光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计【文献综述】

毕业设计开题报告

电气工程及其自动化

光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计

1前言部分

随着社会生产的日益发展，人们对能源的需求每天都在增加，全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，25年间增长了69.7%，到2020年，全世界对能源的消耗预计将达到195亿吨标准煤。如果人类对能源的需求以目前的速度增长，根据公式计算，全世界的石油将在40年后被消耗殆尽，天然气和煤业最多能维持60年和200年左右。由此可见，研究和开发新能源的需求十分迫切，采用新能源和可再生能源不仅能解决能源短缺的问题，还能保护生态环境，减少污染，是走经济社会可持续发展的重大措施。太阳能资源丰富、分布广发、可再生、无污染，是当今国际社会公认的理想能源替代品[1]。能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180到1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800到152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在60年内枯蝎;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望。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[2]。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[3]!

当今世界太阳能光伏技术的利用，特别是在非洲、美洲、澳洲、亚洲各国，其增长幅度相当大，只要原因是近几年来太阳能电池、电力电子及微电子技术的快速发展，以及人们环保意识的不断增强[4]。太阳能发电与其他发电系统相比具有许多优点：

1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能量

的6000倍。

2.太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电

能损失。

3.太阳能不用燃料，运行成本小，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。

4.发电部件不易损坏，维护简单。

5.光伏发电部产生任何废弃物，没有污染，对环境无不良影响，是理想的清洁

能源。

6.光伏发电系统建设周期短，忧郁模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器

的几个毫瓦，大到数十兆挖的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能电池容量，既方便灵活，又避免浪费[5]。

太阳能发电分光热发电和光伏发电。无论产销量、发展速度和发展前景，光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电时根据光生伏打效应原理。利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能。无论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器三大部分组成。理论上讲，光伏发电技术可以用于人物需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，另外还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施，我国并网发电已经起步。

2 主体部分

2.1 光伏发电

太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换原件，也称为光伏电池。太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同意光照强度下，忧郁负载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说都采用一个变换装置，使太阳能电池输出功率保持在它所能输出的最大状态，再使它向负载供电。目前太阳能电池输出功率控制上主要利用CVT （constant voltage tracking）技术。硅太阳能电池阵列具有如图1所示的伏安特性。

图1 太阳能电池阵列伏安特性曲线[6]

图中L是负载特性曲线，当温度保持某一固定值时，在不同的日照强度下它与负载特性L的交点a，b，c，d，e对应不同的工作点。人们发现阵列可能提供最大功率的那些点，这就有可能把最大功率点的轨迹近似地看成电压U=const的一根垂直线，亦只要保持阵列的初端电压为常数，就可以大致保证阵列输出在该亦温度下的最大功率，于是最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是CVT 的理论依据。CVT控制方式具有简控制单，可靠性搞，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统多获得20%的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟中方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响，以单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1度时，其开路电压下降率为0.35%-0.45%。这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。对于四季温差大的地区，CVT控制方式并不能再所有的温度环境下完全地跟踪到最大功率[7],[8]。

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控制方式已经显得不是很经济，最大功率点跟踪MPPT技术可以使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池的最大功率，显示了它杰出的技术优势。MPPT 可以挽回由于温度变化而导致的系统的失配损失，特别对于冬夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济意义。

要利用光伏电池发电，为了使其工作于最佳状态，就要使其工作于最大功率点上。如图所示，光伏电池的I-V和P-V特性曲线都对应着一定的光照强度和结温条件，这些条件在实际应用中会不断地变化，所以光伏电池的工作点会不断地在各个曲线之间转移，最大功率点也就会不断变化位置。就某一条曲线而言，光

伏电池的端电压变化时，其工作点也会沿着曲线变化。因此使光伏电池工作于最大功率点上是一个提高效率的重要途径，进行最大功率点跟踪控制使光伏发电系统所必需采取的措施。最大功率点跟踪控制具体到P-V 曲线上，就是使光伏电池端电压始终处于V M 附近。

图2 光伏电池的I-V 和P-V 特性曲线

2.2 太阳能跟踪最大功率点跟踪控制算法

2.2.1 增量电导法

增量电导法的基本理念其出发点为dP/dV=0这个逻辑判断式，其中的功率P 可以由电压V 与电流I 表示，而将dP/dV=0改写成：

dV dP =dV IV d )(=I+V dV

dI =0 将上式整理得

dV dI =-V

I 在上式中dI 表示增量前后量测到的电流差值，dV 表示增量前后量测到的电压差值。因此，只要符合以上式的要求时，则表示已达到最大功率点。如果不符合则改变电压的扰动方向。测得的结果此一跟踪法最大的优点，是当太阳能电池上的光照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小。不过其算法较为复杂，这对微处器在控制上会造成相当的困难[9],[10]。

2.2.2 扰动与观察法

扰动观察法使控制回路模块化，跟踪法则简明，容易实现。它是实现MPPT 常用的方法。其原理是：测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个