来调节太阳能电池阵列的输出从而达到最大功率点的跟踪｛３９】；（２）给逆变器输入小Ｊ下弦信号改变其开关频率来调节太阳能电池阵列端电压从而达到最大功率的输出【４０】；（３）在某一固定的外界环境下，经检测发现，最大功率点与电路变量（如开路电压、短路电流）间的关系是线性的，通过ＤＳＰ控制输出电流、电压使输出功率达到最大【４¨。４。２。２．２ＭＰＰＴ在控制理论方面的研究进展ＭＰＰＴ在控制理论方面的研究主要集中在：（１）优化控制【４２１，即通过建立优化效率数学模型，构造求解方法，从而得出光伏系统最大功率的输出：（２）模糊逻辑控制【４３￣４５１，此控制不需要调制输出电压从而避免了部分功率损失，它通过定义输入量及输出量并借助Ｍａｔｌａｂ工具箱中的模糊逻辑原理来完成ＭＰＰＴ的控制，是目前使用较普遍的一种控制方法；（３）人工神经网络控制【４６１，在天气发生间歇性变化的情况下，使得系统的精度及稳定性得到了提高，有效地输出最大功率；（４）自适应控制【４‘７１，针对固定步长寻优的缺点进行改进，能较快地跟踪太阳能光伏阵列的最大功率，并具有较高的跟踪精度；（５）二次插值法【４引，虽然太阳能光伏电池的输出特性呈非线性，但是在某一时刻其输出功率相对于占空比是连续可导的，有且仅有一个极点，因此采用二次插值法来进行最大功率点跟踪具有较好的跟踪性能。从最大功率点跟踪研究的进展来看，无论是在电力电子技术应用方面还是在控制理论方面，其研究基础都是基于两种方法之上，即扰动观察法、电导增量法。这两种方法各有利弊，根据不同的环境采用不同的方法进行改进，既能提高效率又能缩小成本。２６华北电力大学硕十学位论文４．２．３ＣＶＴ型光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究在光伏阵列的伏安特性曲线中，不同日照时的阵列最大功率点位置基本上都位于某个恒定电压玑＝∞邶ｆ的垂直线附近，特别是同照比较强时该点距离玑＝∞珊，更近；同时考虑到光伏阵列具有以下温度特性：当温度升高时，在同一日照条件下其丌路电压吃将减小，短路电流』。将伴有微小的增大；再考虑到同照强时一般都具有较高的环境温度，而同照低时环境温度一般都要低一些的特点，结合前述光伏阵列温度特性的特点，它们刚好都有利于在一日内最大功率点的轨迹更逼近于玑＝ｃＤ脚ｆ，也就是说，在工程上允许把最大功率点出现的轨迹近似处理为一根电压垂直线玑＝∞淞ｆ，这就是ＣｖＴ型最大功率点跟踪控制的理论根据【４９’５０１。图４．６中为光伏阵列的伏安特性曲线图，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ分别表示光伏阵列在不同日照下的最大功率点位置，在ＣＶＴ型ＭＰＰＴ中可以把它处理为一根近似的直线Ｕ。＝ｃ口埘，，也就是说，只要使系统在运行过程中光伏阵列一直保持其工作电压为Ｕ。＝∞凇ｆ，就可以保证光伏阵列始终具有在当前日照下的最大功率输出。ＩＵｍ图４．６太刚能电池阵列的伏安特性及１：作点但ＣＶＴ式跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。在实际的使用地点，例如西部地区，冬夏、甚至一天中晨昏与中午时分的温差都相当大，日照强度也随之强烈变化。理论分析和实地运行数据都表明，当环境温度从一２０℃到４０℃变化时，光伏阵列的最大功率点电压偏移达到圪的３０％，甚至更多。ＣＶＴ参考电压的选定将在很大程度上影响阵列的输出功率。在光伏水泵中，拿冬夏两季来说，如果强调冬季出水量设置较高的ＣＶＴ参考电压值，则势必牺牲夏季出水量：如果强调夏季出水量而设置较低的ＣＶＴ参考电压值，则势必牺牲冬季出水量，两者之间难以取得一个兼顾的ＣＶＴ参考电压值。若冬夏两季派人调整ＣＶＴ参考电压值，费工费事，十分不华北电力大学硕士学位论文便。ＣＶＴ控制的优点：１）控制简单、易实现、可靠性高。２）系统不会出现振荡，有很好的稳定性。３１可以方便的通过硬件实现。ＣＶＴ控制的缺点：１）控制精度差，特别是对于早晚四季温差变化剧烈的地区。２）必须人工干预才能良好的运行，难于预料风、沙等的影响。综合上述分析可知，采用ＣＶＴ方式可以近似实现光伏阵列的最大功率输出，并且控制简单、方便，可靠性高，系统不会出现振荡，有很好的稳定性。然而，这种方式控制精度差，特别是当季节温差变化较大时，光伏阵列的伏安特性曲线有较大变化，常需要专业技术人员根据季节变化对ＣＶＴ方式的给定工作电压值进行现场调整，这很不方便，并且，由于是恒压跟踪，所以光伏阵列的输出功率大小仅取决于当前外界条件，因此，在光伏发电系统中很难实现对蓄电池的优化管理。所以从某种意义上讲ＣＶＴ控制并不是真证意义的ＭＰＰＴ控制，随着微电子技术和电力电子技术的发展和微电子器件的大幅度降价，ＣＶＴ控制方式己经显得不很经济，而真正的最大功率点跟踪ＭＰＰＴ（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）技术可以使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率，显示了它杰出的技术优势【５１１。４．２．４两种常用最大功率点跟踪方法的比较４．２．４．１扰动观察法（Ｐ＆Ｏ）扰动观察法（Ｐｅｍｌｒｂ＆ＯｂｓｅｒｖｅＡｌｇｏｒｉｔｌｕｌｌｓ）【５２】是目前实现ＭＰＰＴ最常用的方法之一，其原理是周期性地扰动太阳电池的工作电压值（ｙ＋△ｙ），再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向（＋△ｙ）扰动：若输出功率值减小，则往相反（一△ｙ）方向扰动。通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大，此时应有ＡＰ／△ｙ＝０；然而，即使跟踪己达到最大功率点附近，扰动仍然不停止，系统工作于动态平衡状态。此方法的最大优点在于其原理清晰，实现简单，被测参数少，并且不需要知道太阳电池的特性曲线，能够被较普遍地应用于光伏系统最大功率点跟踪控制。其缺点是由于始终有±△ｙ的存在，在最大功率跟踪过程中将导致一些功率损失，如果搜索步长△矿太小，则搜索速度过慢，反之，则容易引起振荡；并且当外界环境条件发生变化时，不能快速跟踪。其常用的算法程序流程图见图４—７所示。需要改进之处：（１）减小功率损失：由于存在着误差，因此在最大功率点跟踪的过程中将必有部分功率损失；（２）提高跟踪精度及速度：这与初始值及跟踪步长的设２８华北电力人学硕士学位论文定有很大关系；（３）防止“误判”，所谓的“误判”，即当日照强度增加时，导致扰动后的功率值大于扰动前的功率值，从而也使扰动方向继续朝同一方向扰动，反之同样。Ｌ开始）Ｊｒｌ…ＩＩ采…一…ｍ忙黝搿≮）｜ｆ！夺ｑ≥ｖ‘Ｋ卜・Ｖ（Ｋ—１）令≥：沁罗Ｎ一Ｎ１一．／：，＝二：。．＼二…１、、＼ＹｖｆＫ卜・Ｖ（Ｋ－¨．＜一≮’：Ｋ），、一一，，一一上．ｖ‘Ｋ卜６Ｖ—・Ｖ（Ｋ）１ｌＶ（Ｋ卜△Ｖ—＋Ｖ（Ｋ）、、１７／１‘Ｖ（Ｋ卜Ｖ（Ｋ—１）’（Ｋ’１）！，：一、＼～．Ｎ１ｒＶ（ＫｐＶ（Ｋ—１）１｝一Ｊ●ｌ懈Ｍ～Ⅵ聊ｆＩⅥＫ州一∞Ｉ一一ｒ＋Ｐ（Ｋ卜・Ｐ‘Ｋ－Ｉ＇／，一１ｌ～、（返回）图４．７扰动观察法程序流程图４．２．４．２电导增量法（１ｎｃ）电导增量法（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＡ１９０ｒｉｔｈｍ）【５３～５５】也是目前实现ＭＰＰＴ最常用的算法之一，它是通过比较光伏阵列的增量电导和瞬时电导来实现最大功率点跟踪的。由太阳电池阵列的Ｐ．Ｖ特性曲线可知，太阳电池阵列在任意工作点的输出功率为尸＝玎（４．８）如果忽略内部的分流电阻和串联电阻的影响，则可以得到光伏阵列的特性表达式：华北电力人学硕七学位论文一≈ｘｐ（蔫）一・］则由式（４．８）、（４—９），可得㈤９，鲨：，＋塑ｙ＝ｔ‘Ｍ蔫Ｈ一患酬篇，矿㈤㈣设塑：，＋竺ｙ——＝』＋——ｙ（４．１１）Ｌ４－１１）则当阵列工作在最大功率点时，有翌：，＋竺ｙ：ｏ——＝』＋——／＝Ｕ（４．１２）Ｌ４－ｌＺＪ（４．１３）即，＋竺矿：ｏ则可以由（，＋筹ｙ）的值实现最大功率点的跟踪：１）２）３）当当当＋——／＞△ｙ＋——ｙ＜△矿Ⅺ。，时时时增加阵列的参考工作电压％；减小阵列的参考工作电压％５阵列的参考工作电压％不变。ⅪＴ，＋笪ｙ：△ｙ式（４．１３）即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化率等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。这种跟踪方法的优点是当环境条件发生变化时，能够快速跟踪其变化，并且阵列电压摆动较扰动观察法小；缺点是算法较复杂，并且在用数字方法实现时，对最大功率点的判断容易出现误差，另外这一跟踪法的实现要借助微处理器或数字信号处理器（ＤＳＰ），从而增加了整个系统的复杂性及费用。因此，保证系统结构简单，控制方便是此方法需要改进之处。其常用的算法程序流程图见图４．８所示。除了以上常用的方法以外，还有其它一些控制方式，例如滞坏比较法、间歇扫描法、最优梯度法、神经网络预测法、功率回授法等等，这些方法由于目前采用的并不多，故在此不做详细介绍。华北电力大学硕十学位论文图４－８电导增量法程序流程图４．３模糊控制方法实现ＭＰＰＴ控制由于光伏发电系统的非线性特性，模糊控制与神经网络控制也可应用于解决最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）的问题【１４，５６１，这些方法能弥补一些传统控制方法的缺点，如控制参数的灵敏性、适用范围的等等，基于此，提出了～种模糊控制策略下的ＭＰＰＴ方式。模糊控制实质上是利用人的经验知识的一种专家式控制方法。模糊控制的核心华北电力火学硕士学位论文就是用语言描述控制规则，最大特征是将人的经验表示成语言控制规则，然后再用这些控制规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统。而光伏系统正是一个强非线性系统，太阳电池的工作情况也很难以用精确的数学模型描述出来，因此采用模糊控制的方法来进行太阳电池的最大功率点跟踪是非常合适的。４．３．１基于模糊控制思想的ＭＰＰＴ方式光伏系统要达到的控制目标就是在任何一个给定的日照强度下都能够跟踪太阳电池的最大功率点，以达到从太阳电池中获得最大输出功率的目的。