光伏发电系统及其MPPT的浅析

光伏发电系统及其MPPT的浅析

摘要：以太阳能光伏发电系统为研究对象，整体介绍了太阳能光伏发电系统的类型及其构成，讨论了光伏系统的最大功率点跟踪（MPPT）技术的意义。以最大限度利用太阳能为主要目标，介绍了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法，并讨论了各个方法的优缺点。

关键词：太阳能；光伏发电系统；MPPT；控制方法

Abstract:Focusing on the photovoltaic (PV) generation systems, overall introduced the types and the structures of the PV generation systems, and discussed the value of maximum power point tracking (MPPT) technology. In order to maximize the use of solar energy, introduced the methods of controlling the MPPT for PV generation system, and then discussed the advantages and disadvantages for each of them.

Key words: solar energy; PV generation system; MPPT; methods of control

0 引言

在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，太阳能作为一种新兴的可再生能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域限制等优点，受到了一致青睐，正得到迅速的推广应用。在太阳能的各种应用中，光伏应用倍受关注。随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。

太阳能发电是将太阳光能直接转化成电能的发电方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏阵列、控制器和电能存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池阵列产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节予以存储和转换，转换为负载所能使用的电能。而光伏系统的一大缺点就是光伏电池的光电转换效率太低,使其不能以最大效率转化为电能输出；而且在工作过程中受环境的影响也很大，会损失很多能量。因此为了使其输出的电能达到最大化,除了要研制价格低廉且能量转换效率高的光电材料外,还要在控制上实现光伏电池的大功率输出。这些控制方法包括光伏自动跟踪控制和最大功率点跟踪控制。最大功率点跟踪(MPPT)控制方法是光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。

本文讨论了光伏发电系统的构成以及提出了光伏系统的最大功率点跟踪技术的意义，并介绍了最大功率点跟踪的方法和原理及常见MPPT控制方法。

1 太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统在偏远农村电气化、荒漠、军事、通信及野外检测等领域得到广泛应用，并且随着技术的发展，其应用领域还在不断地延伸和发展。根

据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。

1.1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。独立供电的光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足，不能满足与电网互通需要的地区，主要用于满足单个用户的一天工作，生活用电，必须带有储能环节，满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要，这种供电方式设备复杂，蓄电池受环境和使用方法的影响，寿命一般不长，而且当有多余的电能或者是电能不足的情况下就会产生浪费或者影响工作和生活。

独立运行光伏发电系统组成与负载有关，直流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路。独立光伏系统的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池的输出电压进行升（降）压后提供给负载。这类系统结构简单，成本低廉。由于负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是生活用电，负载主要为交流，而且直流系统也很难实现并网运行。因此，交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。交流光伏逆变电源系统与直流光伏电源系统的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器，逆变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。图1.1为典型的独立光伏系统的结构图。光伏阵列安装在户外接受太阳能，通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相交流电。

图1.1 独立光伏发电系统结构图

1.2 并网光伏发电系统

光伏并网发电是太阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来，这样当电能多余的时候，可以把多余的电能输送到电网；当电能不足时可以

从电网获得电能补偿，满足工作和生活的需要，另外，并网发电系统不需要储能环节，这就大大节省了设备成本和维修率。

并网光伏发电系统如图1.2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，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某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。

图1.2 并网光伏发电系统结构图

1.3 混合光伏发电系统

图1.3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[1]。