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 dVdI =0 将上式整理得dV dI =-VI 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小电压分量（或称之为扰动），其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。

2.2.3 恒压法恒压发是根据晴天在中午时阵列的功率输出值来设定蓄电池的工作电压，以此时的功率输出作为近似地做大功率值，令光伏阵列从始至终都工作在以上所设定的电压值所对应的功率上。

由于最大功率点是随外界环境的改变而改变的，因此实际上没有实时地跟踪系统的最大功率点，有较大的功率损失，并不是真正意义上的最大功率点跟踪系统[11]。

图3 扰动法流程图2.2.4 电压反馈法从光伏电池的P-V曲线上可以看到，各个曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明电池的最大功率输出点的对应大致在某一值附近。

其控制原理是：从生产商处获得V M值，通过控制使阵列的输出电压钳位于V M值即可实现MPPT，也就是简单的稳压控制[12]，控制原理如图：图4 电压反馈法原理图2.2.5 功率反馈法由于电压反馈法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率反馈法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应大气的变化而达到最大功率点跟踪，也就是改变输出功率判断此时是否dP/dV=0，当dP/dV=0时即是为操作在最大功率点。

相对于电压反馈法而言，此方法虽然较为复杂且需要较多的运算过程，但其在减少能量损耗以及提升整体效率的效果却是非常显著的。

2.2.6 β函数法基于β函数法的其他方法都有快速精确跟踪的优点，光伏阵列的i-v 特征分β=ln(I0⨯c)。

研究表明，当系统析，产生一个中间变量β,Vpv/ln(=)cVpvIpv⨯-接近最大功率点时，β处于窄频带。

随后，运用小步骤可以实现精确的最大功率点跟踪。

因此，β函数法接近最大功率点而传统MPPT技术用来准确跟踪最大功率点[13]。

2.2.7扰动观察法的改进算法本方法要求保持输出电压保持稳定，所以不可能人为变动电压值来跟踪功率最大点，所以需要加以改进。

具体方法用负载扰动的方法来实现。

周期性增加或减少负载来产生电流的扰动，从而改变太阳能阵列输出的功率，并观察扰动前后太阳能阵列输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动。

反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝方向扰动，如此进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达到最大功率点。

图示为实验应用扰动与观察法来实现最大功率点跟踪的示意图：图5 MPPT控制实现示意图扰动电阻R和一个MOSFET串联在一起，当施加一个PWM信号通断场效应管，在扰动电阻R上就会产生方波电压，当占空比由小变大，则在输出电压基本稳定的条件下，通过电阻的平均电流也由小变大，相当于R改变了其阻值，所以叫扰动电阻，这样就通过改变GATE3的占空比改变了输出电流，从而完成了对最大功率点的跟踪。

实际上通过扰动电阻改变电流的范围是有限的，在超过其调控范围的时候，我们需要对连接在母线上的蓄电池组进行切换，再利用GATE3信号进行微调，从而达到最大功率的输出[14]。

3总结部分由于可持续发展的要求以及对能源需求的日益增长，光伏系统应用迅速发展，人们对于光伏系统的认识与研究正在逐步加深。

通过研究光伏电池的特性，涉及光伏发电的自动跟踪系统，克服了太阳能发电投入过高的瓶颈，对于我们西部太阳能资源丰富，并且电网又难以到达的贫困偏远地区，有很强的适用性。

本文介绍了光伏发电系统最大功率点的跟踪，在对最大功率的跟踪算法上，我们可以对算法加以改进以提高太阳能电池的输出效率，再根据太阳光照的强度不同配以蓄电池组共同使用，光照强时，对蓄电池进行充电，光照弱时，蓄电池内的电能可以拖动负载。