在不同的同照情况下太阳电池所能输出的最大功率与其理想的工作点电压是一一对映的关系。因此，可以通过不断地改变工作点电压以寻找理想工作点从而达到使太阳电池阵列输出最大功率的目的。这里的工作点电压即为ＣＶＴ控制中的电压给定，当电压给定变化时，太阳电池的实际工作电压也将跟随给定电压而变，相应的太阳电池的输出功率也将随之而变。因此，只需在单片机的软件中对给定电压进行调整就可达到改变阵列输出功率的目的。其控制算法如下：％（七一１）＝％（七）±△ｙ（４—１４）△ｙ是每次扰动的电压值，其大小及变化方向根据阵列输出功率不同采用模糊控制方式。４。３。１。１模糊化（Ｆｕｚｚｊｆｊｃａｔｉｏｎ）太阳电池阵列的实际工作电压及阵列的输出电流通过传感器及采样电路送入单片机的采样端口，这样就可以计算出太阳电池在此时的输出功率。对于这种单输入、单输出系统的控制，只需在采样间隔Ｋ时满足与两个输出变量Ｐ（误差）与△ｅ（误．差的变化率）相关的两条基本准则就可以了。变量Ｐ与血可以表示如下；Ｐ（七）：曼：塑二生，！生二尘、。（４．１５）ｌｐ。Ｌ庀Ｊ—ｌｐ，Ｌ庀～ＩＪｆ，。（足）一ｆ，，（尼～１）△Ｐ（七）＝Ｐ（后）一ｅ（七一１）（４—１６）这里，厶（七）和ｆ，（七）分别表示了太阳电池阵列的输出功率及输出电流。因此，当Ｐ（露）为零的时刻就表明太阳电池阵列已经工作在最大功率点上了。在模糊控制中，输入变量通常又称之为语言变量，而描述这些语言变量的特性的语言值，在实际控制过程中，经常用ＰＢ（正大）、ＰＭ（正中）、ＰＳ（正小）、ＺＯ（零）、ＮＳ（负小）、ＮＭ（负中）、ＮＢ（负大）这七个说明性的短语来表示。每个语言值都对应于一个模糊子集，而每个模糊子集又可以用相应的隶属度函数来表示，因此要进行模华北电力大学硕十学位论文糊化，首先就要确定这些模糊子集所对应的隶属度函数。Ｏ－６－３Ｏ３６ｅ，△ｅ，△ｄ图４－９Ｐ，△Ｐ，△ｄ的录属厦函数对于本系统来说，有两个输入变量Ｐ（七），血（尼）和一个输出变量耐（太阳电池给定电压的变化）。所有的输入变量和输出变量均按５级划分，分别为ＰＢ，ＰＳ，ＺＯ，ＮＳ，ＮＢ，出于对简化计算以及节约存储空间的考虑，采用了均匀分布的三角形隶属度函数的形式。图４．９所示的为输入和输出变量的５个模糊子集所对应的隶属度函数。４．３．１．２模糊规则推理（ＦｕｚｚｙＲｕＩｅＡＩｇｏｒｉｔｈｍ）模糊规则算法集合了一系列具有特定顺序的模糊控制规则。这些规则是控制系统能够达到预期表现的必要条件，它们通常是由那些在该领域内具有丰富经验的专家所建立的。在图４．１０所示的太阳电池的Ｐ．Ｖ特性曲线中包含了太阳电池输出功率的四种变化过程，分别如下：（１）Ｐ（七）＜Ｏ、△Ｐ（后）＞Ｏ时，Ｐ由左侧向匕靠近；（２）Ｐ（尼）＜０、△Ｐ（后）＜ｏ时，Ｐ从左侧远离石；（３）Ｐ（尼）＞Ｏ、△Ｐ（后）＜０时，Ｐ由右侧向兄靠近；（４）ｅ（庀）＞０、△Ｐ（七）＞０时，Ｐ从右侧远离兄。Ｕ／ｖ图４．１０输入变量Ｐ和△Ｐ变化时的Ｐ．Ｖ特性曲线由图４．１０可以看出，对应于上述４种情况，由于输入变量Ｐ（后）和血（尼）的不同，需要对埘大小做出相应的调整以使输入变量ｅ（七）始终向趋于零的方向变化。例如对华北电力人学硕士学位论文于第２种情况来说，由于此时Ｐ（后）＜Ｏ，血（尼）＜０，说明此时阵列的工作点在乓左侧，并朝着远离匕的方向变化，即酣的符号为负，那么这时应该改变鲋为正向以使阵列的工作点向名靠近。总之，为了能够使太阳电池工作在最大功率点电压处，当阵列的工作点位于兄左侧时，△ｄ的方向就应该为正。反之，当阵列的工作点位于Ｒ右侧时，△ｄ的方向就应该为负。模糊控制器的主要工作是依据语言规则进行模糊推理。因此，在进行模糊规则推理之前，先要制定好语言控制规则，亦称为知识库。实际上控制规则是根据操作者或专家的经验知识来确定的，它们也可以在试验过程中不断进行修正和完善。规则的形式很像计算机程序设计语言中常用到的条件语句“ＩＦ…ＴＨＥＮ…”，例如规则ｌ如果（ＩＦ）Ｐ为ＮＢ且缸为ＺＯ，那么（ＴＨＥＮ）耐为ＰＢ规则２如果（ＩＦ）Ｐ为ＺＯ且△Ｐ为ＮＳ，那么（ＴＨＥＮ）△Ｊ为ＰＳ等等。把所有的这些规则总结起来，就形成了模糊规则推理表４．１，该表反映了当误差ｅ和误差变化率垃发生变化时，与之相应的△ｄ的变化规则。表４．１模糊规则推理表＼＼Ｆ４矿＼ＮＢ＼ＮＢ＼ＰＢＮＳＺｏＰＳＰＢＰＳＰＳＺＯＺＯＮＳＰＢＰＳＰＳＺｏＺＯＺＯＰＢＰＳＺｏＮＳＮＢＰＳＺｏＺＯＺＯＮＳＮＳＮＢＰＢＺｏＮＢＮＢＮＢ４．３．１．３反模糊化（Ｄｅｆｕｚｚｉｆｉｃａｔ；ｏｎ）反模糊化是指将用语言表达的模糊量回复到精确的数值，也就是根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出变量的数值。反模糊化有许多方法，其中采用较多的是最大隶属度方法（ＭＯＭ）和面积重心法（ＣＯＧ）。本文中就采用了面积重心法作为输出变量的计算方法。它是通过计算最终的模糊推理结果图形的重心而得到与同一模糊集合中所有元素相关的一个输出变量的精确值。面积重心法的计算公式如下：馘＝型－一∑∥（皿）扣ｌ∑∥（口）口（４－１７）式中馘为模糊控制器输出的校正值，皿为第ｆ条规则结论部隶属度函数的中心值，华北电力大学硕＋学位论文∥（ｐ）是第ｆ条规则的力度。对于任何～组输入变量（巳缸），其中的每一个输入变量都属于图４—９中所示的隶属度函数所对应的两种可能的模糊子集。因此，输出变量酣的值就将由四种可能的组合来共同决定。表４．２输出控制规则检索表Ｘ＿６．５４．３．２＿６６－５５－４．３．２．１３３３０ｌ２２ｌｌｌ３０ＯＯ４５ＯＯＯ６ＯＯＯ４３３３３３３３３３３０Ｏ０Ｏ６６６６５５５４２２２４４３２２２ｌ３２２ｌＯ３２ｌ１Ｏ．１＇２．３０．２．３．５Ｏ．２－４５５５３４３３３２ｌＯ．２．２４４－ｌＯｌ６６４Ｏ．１．２．２．１．２．２４２０．６．６４．１．２．３—３－３．３ｏ．５２２２ＯＯＯＯ２ｌＯ．１－２．２．２．２．２．３．３．３．４－４．５．６３ＯＯＯ００Ｏ．１－３．３．３．３．５．５－６４ＯＯＯＯＯＯ．１—３－４－６．６－６５．１．３．４．５６．１．３．３．３．３－４．５当然，这四种组合分别对输出变量△ｄ的影响程度是不同的。在计算每一种可能的组合所对应的规则的力度∥（口）时，采用了ＭＩＮ算法；而在计算这四种组合对输出变量的共同影响时，则采用了ＭＡＸ算法。最终，通过反模糊化过程以及面积重心法的计算，将得到对应于该组输入变量的输出变量值△以。对不同的输入变量重复进行上述推理计算过程，就可以得到不同的输出变量值△瓯，把所有的输出变量△反的结果综合在一起，就构成了如表４．２所示的输出控制规则的一个集合。考虑到单片机的运算精度以及存储空间大小的，输入变量Ｐ和血的大小选取在卜６，６】之间，并做１３等分。这样一来，表４—２中的所有输出值就构成了一个１３×１３维的矩阵。４．３。２ＭＰＰＴ控制主流程图图４．１１为ＭＰＰＴ控制算法主流程图。在系统初始化时，占空比将被设定到Ｏ．１然后逐渐增加。从图４．１０中可以看出，当工作点位于最大功率点左侧时，ｅ的符号为负，而位于右侧时，ｅ的符号为正。因此，对Ｂｏｏｓｔ变换来说，当Ｐ的符号为负时应当减小Ｂｏｏｓｔ变换的占空比，而当ｅ的符号为Ｊ下时应增加Ｂｏｏｓｔ变换的占空比，以华北电力人学硕士学位论文使工作点电压向着最大功率点处靠近。篙ｉ一反模糊化Ｉ霪苦查表◆生成检索表◆△ｄ比例缩放ｌ＜ｊ；盏二模主；’＞・｝输出ＰｗＭ挖制信号；ＬＹ怠三７钢“。ｐｖＪ∥／’一‘米忤叨州掣．！一＿７ｔ目自Ｉｏ～’、～Ｎ二…上二计算眺咄１图４．１ｌＭＰＰＴ主流程图４。３。３仿真结果分析传统的模糊控制下光伏电池输出波形如图４．１２所示。２。基婚１０Ｏｌ２３４５｜，ｌＺｊ４，ｎ毫ｄｓａ光伏电池输出电流波形图ｂ光伏电池输出电压波形图４．１２传统模糊控制下光伏电池的仿真输出由仿真结果可以看出，模糊控制能快速响应外界环境的变化，使光伏系统始终输出最大功率；但由于模糊控制自寻优所特有的特性，系统只能控制工作点在最大３６华北电力大学硕士学位论文功率点附近来回摆动，即所谓的振荡现象。然而经典ＰＩＤ控制可有效消除工作点处的振荡现象且易于实现，因此本文在传统模糊控制的基础上进行改进，采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制。该方法能够合理的处理好控制精度和速度这一对矛盾，使光伏电池在所处环境发生变化时可快速跟踪最大功率点的变化，使光伏系统始终输出最大功率，并有效消除了系统在最大功率点附近存在的振荡现象，提高系统的稳定性。４．４模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现ＭＰＰＴ控制４．４．１模糊参数自校正ＰｌＤ控制的实现模糊参数自校正ＰＩＤ控制电路结构图如图４．１３所示：岁，Ｉ…一～。｝Ｉｌ｛图４．１３模糊参数自校止ＰＩＤ控制控制电路结构图４．４．１．１模糊参数自校正ＰＩＤ控制的结构模糊参数自校正ＰＩＤ控制是以模糊规则实时调节ＰＩＤ参数的自校正控制，模糊规则可给出不同实时状态下对ＰＩＤ参数的推理结果，模糊参数自校正ＰＩＤ控制的结构见图４．１４。图４．１４模糊参数白校正ＰＩＤ控制原理方框图∽２鞘㈤㈣ｌ△ｇ（七）＝ｇ（后）一ｇ（七一１）３７华北电力人学硕十学位论文这里，厶（七）和ｆ∥（尼）分别表示了太阳电池阵列的输出功率及输出电流。因此，当Ｐ（七）为零的时刻就表示太阳电池阵列已经工作在最大功率点上了。一般情况下，ＰＩＤ控制器的离散表达式为量“（七）＝≮“七）＋Ｋｒ∑ｅ（，）＋Ｋ垃（七）／丁，＝ｌ（４—１９）式中：丁为采样周期（己知量）；ｅ（七）、叫后）为输入量（已知量）；Ｋ、Ｋ、筏为控制器参数（未知量），其中Ｋｉ＝Ｋ。／互Ｋｄ＝Ｋ口Ｌ（４．２０）（４．２１）式中：互为积分时间常数，乃为微分时间常数‘５７１。为寻找可以实时推理出恰当ＰＩＤ参数的模糊控制规则，设Ｋｐ的范围为【≮．曲，砗，一】，％的范围为【筏施，Ｋ，。。】，通过线性变换使Ｋ，、％的范围归一化到【０，ｌ】，即群＝（Ｋ一巧，墒）／（巧，懈一群，响）《＝（Ｋ—Ｋ肺）／（Ｋ，嗍一Ｋ袖）在模糊参数自校正ＰＩＤ控制中，（４—２２）（４．２３）通常根据被控对象的偏差Ｐ（后）和偏差变化率＆（后）确定所有ＰＩＤ参数，故可根据微分时间常数确定积分时间常数，即互＝口瓦由式（４．