1、淺談光伏發(fā)電系統(tǒng)及MPPT,光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 光伏電池的原理及結(jié)構(gòu) 光伏電池的外特性 最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking),光伏發(fā)電系統(tǒng),太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 不與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。一般來說,獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、MPPT控制器、蓄電池組、DC/AC逆變器和交直流負載等部分組成。獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下。,獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用電負載的特點,可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等幾種,其主要區(qū)別是系

2、統(tǒng)中是否帶有逆變器。獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是光伏陣列首先將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負載,并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中,在日照不足時,儲存在蓄電池中的能量供給直流負載使用或經(jīng)過逆變器后變成交流電能供給交流負載使用。,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖所示一種常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,該系統(tǒng)包括太陽能電池陣列、DC/DC變換、DC/AC逆變器、交流負載、變壓器,另外該系統(tǒng)可根據(jù)需要在DC/DC變換器輸出端并聯(lián)蓄電池組,以用于提高系統(tǒng)供電的可靠性,但系統(tǒng)成本將增加。,光伏電池的原理及結(jié)構(gòu),太陽電池

3、的發(fā)電原理是利用光入射于半導(dǎo)體時所引起的光電效應(yīng)。光伏電池的基本特性和二極管類似,光伏電池是不加偏置的PN結(jié)器件。當具有適當能量的光子入射于半導(dǎo)體時,光與構(gòu)成半導(dǎo)體的材料相互作用產(chǎn)生電子和空穴,此時如半導(dǎo)體中存在PN結(jié),電子向N型半導(dǎo)體擴散,空穴向P型半導(dǎo)體擴散,并分別聚集于兩個電極部分,即正負電荷聚集于兩端,這樣如用導(dǎo)線連接這兩個電極,就有電荷流動產(chǎn)生電能。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式完全不同:既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部分,也不排出氣體,是清潔、無噪聲的發(fā)電機。,光伏陣列的構(gòu)成及其特性,光伏電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,一般不單獨作為電源使用。將光伏電池單元進行串、并聯(lián)并封裝后就成為太陽電池組件,功率一般為幾

4、瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦,眾多太陽電池組件按需要再進行串、并聯(lián)后形成太陽電池陣列,就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機”(Solar Generator)。 光伏電池工作環(huán)境的多種外部因素都會影響光伏電池的性能指標,比如光照強度、環(huán)境溫度、光譜響應(yīng)等。光伏電池的輸出特性可以用曲線的形式表示出來,根據(jù)縱坐標的不同,分為I-V和P-V特性曲線 。在一定條件下,光伏電池兩端電壓和電流的對應(yīng)關(guān)系在直角坐標下形成一條曲線,叫做光伏電池的伏安特性曲線,即I-V曲線?？梢钥闯?此I-V曲線具有高度的非線性特征,這樣就存在一個最大功率輸出問題 。在P-V特性曲線中,可以看出隨著端電壓由零逐漸增長輸出功率先上升然后下降,說明存在

5、一個端電壓值,在其附近可獲得最大功率輸出,這跟I-V曲線說明了同一個問題。,由圖可見,光伏電池輸出功率受多個因素的影響,尤其取決于照射到其表面的太陽輻射量。由于受到當?shù)鼐暥?、?jīng)度、時間、空氣狀態(tài)及氣象條件等各種因素的影響,實際上某個地方所能接受的輻射量時時刻刻都在變化著,偶然的陰影遮蔽也會使輸出功率降低。因此,光伏電池的輸出最大功率點Pm、短路電流Isc、開路電壓Voc隨著輻射強度、環(huán)境溫度在不停地變化,所以光伏發(fā)電系統(tǒng)要不停地調(diào)整以使光伏電池工作于最大功率點上,但這又同時使得光伏電池的輸出電流、電壓在不斷變化,即輸出功率是不斷變化的。,光伏陣列MPPT功能的研究和實現(xiàn)策略,由于光伏陣列具有明

6、顯的非線性特性,為了實現(xiàn)光伏陣列在不同光強條件下的輸出功率最大化,需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤。使之工作在最大功率點電壓處以使太陽能電池板輸出功率達到最大值,這個過程即最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking)。 從電路理論可得:在線性電路中,當外部負載等效阻抗(ZL)與電源內(nèi)阻抗(Zpv)成共軛時,外部負載可以獲得最大輸出功率。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,雖然光伏電池和DC/DC變換電路均為非線性,但在較短時間內(nèi),兩者均可以看為線性電路。因此可以把光伏陣列等效看成直流電源,DC/DC變換電路看成外部負載。調(diào)節(jié)DC/DC變換電路的等效電阻,使之在不同的外部環(huán)境下始終

7、跟隨光伏陣列的內(nèi)阻變化,兩者動態(tài)負載匹配時就可以獲得DC/DC變換器的最大輸出功率,實現(xiàn)太陽能電池的MPPT。,實現(xiàn)太陽能電池的MPPT算法有很多種,常用的有： 恒定電壓控制法擾動觀測法電導(dǎo)增量法。,恒定電壓控制法(Constant Voltage Tracking-CVT),溫度一定時,在不同的日照強度下,太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點基本是分布在一條垂直線的附近,如圖所示。因此只要保持太陽能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強度下太陽能電池陣列最大功率點的電壓,就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列輸出最大功率。從上圖可以看出恒電壓法實際上是把最大功率點跟蹤簡化為恒電壓跟蹤。,恒電壓

8、法實現(xiàn)原理如圖所示（三角波比較跟蹤控制方法）。Uset表示給定工作點電壓,一般為某一溫度下太陽能電池陣列的最大功率點電壓，Upv認為太陽能電池陣列實際輸出電壓,給定工作點電壓和太陽能電池陣列實際輸出電壓比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)結(jié)果與三角波進行比較產(chǎn)生PWM脈沖以驅(qū)動功率開關(guān)管,從而對太陽能電池陣列的負載阻抗進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)阻抗匹配。,擾動觀察法(Perturb&Observe algorithms-P&O,擾動觀察法(Perturb然后通過比較擾動周期前后光伏陣列的輸出功率,如果輸出功率增加,那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)擾動,相反,如果輸出功率減小,則改變“擾動”方向。,電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance Algorithm,由光伏電池的P-U曲線可以看出,在最大功率點處的斜率為零。通過簡單的數(shù)學推導(dǎo)可以得出在最大功率點處有下式成立: 從圖中可以看出,dP/dV值是與輸出電壓值一一對應(yīng)的。 當dP/dV=0，在最大功率點處； 當dP/dv0，在最大功率左邊； 當dP/dv0，在最大功率右邊。,當太陽能電池陣列工作在最大功率點的條件是:輸出電