1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/2022-12-42太阳能应用太阳能应用检测与控制技术检测与控制技术概述概述第第9章章光伏发电最大功率跟踪技术光伏发电最大功率跟踪技术9.1最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路9.3最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法9.29.1 概述概述 在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受辐照度、负载和温
2、度等因素的池的内部特性有关外，还受辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（一的最大功率点（Maximum Power PointMaximum Power Point，MPPMPP）上。因此）上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率
3、点跟踪（跟踪（Maximum Power Point TrackingMaximum Power Point Tracking，MPPTMPPT）技术。）技术。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 最大功率点跟踪技术实施最重要的是寻找合适的最大功率点跟踪技术实施最重要的是寻找合适的MPPTMPPT控控制算法，能在快速变化的外界环境条件下有效地跟踪最大功制算法，能在快速变化的外界环境条件下有效地跟踪最大功率点，控制光伏电池阵列，使其时刻工作在最大功率点上。率点，控制光伏电池阵列，使其时刻工作在最大功率点上。实现最大功率点跟踪有多种不同的方法，如开路电压法、短实现最大功率点跟踪有多种不同的方法
4、，如开路电压法、短路电流法、扰动观察法、增量电导法、模糊控制法、查表法路电流法、扰动观察法、增量电导法、模糊控制法、查表法、滞环比较法、曲线拟合法等。目前，常用的方法主要是开、滞环比较法、曲线拟合法等。目前，常用的方法主要是开路电压法、扰动观察法和增量电导法。路电压法、扰动观察法和增量电导法。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法9.2.1 9.2.1 开路电压法与短路电流法开路电压法与短路电流法 1 1开路电压法开路电压法 由图由图9-19-1可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出大时，光伏电池的输出P P-U U曲线上的最大功率点
5、几乎分布曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧。因此，若能将光伏电池输出电压于一条垂直直线的两侧。因此，若能将光伏电池输出电压控制在其最大功率点附近上的某一定电压处，光伏电池将控制在其最大功率点附近上的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种获得近似的最大功率输出，这种MPPTMPPT控制称为定电压跟踪控制称为定电压跟踪法。法。研究发现，光伏电池的最大功率点电压研究发现，光伏电池的最大功率点电压UmppUmpp与光伏电与光伏电池的开路电压池的开路电压UocUoc之间存在近似的线性关系，即之间存在近似的线性关系，即 （9-49-4）式中，系数式中，系数k1k1取决于光伏电池的
6、特性，一般取值大约在取决于光伏电池的特性，一般取值大约在0.80.8左右左右mpp1ocUkU9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 k k1 1的值一旦确定下来，通过周期性地采样开路电压的值一旦确定下来，通过周期性地采样开路电压U Uococ的的值，就可根据式（值，就可根据式（9-49-4）计算出）计算出U Umppmpp的值，作为光伏电池阵列的值，作为光伏电池阵列输出电压调整的目标参考值，此时光伏电池阵列在整个工作输出电压调整的目标参考值，此时光伏电池阵列在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。过程中将近似工作在最大功率点处。由于该方法只是对最大功率点处的电压由于该方法只是对最大功率点
7、处的电压U Umppmpp进行估计，进行估计，并没有真正去跟踪检测最大功率点，因此该方法控制的适应并没有真正去跟踪检测最大功率点，因此该方法控制的适应性较差。而且为了提高跟踪精度，需要周期性地断开后续功性较差。而且为了提高跟踪精度，需要周期性地断开后续功率转换器电路，采样光伏电池阵列的开路电压，这将带来短率转换器电路，采样光伏电池阵列的开路电压，这将带来短时间的功率损失。为了解决这一问题，可以利用一块与所需时间的功率损失。为了解决这一问题，可以利用一块与所需采样的太阳能光伏阵列特性相同的小的光伏电池板实时采样采样的太阳能光伏阵列特性相同的小的光伏电池板实时采样光伏阵列开路电压的方法，此方法可以