２０）、（４．２１）和（４．２４）得Ｋｉ＝Ｋ；／（口ｘｄ）式中口为修正系数。由式（４．２２）和（４—２３）得（４．２４）（４．２５）Ｋｐ＝（Ｋｐ，。。。～Ｋ，，ｍｉ。）Ｋ；＋Ｋｐ’ｍｉ。Ｋ＝（瓦，ｍ戤一心’ｍｉｎ）《＋Ｋ＇ｍｉｎ数Ｋ、毛和Ｋ。４．４．１．３模糊控制规则的生成（４－２６）（４．２７）由式（４—２２）～（４—２７）可知，如果能确定《，“和瑾，就可求出ＰＩＤ控制器的参推断修正系数群，《和口的模糊控制规则格式如下：ＩＦｅ（惫）Ｉｓ４（枷ＡＮＤ＆（七）Ｉｓ允（蛐，ＴＨＥＮ群Ｉｓ以，《Ｉｓ气，口Ｉｓ如（ｆ＝１，２，…，，，１）。其中：４《蛳为偏差ｅ（七）的语言变量；忽（硪为偏差变化率△８（露）的语言变量；４，为修正系数群的语言变量；气为修Ｊ下系数弼的语言变量；以为修正系数口的语言变量。华北电力大学硕士学位论文ｅ，△ｅ，△ｄ图４一１５Ｐ、△Ｐ和拟的隶属函数在模糊控制规则中，Ｐ（后）和垃（后）的语言变量取值为ＮＢ、Ｎｓ、ｚＯ、Ｐｓ和ＰＢ，它们的隶属函数均为三角形波，且每个变量所取的宽度范围相等，Ｐ、缸和Ｍ的隶属函数见图４一１５。修正系数群、蟛用于求取比例系数≮和微分系数ｘ。，且在闭区间【ｏ，１】上取值，其语言变量取值分别为ｘＢ和ｚｓ。群、《的隶属函数见图４．１６。Ｏ图４－１６Ｋ，，砭的隶属函数图中隶属函数“（吒）可表示为“（ｘＢ）＝ｌ—ｅ一４ｘ隶属函数“（黾）可表示为（４．２８）铭（ｘｓ）＝ｇ“ｊ（４．２９）修正系数口用于求取积分系数≮，用单点表示，其隶属函数见图４一１７。图中魄、魄Ｍ、‰、％为口的４个语言变量值，其大小分别为２、３、４和５。０图４－１７口的隶属度函数通过对光伏阵列特性曲线的分析，可以得到Ｐ（七）和垃（后）不同情况下ＰＩＤ控制器相关参数的修正系数《、《和口的模糊控制规则如表４．３所示。４．４．１．４模糊决策与推理（１）前件强度的求取。已知舷）、血（露）时，可求出其对应的语言变量４（埘、允（州的隶属度。设４（枷３９华北电力大学硕七学位论文表４－３群、《、口的隶属度函数ａ群的模糊控制规则表ｂ砭的模糊控制规则表疋ＰｓＢＢＳＢＢＢＳＳＳＢＮＢＮＳＳＢＢＢＳｃ口的模糊控制规则表口Ｋ：ＮＢＮＳ△Ｐ（七：ＮＢＢＳＳＳＢＮＳＢＢＳＢＢＺｏＢＢＢＢＢ血（｜｜｝：ＮＢＮＳＳＳＢＳＳＺＯＳＳＳＳＳＰＳＳＳＢＳＳＰＢＳＢＢＢＳ缸（矽ＮＢＮＳＮＢＮＳ２４５４Ｚ０２２３２２ＰＳ２３３３２ＰＢ２４５４２２３３３２“后）Ｚ０ＰＳＰＢＰ（七）Ｚ０ＰＳＰＢ“七）ＺＯＰＳＰＢ２的隶属函数为“州埘［ｄ后）】，丸（圳的隶属函数为“他（＾）ｆ［垃（尼）】，则前件强度为毪＝％（女）ｆ瞰）】。‰（Ｉ）』姒露）】（２）后件结果的求取。（４—３０）当语言变量４，的隶属函数等于前件强度掰，时，即’“月一（墨）＝吩（４—３１）则群；的结果值为磁＝ｔ度吩，必定有∑吩＝ｌ，因此可通过下式实现反模糊化，即（４—３２）（３）反模糊化。由图４．１５可知，当Ｐ（尼）、垃（七）为某一特定值时，对于前件强Ｋ扣∑掰，・Ｋ；，ｆ＝ＩＫ：＝∑”，・Ｋ；，ｌ＝ｌ（４．３３）口＝∑ｖ口，ｆ＝Ｉ４．４．２仿真结果比较≥琵ｆ『ｓ胍ａ传统模糊控制ＭＰＰＴ仿真波形ｂ模糊参数自校正ＰＩＤ控制ＭＰＰＴ仿真波形图４．１８传统模糊控制与模糊参数白校正ＰＩＤ控制ＭＰＰＴ仿真波形华北电力大学硕士学位论文通过图４．１８中ａ与ｂ的比较，可以看出采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制，在外界环境相对稳定的情况下具有良好的稳定性，能使系统稳定工作在ＭＰＰ；当外部环境突变时，它能快速、准确的跟踪ＭＰＰ的变化，具有良好的快速性，并可以很好的消除传统模糊控制在最大功率点附近的振荡现象。结果表明模糊参数自校正ＰＩＤ控制具有良好的动态性能和稳定性能，优于传统的模糊控制方法。４．５本章小结为使太阳能光伏阵列输出功率最大化，在比较了几种常用的最大功率点跟踪方法的基础上提出了基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的方法。本章介绍了太阳能光伏电池的工作原理和特性，给出了太阳能电池的等效模型；讨论了太阳电池阵列ＭＰＰＴ的研究发展状况，并详细介绍了扰动观察法和电导增量法两种太阳电池阵列ＭＰＰＴ控制实施方案的优缺点；最后在传统模糊控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的基础上提出了采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的方法，仿真表明，该方法能快速、准确的跟踪ＭＰＰ的变化，并可以有效的消除传统模糊控制在最大功率点附近的振荡现象。４ｌ华北电力大学硕士学位论文第五章光伏并网系统及并网逆变器的控制５．１并网概述太阳能发电与电力系统之间存在如下的４种关系：方式１：是太阳能发电运行向附近的用户供电。方式２：是太阳能发电运行，但在太阳能发电与当地电网之间有自动转换装置。方式３：是太阳能发电与系统并联运行，但太阳能发电对当地电网无输出。方式４：是太阳能发电与系统并联运行且向当地电网输出电能。太阳能电池在光照射下产生直流电，然而，绝大数常用电器，如日光灯、电视机、电冰箱、电风扇和绝大数动力机械等都是以交流电工作，因此以直流供电的系统有很大的局限性。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需要加一个变压器即可，而在直流输电系统中升降电压技术就要复杂得多了。因此，太阳能发电与系统并联运行是未来光伏发电的发展趋势。光伏并网运行发电系统如图５．１所示：＾高压输电线路、—，除了在偏远或特殊地区只有太阳能发电作为唯一的供电电源外。大部分选择太阳能发电的用户希望既能使用太阳能发电供电又可以由当地电网供电、或由它们同时供电、或把电网作为备用电源以提高供电的可靠性和灵活性；而电力系统为了提高系统的可靠性和安全性，希望可以对用户的太阳能发电输出功率进行远方调度。要实现这些功能就必须保持太阳能发电和电力系统之间的联系，即通过并网系统以实现太阳能发电和电力系统之间的转换或实现相应的控制和保护等功能。４２华北电力人学硕士学位论文５．２太阳能光伏发电并网系统５．２．１太阳能光伏发电并网系统含义太阳能光伏发电并网系统包括两方面含义：１）在太阳能发电和电网之间建立起物理联系的设备。２）太阳能发电与外界形成电气联系的手段。同时并网包含可以实现太阳能发电单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能。因此，并网系统使得太阳能发电、地区电力系统以及用户之间可以互动，并且是它们之间通信和控制的通道。图５．１中虚线框的组件——并网组件就是实现太阳能发电与电网之间联系的并网系统。５．２．２并网系统功能并网系统实现以下功能：１）电能转换和调整。在必要的情况下，电能转换功能将某种类型的电能转换为与常规电网相同。例如，光伏系统、燃料电池及电池储能输出的是直流电，而微透平机组输出的是高频交流电。需要转换为与常规电网电压和频率相同的电能。电能调整、改善功能为向负荷提供纯净的交流电提供了基本保障。２）保护功能监控并网电能输入和输出。以及当太阳能发电不满足ＩＥＥＥＰｌ５４７标准所要求的正常运行条件时与常规电网的分离。例如过、欠电压或频率的保护整定等。３）自治及半自治功能和运行。太阳能发电和负荷控制，它们控制着太阳能发电的工况和运行及所有的当地负荷，太阳能发电工况包括开、停机和调整功率大小的命令，此功能还可以控制硬件与常规电网分离；辅助服务包括电压支持、电压调整、运行储备、提供备用；通信使得太阳能发电和当地负荷可以作为较大的电力系统的一部分，并且相互影响；而测量功能可以给出太阳能发电的输出和当地负荷的清单。实际应用中每个太阳能发电的并网系统并不一定包含所有的组件。其具体选择受市场需求、技术特性以及相关规范和标准的驱使。并网系统使得太阳能发电、地区电力系统以及用户之间可以互动，并且是它们之问通信和控制的通道。这种互动在电压和频率的调整、无功补偿以及故障保护和协调时可以非常迅速（毫秒级或几个周期），而在向电网输出电能或为系统担当削峰任务时较慢（几秒到几分钟）。并网系统的性能、兼容性和规范将在一定程度上最终决定太阳能发电对电力市场的长期渗透能力。可以根据太阳能发电的特性和所要实现的功能把并网系统分为如下几种：①逆变器型并网系统，如用于燃料电池、光伏系统和微透平机组等发出直流或高频交流电的太阳能发电。４３华北电力大学硕士学位论文②具有同步功能的并网系统，用于与地区电网并联运行的太阳能发电。当太阳能发电担任削峰、基本电源、联合发电或作为紧急和备用电源时采用此种并网系统。③包含远方调度模块的并网系统，电力系统可以根据需要实现对太阳能发电的启停进行实时远方调度，这时并网系统还需附加测量、监视和控制设备。并网系统的功能Ｆ１益增强，但是使用者总是希望并网系统具有高可靠性和高自动化程度，同时保持价格低廉。短期内将会存在两个截然不同的市场：一个是定型的，即插即用的适用于居民和小型商业机组，另一个是面向大型的特定场所的太阳能电源。尽管存在着市场上的分类，并网技术不同体系以及不同制造商生产的组件应具有良好的兼容性。为了规范这些要求和影响，就必须制定得到各方认可的关于并网系统的统一规范和标准。这些规范和标准将对太阳能发电并网设备的制造、安装和运行都有相应的要求。目前，世界上有许多国家的组织都在制定关于太阳能发电的并网标准。如ＩＥＥＥ的Ｐ１５４７等。５．３并网逆变器设计５．３．１逆变器的用途及发展逆变器是将直流电变成交流电的一种设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当用于交流负载时，逆变器是不可或缺的。逆变器按运行方式，可分为逆变器和并网逆变器。逆变器应用于运行的太阳能光伏发电系统，可为负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，可将发出的电馈入电网。当前，电力半导体器件的开发生产有了突飞猛进的发展。电力半导体器件是高效逆变电源的基本元件，目前，正向模块化、快速化、高频化、大容量化和智能化发展。其产业化水平是：可关断晶闸管（ＧＴＯ）为４５００Ｖ、４０００Ａ；绝缘栅极双极晶体管（ＩＧＢＴ）为１７００Ｖ、６００Ａ，它的数千瓦到数十千瓦的智能功率模块（ＩＰＭ）已经问世；光触发晶闸管为５０００Ｖ、４０００Ａ。这些电力电子器件是不同时期开发出来的，各有其应用领域，其中ＩＧＢＴ目前主要应用于低压的中、大功率变频器【５８＇５９｜。由于上述这些元件的发展，使光伏发电系统所用逆变器实现了小型化、模块化、高频化、高性能化，事实上，逆变器在许多领域中的应用也逐渐兴盛起来。５．３．２光伏发电系统用逆变器的分类及特点逆变器的种类很多，根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型不同，又分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等；根据逆变器线路原理不同，还可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调制型逆变器等。为了便于光伏电站选用逆变华北电力大学硕士学位论文器，根据逆变器输出交流电压波形的不同分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器【５８】。５．３．２．１方波逆变器方波逆变器输出的交流电压波形为方波，如图５—２（ａ）所示。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是：线路简单、价格便宜、维修方便。缺点是由于方波电压中含有大量的高次谐波，在带有铁芯电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通信设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，噪声比较大等特点。５．３．２．２阶梯波逆变器此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，如图５．２（ｂ）所示。逆变器实现阶梯波输出也有多种不同电路，输出波形的阶梯数目差别很大。阶梯波逆变器的优点是：输出波形比方波有明显的改善，高次谐波含量减少，当阶梯达到１７个以上时输出波形可实现准正弦波。当采用无变压器输出时，整机效率很高。缺点是：阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多，其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。这给太阳能电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。此外，阶梯波电压对收音机和某些通信设备仍有一些高频干扰。ｌ］ｌ。Ｕ１厂ｒ１Ｌ１广Ｊ、ＪｒＪ．７八／、＼／＼／。７（ａ）方波逆变器输出交流电压波形图（ｂ）阶梯逆变器输出交流电压波形图（ｃ）止弦逆变器输出交流电压波形图图５～２三种类型逆变器输出电压波形５．３。２．３正弦波逆变器正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波，如图５．２（ｃ）所示。正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对收音机及通信设备干扰小，噪声低；此外，保护功能齐全，整机效率高。缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较４５华北电力大学硕士学位论文贵。５．３．３逆变器的功能（１）实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成５０Ｈｚ的单相、正弦波交流电；其电流和电压的畸变率均小于５％。（２）实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、输入接反保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛”保护及装置自身保护；自身保护有功率模块保护和过热保护。“孤岛”保护是当逆变电源并网运行时，若电网突然断开，在某一负荷下逆变器输出发生自激振荡——“孤岛效应”产生，逆变电源将自动关闭，并显示相关故障信息【６０１。（３）实现最大功率点跟踪控制，太阳能电池的输出功率是和照射在电池表面的阳光强度及其与负载匹配的情况有关。图５．３给出太阳能电池在不同的照度下的一组输出特性。要充分利用太阳能电池就必须保证在一定阳光照度下电压与电流的乘积为最大，使太阳能电池输出功率也趋于最大。从图５．３上找出在各个照度值下的太阳能电池的最大功率点，并用光滑曲线ＡＢ把最大功率点连接起来，则ＡＢ线就是在不同照度下的最大功率线。从图５．３中容易看出ＡＢ线上的电压值在某个照度以上近似为常数。因此，在系统中采用基于常值电压的电流补偿控制策略，近似地实现了太阳能电池的最大功率点跟踪控制（ＭＰＰＴ），这种近似控制方案在简化ＭＰＰＴ算法的同时，有效地解决了常规ＭＰＰＴ算法可能导致的振荡，增强了系统稳定性。显然，这种近似ＭＰＰＴ算法，实际上是一种基于电流补偿的定压控制（ＣＶＴ），由于带电流补偿，因而阵列电压是变化的，如图５．３中的ＡＢ线段。Ｕｍ・图５．３最大功率点跟踪示意图（４）实现与外界电网的自动同步并网【６¨。４６华北电力人学硕士学位论文５．３．４并网逆变器的构成并网逆变器主要由逆变器和并网保护器两部分构成，如图５．４所示。‘…………………………………………………一－－图５．４并网逆变器构成：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：逆变器包括３个部分。Ａ逆变部分。其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流。Ｂ控制部分。由电子回路构成，其功能是控制逆变部分。Ｃ保护部分。也由电子回路构成，其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。并网保护器是～种安全装置，主要用于频率上下波动、欠电压、过电压和电网停电等的监测。通过检测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网断开，以确保安全。它一般装设在逆变器中，但也有单独设置的ｆ６２１。５。３．５并网逆变器主电路拓扑结构主电路采用电流跟踪型ＰＷＭ逆变电路的拓扑结构，逆变器开关器件选用开关损耗低、工作频率高、安全工作区宽等优良特性的绝缘栅极双极晶体管（ＩＧＢＴ）。ＰＷＭ波形的生成——跟踪控制方法，这种方法不是用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流电压波形作为指令信号，把实际电流电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号的变化。ＰｗＭ逆变电路跟踪控制法中常用的有滞环比较控制、三角波比较控制和无差拍控制。５．３．５．１滞环比较方式跟踪型ＰＷＭ变流电路中，电流跟踪控制应用最多。图５．５给出了采用滞环比较方式的ＰｗＭ电流跟踪控单相半桥式逆变电路原理图。图５．６给出了其输出电流ｆ４７华北电力大学硕十学位论文的波形。在图５．６中，把指令电流ｆ‘和实际输出电流ｆ的偏差ｆ’一ｆ作为滞环比较器的输入，通过其输出来控制功率器件Ｋ和圪的通断。设ｆ的正方向如图所示，当ｆ为正时，Ｋ导通，则ｆ增大；峨续流导通，则ｆ减小。当ｆ为负时，Ｋ导通，则ｆ的绝对值增大，圜续流导通，则ｆ的绝对值减小。这样，通过环宽为２Ⅳ的滞环比较器的控制，ｆ就在广＋Ⅳ和ｆ‘一Ⅳ的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流ｆ’。滞环环宽对跟踪性能有较大的影响。环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关动作频率过高，甚至会超过开关器件的允许频率范围，开关损耗随之增大。和负载串联的电抗器￡可起到电流变化率的作用。三过大时，对指令电流的跟踪变慢：工过小时，ｆ的变化率过大，ｆ’一ｆ频繁地达到±Ⅳ，开关动作频率过高【５８１。这种方式硬件电路简单、电流响应快，电流跟踪误差范围固定。但是缺点也很明显，电力半导体开关频率是变化的。尤其是当电流变化范围较大时，一方面，在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误差过大；另一方面，在电流值大的时候，固定的滞环宽度有可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。图５．５滞环比较方式电流跟踪控制电路ｆＪＤ一，，。趴７～图５．６滞环比较方式的指令电流和输出电流采用滞环比较方式的电流跟踪型ＰＷＭ逆变电路有如下的特点：（１）硬件电路简单；（２）属于实时控制方式，电流响应快；华北电力大学硕士学位论文（３）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；（４）输出电流中高次谐波含量较多；（５）属于闭坏控制。主电路拓扑结构如图５．７所示。图５－７主电路拓扑结构５。３。５．２三角波比较方式三角波比较方式：这种方式将电流误差经过比例积分放大器处理后与三角波比较，目的是将电流误差控制为最小。该方式硬件较为复杂，输出含有载波频率段的谐波，电流响应比瞬时比较方式要慢。三角波比较方式主要使用在数字控制方式出现之前的模拟控制中，目前基木被淘汰了。５．３．５．３无差拍控制方式在数字控制技术的小断发展、数字电路硬件成木的小断降低的今天，数字化ＰｗＭ控制方式具有更加广泛的应用前景。基于无差拍（Ｄｅａｄｂｅａｔ）的ＰｗＭ实现方案，其控制系统由高性能数字信号处理器（ＤＳＰ）实现。与模拟控制相比，数字化控制具有控制灵活、易改变控制算法和硬件调试方便等优点。这种方法的原理是在每一个开关周期的开始时刻，采样并网系统产生的电流ｆ，并且预测出下一周期开始４９华北电力大学硕士学位论文时刻并网的电流参考值ｆ’，由差值ｒ—ｆ计算出开关器件的开关时间，使ｆ在下一周期开始时刻等于ｆ‘。这种方法计算量虽然较大，但其开关频率固定、动态响应快的特点受到了青睐，十分适宜于光伏并网系统的数字控制‘６引。５．３。６ＰＷＭ逆变电路的谐波分析ＰＷＭ逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。三相桥式ＰＷＭ逆变电路可以每相各有一个载波信号，也可以三相公用一个载波信号。这里只分析应用较多的公用载波信号时的情况。在其输出线电压中，所包含的谐波角频率为聆红±后ｑ式中，刀＝ｌ，３，５…时，七＝３（３，捍一１）±ｌ，臃＝１，２…；刀＝２，４，６…时，’’：三喜：二：：：三麓ｊ二后＝６ｍ一１，聊＝１，２…ｃ５．・，、７可以看出ＰｗＭ波中不含有低次谐波，载波角频率妙整数倍的谐波没有，谐波中幅值较高的是红±２鳞和２够±鳞。上述分析都是在理想条件下进行的。在实际电路中，由于采样时刻的误差以及为避免同一相上下桥臂直通而设置的死区的影响，谐波的分析情况将更为复杂。一般来说，实际电路中的谐波含量比理想条件下要更多一些，甚至还会出现少量的低次谐波。上述分析可以看出，ＳＰｗＭ波形中所含的主要是角频率为缉、２够及其附近的谐波。一般情况下鳞＞＞ｑ，所以ＰＷＭ波形中所含的主要谐波的频率要比基波频率高得多，是很容易滤除的。载波频率越高，ｓＰｗＭ波形中谐波频率就越高，所需要滤波器的体积就越小。另外，一般的滤波器都有一定的带宽，如按照载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。如滤波器设计为高通滤波器，且按载波角频率鳞来设计，那么角频率为２鳞、３婢等及其附近的谐波也同时被滤除了【５９】。５．４单极式光伏并网系统逆变器的控制太阳能光伏发电的发展趋势是由小型户用系统向大型并网系统发展。由于太阳能的波动性和随机性，光伏电站输出的电能波动很大。随着分布式光伏并网电站的容量越来越大，其输出功率的波动对电网的影响不容忽视，研究分布式光伏并网发电系统与电网系统的相互作用，已成为国际上大规模光伏并网电站应用领域的研究热点【６４１。华北电力大学硕士学位论文５．４．１单级式光伏并网系统图５．８示出单级式光伏并网能量变换环节结构。如俐．业叫’ＶＤｌ＜卒Ｊ。一ＪＩ弋ＶＤ３。一ＪＩ§降上负●ｆ．、ｒ＝Ｃ‘特矾（‘争‘孑争孑、Ｔ、Ｔ图５—８单级式光伏并网系统电路示意图Ｔ由图５．８可见，单级式光伏并网逆变系统由光伏阵列、直流母线电容、逆变桥和滤波电感组成。虽然结构比较简单，但由于单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节，其控制目标应实现逆变电路对电网输出电流是与电网电压同频、同向的高品质的正弦波且电流的总畸变失真要低，以减少对电网的谐波影响；同时应实现光伏阵列的ＭＰＰＴ控制，使光伏阵列工作在最大功率点附近，控制较为复杂。但随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展，单级式光伏并网逆变系统必将得到广泛的应用，成为国内外光伏领域的一个研究热点【６５，６６１。忽略滤波电感、母线电容、逆变电路的损耗及开关管导通压降，光伏阵列向本地负载和电网供电的能力为：Ｐ＝￡＋层＝罡＋警ｃｏｓ口式中（５－２）Ｐ——光伏阵列的输出功率只——负载的消耗功率层——光伏系统向电网的输出功率Ｕ。——电网电压幅值，。。——并网电流幅值口——电网电压与并网电流间的相位差由式（５．２）可以看出，调节歹，。的大小即可改变系统的输出功率，因此单级式能量变换能够实现最大功率跟踪功能【６７’６引。而光伏并网系统不同于一般的直流逆变电路，光伏电池的输出功率会受光照强度、温度高低等外界因素变化而变化，同时由于直流电容容量有限，负载的变化，尤其是大功率负载的加入和退出，对电源的冲击很大，为抑制这些变化造成的影响，必须采用一种合适的控制策略，使电源维持稳定【５７１。华北电力人学硕士学位论文５．４．２传统模糊控制下的仿真模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统【６９】。而光伏系统由于日照强度变化的不确定性，光伏电池阵列温度的变化、负载的变化而表现出强的非线性。加之光伏电池的工作情况也很难用精确的数学模型描述出来，因此采用模糊控制的方法来进行光伏电池的最大功率点跟踪是非常合适的，将会获得理想的控制效果【７０，７ｌ】。虽然模糊控制能快速响应外界环境的变化，使光伏系统始终输出最大功率；但由于自寻优所特有的特性，系统只能控制工作点在最大功率点附近来回摆动，即所谓的振荡现象。采用模糊控制方法的仿真波形如图５．９所示。图５—９传统模糊控制方法Ｆ的仿真图形从图５．９可以看出，系统存在严重的振荡现象。因负载的变化使输出电流产生变化，对于一定脉宽输出的ＤＣ／ＡＣ电源来说，势必导致输出电压的变化。因此采用ＰＩＤ的闭环控制策略柬调节输出电压，可使调节更为精确有效【５。７１，同时能很好的消除系统在最大功率点的振荡现象，提高系统的稳定性。５．４．３模糊参数自校正ＰＩＤ控制模糊参数自校正ＰＩＤ控制的单级式光伏并网系统结构图如图５．１０所示。模糊参数自校正ＰＩＤ控制是以模糊规则实时调节ＰＩＤ参数的自校正控制，模糊规则可给出不同实时状态下对ＰＩＤ参数的推理结果，模糊参数自校正ＰＩＤ控制的结构图如图５．１ｌ所示。５２华北电力大学硕十学位论文图５．１０单级式光伏并网系统结构图图５．１１模糊参数白校正ＰＩＤ控制结构框图通过对光伏阵列特性曲线的分析，以及Ｐ、血、甜、群、《和口隶属度函数可以得到ｄ七）和应（后）不同情况下ＰＩＤ控制器相关参数的修正系数群、《和ａ的模糊控制规则。再通过模糊决策与推理实现模糊参数自校正ＰＩＤ控制的通过调节控制信号△ｄ的大小达到并网ＭＰＰ的目的。基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现ＭＰＰＴ控制的仿真结果如图５．１２所示。图５．１２模糊参数自校正ＰＩＤ控制仿真波形华北电力大学硕十学位论文５．４．４消谐处理由于直流负载的供给通过ＤＣ／ＤＣ变换不会产生谐波问题，而ＤＣ／ＡＣ变换会后产生谐波，这里讨论谐波的处理问题【７２１。采用正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频。本文采用四支ＩＧＢＴ管组成单相桥式逆变电路，采用双极性控制方式。在不加装消谐逆变器的情况下，得到的负载电压基波为正弦，但含有其它次谐波，为了使输出结果最优，提出使用消谐ＰｗＭ逆变器概念。如果对单相桥式逆变电路的功率开关管采用互补控制，假定逆变器输出ＰＷＭ波形在四分之一周期（即０￣９０电角度）内有Ｎ个开关切换点，每个开关切换点对应的相位角分别为ｄⅣ＝０，１，…，Ⅳ）而且有Ｏ＜ｑ＜以：＜…＜‰＜９０，那么由傅氏级数分析可以得出输出电压为：』生”ｏ＝∑吃ｓｉｎ以们＾＝１．２…（５－３）吃＝三卜卜２∑（一１）‘ｃ咖％】，ｚ万￡＝ｊ（５－４）式中ｑ为【０，９０】区间内Ｎ个开关角中第ｋ个开关角；ｎ——基波和各次谐波的次数；ｗ——输出电压的基波角频率。设逆变器输出基波电压幅值与输入直流母线电压比值为Ｍ，则有：吃＝Ｍ为了消除谐波，可以令３，５，７，．．．等各次谐波幅值为零，即：包＝ｏ，（Ⅳ＝３，５，７…２Ⅳ一１）（５—５）（５－６）由上两式，便可构成一个有Ｎ个未知数，Ｎ个方程的方程组，求解此方程组，即可得到ＰｗＭ控制波形，而按此波形控制的结果，将不含２Ｎ．１以下的低阶谐波。这就是消谐ＰＷＭ控制的工作原理。５．４．５仿真结果分析消谐后的仿真结果如图５．１３所示。通过图５．９、图５．１２与图５．１３的比较，可以看出采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制，在外界环境相对稳定的情况下具有良好的稳定性，能使系统稳定工作在ＭＰＰ，并可以很好的消除传统模糊控制在最大功率点附近的振荡现象。而经过消谐处理，基波分量占电流总量的９９．５％，输出的电能质量是令人满意的。结果表明模糊参数自校正ＰＩＤ控制具有良好的动态性能和稳定性能，优于ＣｖＴ控制和传统的模糊控制方法。华北电力人学硕十学位论文１ｔ，ｓ图５—１３消谐处理后的仿真波形５．４．６结论分析通过仿真验证，单极式光伏并网发电系统采用模糊参数自校正ＰＩＤ控制策略，该方法可保证光伏电池能快速跟踪光伏电池的最大功率点，同时基本消除传统模糊控制方法在最大功率点的功率振荡现象，与ＣＶＴ控制相比，该方法有较强的外界环境适应性，并具有较好的控制精度和稳定性。另逆变器部分加入消谐ＰＷＭ控制，由于开关频率的降低，其丌关损耗相应减小，有利于提高逆变器的效率，效果良好。在太阳能逆变器这种电压和频率变化不大的场合，很容易通过查表方法实现消谐逆变器的闭环控制，从而保证输出电压的稳定。理论分析和仿真验证都证明了这种光伏发电系统逆变器控制方法的合理性和可行性，具有推广价值。５．５本章小结考虑到在实际应用的太阳能并网发电系统中太阳能电池的输出及电网的电压是不断波动的，将模糊参数自校ｉＦＰＩＤ控制应用于光伏并网系统，并结合并网逆变器的消谐ＰｗＭ控制对单极式光伏并网系统的输出功率进行控制，实现了光伏系统的高功率因数的并网运行。在介绍了光伏并网系统和并网逆变器控制的基础上讨论了单极式光伏并网系统逆变器控制的问题，通过理论分析和大量有力的仿真实验，结果表明该方法能实现光伏系统的高功率因数的并网运行且具有较强的外界环境适应性、较好的控制精度和稳定性，并能有效消除传统模糊控制下最大功率点处的华北电力人学硕十学位论文振荡现象。消谐处理后的基波分量占电流总量的９９．５％，输出的电能质量是令人满意的，具有推广价值。华北电力人学硕十学位论文第六章结论近几年，能源危机和环境污染越来越严重，全世界丌始了对新能源的开发和利用。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，因而成为最具前途的一种新能源。将太阳能应用于发电更是成为人们普遍关注的焦点，一旦成功，利益无穷。目前，太阳能光伏发电仍存在着一些缺点，如成本高、能量转换效率低。然而，随着技术的发展，太阳能板的成本有待降低。本文就如何解决能量转换效率低这一问题对太阳能光伏发电系统进行了详细的理论分析和仿真研究，从而得出了以下结论：１）深入研究了我国太阳能光伏发电技术的应用，分析了光伏发电系统不同发展应用阶段各自的优缺点。概述了光伏发电系统的组成，并根据不同的场合，对太阳能光伏发电系统进行了分类，并指明了大型并网光伏发电系统是未来光伏发电的主要发展趋势。２）根据ＤＣ／ＤＣ变换器在光伏发电系统中起着调节太阳能电池的工作点位于最大功率点处和蓄电池充电电压范围的重要作用，研究了正确调整占空比Ｄ的大小可以实现太阳能输出最大功率控制。分析比较了四种常用的ＤＣ／ＤＣ变换器，并指出了各种变换器适合不同光伏发电的情况及各自的优缺点。采用Ｂｏｏｓｔ型ＤＣ／ＤＣ变换器实现转换，对该变换电路中的参数进行分析和设计。建立了Ｂｏｏｓｔ型ＤＣ／ＤＣ变换器的仿真模型并对进行了仿真，仿真结果正确。３）为使太阳能光伏阵列输出功率最大化，提出了基于模糊参数自校正ＰＩＤ控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的方法。根据光生伏打效应讨论了光伏电池的基本原理，并给出了太阳能电池的等效模型。详尽分析了最大功率点跟踪原理，并比较了几种常用的最大功率点跟踪方法，在传统模糊控制实现光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的基础上进行了改进，仿真结果表明该方法能有效消除传统模糊控制下最大功率点处的振荡现象，具有可行性。４）考虑到在实际应用的太阳能并网发电系统中太阳能电池的输出及电网的电压是不断波动的，将模糊参数自校正ＰＩＤ控制应用于光伏并网系统，并结合并网逆变器的消谐ＰＷＭ控制对单极式光伏并网系统的输出功率进行控制，实现了光伏系统的高功率因数的并网运行。通过理论分析和大量有力的仿真实验，结果表明该方法具有较强的外界环境适应性、较好的控制精度和稳定性，并能有效消除传统模糊控制下最大功率点处的振荡现象。消谐处理后的基波分量占电流总量的９９．５％，输出的电能质量是令人满意的，具有推广价值。太阳能光伏并网发电系统是太阳能光伏发电系统与常规电网相联，共同承担供电任务。太阳能光伏发电进入大规模商业应用的必由之路，就是将太阳能光伏系统华北电力人学硕士学位论文接入常规电网，实行并网发电。而光伏并网发电中的功率调节、电能质量、电压稳定和无功补偿问题一直是人们关注的热点问题，这也就决定该课题的研究需要涉及诸多理论问题和技术问题，本文虽然已对其主要的关键问题（ＭＰＰＴ）进行了深入系统的研究，但还有一些问题需要进一步进行研究。１）为了综合考察各种ＭＰＰＴ方案的可靠性、稳定性、快速性和控制精度等多个系统指标，需要进行较长时间的比较和测试，最大功率跟踪功能算法需进一步完善。还应进一步研究新的控制方法，提高并网电流的质量，降低系统工作噪声和谐波输出。２）高效、高频及轻量化。在小功率的单相户用光伏并网逆变器产品系列中，应广泛采用高频高效的电力变换技术实现直流电压的匹配和电网隔离，这样可大大减小逆变器的体积和重量，并降低成本。３）多种并网方式的研究。目前并网逆变器所采用的电流源控制方式并网发电，对于处于微网条件下的分布式发电系统的运行是不利的，今后的并网逆变器要能够适宜微网分布式发电系统。４）在光伏并网发电系统中，除了和其它系统一样具有常规的保护功能如过流、过压、欠压、过热、欠频、过频、短路等功能外，它还要求具有一种特殊的保护功能即反孤岛效应功能。孤岛效应的检测和防止，需要在不同工作条件下的多次试验，寻找更为有效的检测方法亦是今后的工作重点。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。华ｊ匕电力大学硕士学位论文参考文献【１】ＢｉｍａｌＫ．Ｂｏｓｅ．Ｅｎｅｒｇｙ；ＥｎＶｉｒｏｍｅｎｔ，ａｎｄＡｄＶａｎｃｅｓｉｎＰｏｗｅｒ，ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥ１ｅｃｔｒｏｎ，２０００（１５）：６８８－７０１．［２】赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强．太阳能光伏发电及其应用．北京：科学出版社，２００５．【３】裴郁．我国可再生能源发展战略研究：［硕士学位论文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１，７：３０７．３１０．【６２】王斯成，余世杰，王德林，苏建徽，董路影，沈玉梁．３ｋＷ可调度型并网逆变器的研制．太阳能学报，２００１，ｌ：３０７．３１０．【６３】王健．三相光伏并网系统设计及其控制算法的研究：［硕士学位论文】．北京：清华大学，２００４，１２．【６４】茆美琴，余世杰，苏建徽．带有ＭＰＰＴ功能的光伏阵列Ｍａｔｌａｂ通用仿真模型．系统仿真学报，２００５，１７（５）：１２４８．１２５１．【６５】ＣｈｅｎＹ’ＳｍｅｄｌｅｙＫ．Ａｃｏｓｔ—ｅｆ诧ｃｔｉＶｅｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅｉｎｖｅｎｅｒｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｏｎｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒＥ１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，１９（５）：１２８９－１２９４．ｐｈｏｔｏＶ０１ｔａｉｃｅｎｅ唱ｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ【６６】ＬｉａｎｇＴＪ，ＫｏｕＹＣ，ＣｈｅｎＪＲ．Ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅｓｙｓｔｅｍ．Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｅｌｅｃｔ．Ｅｎｇ．２００ｌ，４（１４８）：３３９—３４４．６２华北电力大学硕士学位论文【６７】叶满园，官二勇，岗．以电导增量法实现ＭＰＰＴ的单级光伏并网逆变器．电力电子技术，２００６，４０（２）：３０～３２．［６８】张兴，孙崇魏，孙本新．采用电流寻优的ＭＰＰＴ光伏阵列并网逆变器的研究．太阳能学报，２００１，２２（３）：３０６．３ｌＯ．［６９］刘朝英，宋哲英，宋雪玲．ＭＡＴＬＡＢ在模糊控制系统仿真中的应用．计算机仿真，２００１，１８（３）：１ｌ～１３．【７０】ＳｉｍｏｅｓＭＧＦｒａｎｃｅｓｃｈｅｔｔｉＮＮ，Ｆｒ主ｅｄｈｏ￡盯Ｍ．Ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｂａｓｅｄｃｏｎｔｒ０１．ＰｒｏｃＩＥＥＥＣｏｎｆｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｏｎｐｅａｋｐｏｗｅｒｔｒａｃｋｉｎｇＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＳ肿ｐｏｓｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｐｒｅｔｏｒｉａ，１９９８：３００～３０５．【７ｌ】ＳｅｎｊｙｕＴ＇ＵｅｚａｔｏＫ．ＭａＸｉｍ啪ｐｏｗｅｒＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｅｒｕｓｉｎｇ如ｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃ扣Ｔａｙｓ．ＩＥＥＥ１９９４：１４３～１４７．ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｂｃｈｎｏｌｏｇｙ，【７２】谢运祥，薛英杰．逆变电源的谐波处理方法分析．电力电子技术，２０００，３４（１）：４．６．华北电力人学硕十学位论文致谢本文是在导师教授的悉心指导下完成的，从选题、研究进展的每一步、论文的撰写到最后的定稿无不体现着导师多年的精心指导和亲切关怀。导师高尚的人格、宽广的胸襟、渊博的知识、严谨的治学作风、无私的奉献精神、对科学前沿的敏锐洞察力以及对科学事业的执著追求使学生深受熏陶，并将终生受益。借此论文完成之际，谨向导师致以诚挚的敬意！在硕士课程学习阶段和课题研究阶段得到了同学们的关心和朋友们的鼓励，感谢唐劲飞硕士研究生、王洪磊硕士研究生、刘宣宣硕士研究生等实验室的同学们给予我的支持和帮助，在此一并表示感谢！此外论文还参阅了大量的文献资料，在此也向这些文献的原作者表示感谢！还要特别地感谢我的家人，正是他们的全力支持和关心理解才使我的论文得以顺利完成！感谢所有曾给予我帮助、支持、关心、鼓励的老师、同学、朋友和亲人！本文工作得到了华北电力大学重大预研基金项目（Ｎｏ．２００６１３００３）的资助，特此致谢。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩会的各位专家、教授！华北电力人学硕士学位论文在学期间发表论文和科研情况发表论文情况１．王岩，，唐劲飞．基于模糊参数自校正ＰＩＤ方法的光伏发电系统ＭＰＰＴ控制的研究．电力自动化设备．已录用，２００８年３月待发表．２．Ｙ．ａｎＷａｎｇ，ＰｅｎｇＬｉ，ＨｏｎｇｌｅｉＶ№ｇ，Ｊｉｎｆ．ｅｉ７Ｉ’ａｎｇ．ＳｔｕｄｙＰＶｏｎＭＰＰＴＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＳｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅＧｒｉｄ—ｃｏ衄ｅｃｔｅｄＳｙｓｔｅｍ．ＤＲＰＴ２００８．已录用，待发表．３．王岩，，等．模糊参数自校正ＰＩＤ控制在光伏发电ＭＰＰＴ控制中的应用．中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十三届学术年会论文集．合肥，２００７．４．王岩，，王洪磊．单极式光伏并网发电系统逆变器控制方法的研究．中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十三届学术年会论文集．合肥，２００７．参加科研情况华北电力大学重大预研基金项目（Ｎｏ．２００６１３００３）：分布式电源并网优化控制及其对配网电能质量的作用机理研究。光伏发电系统MPPT控制方法的研究

作者：

学位授予单位：

王岩

华北电力大学(保定)

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1.学位论文 翁炳文 光伏发电系统关键技术的研究 2008

近年来，世界各国竞相发展绿色可再生能源，太阳能因其洁净、储量巨大等优点倍受青睐。在太阳能的各种应用中，光伏发电倍受关注。随着光伏组件价格的不断降低和电力电子技术的发展，光伏发电的系统容量和变换设备的转换效率不断增加，体积逐渐减小，对光伏发电系统相关设备的设计和制造提出了新的要求。 本文从提高光伏发电系统整体效率的角度出发，以光伏发电系统中电能变换装置作为研究目标，研究光伏发电中的关键性技术之一——光伏阵列的最大功率点跟踪技术。主要研究适用于光伏发电系统的最大功率点跟踪变换器的拓扑；研究光伏发电系统的最大功率点跟踪变换器的控制方法。论文在分析研究光伏电池的工作原理及输出特性的基础上，分析研究了几种基于DC/DC变换器的最大功率跟踪算法及各自优缺点和适用场合。在拓扑研究方面，分析研究了Buck、Boost和全桥电路应用于光伏发电中的优缺点以及适用的最佳功率等级，并对这三种电路的功率损耗进行分析，通过仿真进行验证。探讨了把软开关技术、三电平技术应用于光伏发电系统的可行性，并详细分析了应用于光伏发电系统的移相全桥ZVS DC/DC变换器电路的换流过程。在理论分析的基础上，论文设计实现了应用移相全桥软开关DC/DC变换电路作为主电路的MPPT变换器，构建了1000W小型光伏发电系统，进行仿真和实验，对实验结果进行损耗分析。证实了移相全桥ZVS DC/DC变换电路作为中小型光伏发电系统的前级变换器，可以在实现太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪的同时，保证开关管实现软开关，从而提高了系统的转换效率和功率密度。

2.期刊论文 蔡晓峰.张鸿博.CAI Xiao-feng.ZHANG Hong-bo 光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究 -华电技术2009,31(9)

介绍了一种光伏电池的仿真模型,分析了占空比扰动法实现最大功率点跟踪的原理.为进一步简化算法,分析了基于输出电流检测实现最大功率跟踪的可行性,说明了算法的原理和实现思路,建立了Matlab仿真模型并进行了仿真验证,仿真结果证明了算法的正确性.

3.学位论文 吴忠军 基于DSP的太阳能光伏发电系统的研究与设计 2007

随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁、安全可靠的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，是理想的可再生能源。20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。 由于太阳能电池阵列是光伏发电系统的核心部件和能源供给部分，因此在光伏发电系统仿真模型的研究中，太阳电池阵列仿真模型的研究至关重要。本文根据硅太阳电池的工程用数学模型建立了太阳能电池阵列的MATLAB仿真模型，分析了太阳辐射强度和温度对太阳电池阵列仿真模型精度的影响，提出了在不同太阳辐射强度时参数的优化设计计算公式，并将仿真结果与实际太阳电池阵列的测量结果进行了比较。 基于太阳能电池阵列的仿真模型，本文建立了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪MATLAB仿真模型，并对两种常用最大功率点跟踪方法进行了仿真比较研究，验证了理论分析的正确性。 本文针对目前应用广泛的太阳能光伏发电系统进行了研究，对系统中常用的DC/DC变换器拓扑及其优缺点进行了总结，并研究了一种新的带有双向变换器的太阳能光伏发电系统，对其主电路参数进行了设计，完成了基于TMS320F2812 DSP控制系统的硬件电路设计和软件设计。

4.期刊论文 乔增平.李宏.崔立国.张王攀.Qiao Zengping.Li Hong.Cui liguo.Zhang Wangpan 基于极值搜索的光伏电池最大功率点跟踪仿真 -计算机测量与控制2009,17(2)

针对光伏发电系统中最大功率点跟踪问题,在太阳能电池的数学模型的基础上建立了PV模块的Matlab仿真模型;考虑到了太阳能的波动性和随机性对太阳电池阵列的影响,利用一种基于极值搜索方法的实时MPPT控制原理,控制Buck DC/DC变换电路,结合S函数在Matlab/simulink环境下建立其动态仿真模型,实现了光伏电池输出的最大功率跟踪;仿真结果表明,该算法具有较好的动态特性和稳态特性,具有一定的实用价值.

5.学位论文 刘健 光伏发电系统最大功率跟踪的研究 2009

随着世界能源短缺问题的日益严重，太阳能做为国际公认的理想替代能源得到越来越广泛的应用。在光伏发电系统中，光伏电池阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响，本文通过实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，提高系统的整体效率。 本文从太阳能电池的光伏特性出发，针对光伏电池本身具有一定的非线性和时变性，无法建立精确的数学模型等特征，而传统PID控制难以满足精度高、鲁棒性好的要求。将模糊控制和传统PID结合应用到光伏发电系统最大功率点跟踪的控制当中，并采用Cuk变换器实现MPPT功能。模糊控制能快速响应外界环境的变化，使光伏系统始终工作在最大功率点，提高光伏系统的效率。 在理论分析的基本上，本文采用美国TI公司的电机控制专用DSP芯片为处理器，设计了一套具有最大功率跟踪功能的光伏发电系统，并详细给出了模糊PID控制器的数字化实现方法。最后基于具有交互功能的MATLAB/Simulink仿真工具和以TMS320LF2407ADSP为核心的硬件平台，进行了仿真和实验研究，分析了DC/DC变换器的选择方法，并比较了传统PID控制器和模糊PID控制器的性能指标。仿真与实验结果表明基于模糊控制的方法能快速响应外界环境的变化、可有效消除最大工作点处的振荡现象，提高系统的稳定性。

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本文讨论了太阳能电池的特性,并从电力电子和控制理论两方面综述了太阳能光伏发电系统中最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking;MPPT)研究的进展;分析、比较了两种基本的最大功率点跟踪的研究方法,提出了其中各自的优点及需要改进之处.

7.学位论文 吴春华 光伏发电系统逆变技术研究 2008

在能源枯竭及环境污染问题日益严重的今天，光伏发电是未来可再生能源应用的一种重要方法。本文以光伏逆变技术为研究对象，对光伏系统最大功率点跟踪方法、光伏智能充电控制策略、光伏并网系统拓扑结构与控制方法、光伏并网与有源滤波统一控制方法等问题进行了深入研究。 在扰动观测法的基础上，提出了一种直接电流控制最大功率点跟踪方法，通过检测变换器输出电流进行最大功率点跟踪控制，简化控制算法，同时省去了扰动观测法中的电压和电流传感器，降低系统成本。 研究了一种实用的光伏系统蓄电池充电控制策略，将最大功率点跟踪与智能充电控制有机结合在一起，充分利用光伏电池的输出功率，缩短充电时间，提高充电效率；研究了一种全数字式逆变器，通过电压有效值外环和瞬时值内环的双闭环控制，既能保证系统输出电压的稳态精度，又能保证瞬变负载条件下的动态特性。研制了一套3kW光伏发电系统并进行了实验验证。 针对住宅型光伏并网逆变器体积小、性能价格比高的要求，研究了一种基于导抗变换器的并网逆变器拓扑结构，相比于传统电流型逆变器，本拓扑省去了笨重的电抗器，同时利用高频变压器进行能量传递和电气隔离，进一步降低了系统损耗和体积，降低系统成本。 经研究发现，由于导抗变换器的固有特性，采用传统的SPWM调制方法将导致并网逆变器输出平顶饱和的非正弦电流，造成对电网的谐波污染，提出了一种新型改进调制模式。该方法可以实现高功率因数、低谐波并网发电。根据上述理论分析，研制了一台3kW单相光伏并网逆变器，实验结果验证了理论分析的正确性。 研究了一种三相电流型并网逆变器拓扑结构及其控制方法，采用改进调制模式对其进行控制，在谐波抑制方面取得了满意的效果。提出的三相并网逆变方案，相比于传统三相并网逆变器，具有如下显著优点：系统中任意一相都是一个的子系统，不受其它相影响，即使在某一相或某两相损坏的情况下，剩余相也能正常运行，增加了系统的冗余性；在三相电网不平衡情况下，本方法也能提供稳定的三相电流，增加系统抗电网波动能力。初看起来本方案使用的导抗变换器和变压器有3套，但是每相承受的功率容量只有系统总功率的三分之一，这样可以选用较小容量的器件，有利于高频电感和变压器的制作和生产。提出了一种基于导抗变换器的三相电流型逆变器实现方案，利用导抗变换器将输入直流电压变换为高频正弦电流，经高频变压器隔离及电流等级变换后进行裂相调制，输出为三相正弦电流。该方法不仅省去了传统电流型逆变器直流侧电抗器，而且采用高频变换进行功率传输，减小了隔离变压器及输出滤波器的体积，有利于装置的小型化和降低成本。 针对光伏电池输出电压较低的问题，研究了一种单级式三相升压型并网逆变器，通过一级变换同时

实现升压和DC/AC变换功能，并且提出了一种基于DSP芯片的控制策略，本方法仅用一个电压传感器就能替代原先的三个电压传感器：每个载波周期短路相只进行一次开关动作，同时任何时刻只有2个开关管导通，可有效降低系统的开关损耗和导通损耗；由于采用DSP控制，具有控制灵活、稳定性高、成本低、并网电能质量好，便于功率调节等优点。 提出了一种光伏并网与有源滤波兼用的统一控制策略，在同一套装置上既实现光伏并网发电，又实现谐波补偿，克服目前的光伏发电装置白天发电、夜间停机的不足，提高系统利用率。详细分析了无功电流和谐波电流的检测方法、光伏并网发电有功指令电流的生成方法及电流环控制器和电压环控制器的设计方法，并对光伏并网发电与有源滤波统一控制模式和单一有源滤波模式进行了讨论，仿真和实验结果验证了所提出的系统结构及控制策略的正确性和可行性。

8.期刊论文 刘邦银.段善旭.康勇.Liu Bangyin.Duan Shanxu.Kang Yong 高能效直流模块式光伏发电系统性能评估

-太阳能学报2008,29(9)

为了提高光伏发电系统在阴影和失配条件下的能效,保护光伏模组,提出一种基于并联直流模块的光伏发电系统结构,并与已有的串联直流模块和旁路直流模块式光伏发电系统进行了比较分析,综合评估了3种高能效直流模块式光伏发电系统的性能和特点.

9.学位论文 田勤曼 光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究 2008

太阳能是一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、用之不尽、无污染等优点，受到人们越来越多的重视。光伏发电是充分利用太阳能的一种有效方式之一。由于目前光伏电池板的价格比较高，转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。 光伏发电系统最大功率点跟踪是光伏电池输出最大功率因受到外界条件影响，而产生变化时进行的实时准确的跟踪。影响最大功率点的因素主要是光强和温度等因素。当外界因素发生变化时，就必须利用光伏发电最大功率跟踪实时跟踪光伏方阵的最大功率点电压，使得光伏方阵能以最大的功率输出。 本文以光伏发电系统为研究对象，对其进行了理论分析，从系统的参数选择、拓扑结构、控制策略、最大功率跟踪等方面作了详细的分析和研究。主要内容有： 首先，介绍了论文的相关研究背景、选题意义、以及论文的主要工作。 其次，根据不同场合的需要，对太阳能光伏发电系统进行了分类，分析了太阳能电池板的工作原理以及工作特性，对于不同环境和不同日照强度下的太阳能电池，输出特性曲线也不相同，验证了太阳能电池的非线性。 再次，介绍了最大功率点跟踪原理以及常用的几种跟踪方法，通过对这几种常用控制方法的研究对比找出其运行中存在的优缺点，并对原有的爬山法进行了改进，通过改变占空比来达到最大功率点跟踪的目的。 紧接着，介绍了三种常用的DC/DC变换器的工作原理，通过采用实验和仿真的方法，比较了三种电路的转换效率，结果证明Boost电路转换效率比较高。 最后，分析了最大功率点跟踪算法的实现，对P&O和INC以及改进的P&O这三种方法，进行建模和仿真，都实现了最大功率跟踪的目的，然而三种控制MPPT算法各有其优缺点，应根据不同场合采用不同算法。

10.学位论文 杜琳 基于输出参数的光伏系统最大功率点跟踪控制的研究与实现 2007

本文以太阳能发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，开展了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论和试验研究。首先分析了太阳能电池的模型及输出特性，针对光伏阵列提出了一种新的最大功率点跟踪法。取代传统的跟踪太阳能光伏阵列本身参数法，本文采用跟踪光伏系统输出参数来实现最大功率跟踪技术。根据太阳能电池的特点，在对太阳能发电系统及其控制策略进行深入分析的基础上，设计了一套基于DSP的系统控制方案。系统采用两级控制，实现了对太阳能电池最大功率点的追踪。同时对太阳能光伏系统及其控制方案进行了仿真。 针对上述分析与研究，对系统进行了设计。根据光伏系统的整体控制方案，给出了系统主电路结构及参数选择的设计思想。以MOTOROLA公司的数字信号处理器芯片DSP56F803为主控单元设计了控制电路并给出了驱动电路、保护电路的设计。 研究表明：该系统很好的实现了本文提出的控制方案所应完成的各项功能。采用此种太阳能最大功率点跟踪技术能够快速、准确、高效地进行最大功率点跟踪，抑制了太阳能电池板工作点偏移，减小了功率波动，最大限度的从太阳能电池板汲取能量，因只需检测光伏系统两个输出参数当中的任意一个，简化了最大功率点，且不必考虑控制算法及负载特性，具有较强的通用性。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1456222.aspx

下载时间：2010年5月5日