8、克服短时功率损失这光伏阵列开路电压的方法，此方法可以克服短时功率损失这一缺点。一缺点。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法图图9-1 9-1 相同温度下光伏电池特性相同温度下光伏电池特性9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 2 2短路电流法短路电流法 由图由图9-19-1可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出，光伏电池的输出U U-I I曲线最大功率点电流曲线最大功率点电流I Imppmpp与光伏电池短与光伏电池短路电流路电流I Iscsc也存在近似的线性关系，即也存在近似的线性关系，即 （9-59-5）式中，系数式中，系数
9、k k2 2的值取决于光伏电池的特性，一般的值取决于光伏电池的特性，一般k k2 2的取值在的取值在0.80.8左右。左右。mpp2 scIk I9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 实际应用时，可在逆变器中添加相关的功率开关，并实际应用时，可在逆变器中添加相关的功率开关，并通过周期性短路光伏电池的输出端来测得通过周期性短路光伏电池的输出端来测得I Iscsc。该方法与定。该方法与定电压跟踪法的应用类似，属于开环的电压跟踪法的应用类似，属于开环的MPPTMPPT算法。算法。开路电压法和短路电流法的主要优点就是控制简单、开路电压法和短路电流法的主要优点就是控制简单、易于实现。但是由于式（易于
10、实现。但是由于式（9-49-4）和式（）和式（9-59-5）是近似公式，）是近似公式，所以光伏电池并不是工作在真正的最大功率点上，因此它所以光伏电池并不是工作在真正的最大功率点上，因此它们难以准确实现们难以准确实现MPPTMPPT，但其具有控制简单并快速接近最大，但其具有控制简单并快速接近最大功率点的优点，因此常将它们与其他闭环功率点的优点，因此常将它们与其他闭环MPPTMPPT方法组合使方法组合使用，即一般可以在光伏系统启动过程中先采用定电压跟踪用，即一般可以在光伏系统启动过程中先采用定电压跟踪法使工作点电压快速接近最大功率点。法使工作点电压快速接近最大功率点。9.2 最大功率跟踪算法最大功
11、率跟踪算法9.2.2 9.2.2 扰动观测法扰动观测法 扰动观测法是实现扰动观测法是实现MPPTMPPT最常用的自寻优类方法之一。最常用的自寻优类方法之一。其基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压（或电流），其基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势改然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势改变扰动电压（或电流）方向，使光伏电池最终工作于最大功变扰动电压（或电流）方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。对于光伏并网系统而言，从观测对象来说，扰动法又率点。对于光伏并网系统而言，从观测对象来说，扰动法又可分为两种：一种是基于并网逆
12、变器输入参数的扰动观测法可分为两种：一种是基于并网逆变器输入参数的扰动观测法；另一种是基于并网逆变器输出参数的扰动观测法。；另一种是基于并网逆变器输出参数的扰动观测法。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 基于并网逆变器输入参数的扰动观测法直接检测逆变基于并网逆变器输入参数的扰动观测法直接检测逆变器输入侧光伏电池的输出电压和电流，通过计算光伏电池器输入侧光伏电池的输出电压和电流，通过计算光伏电池的输出功率并采用功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的的输出功率并采用功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。基于输出参数的扰动观测法则是在不考最大输出功率点。基于输出参数的扰动观测法则是在不
13、考虑逆变器损耗的情况下，通过并网逆变器网侧输出功率扰虑逆变器损耗的情况下，通过并网逆变器网侧输出功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法9.2.3 9.2.3 电导增量法电导增量法 前述讨论表明，最大功率跟踪点跟踪实质上就是搜索前述讨论表明，最大功率跟踪点跟踪实质上就是搜索满足条件满足条件d dP P/d/dU U=0=0的工作点，由于数字控制中检测及控的工作点，由于数字控制中检测及控制精度的限制，以制精度的限制，以 P P/U U近似代替近似代替d dP P/d/dU U，从而影响了，从而影响了MP
14、PTMPPT算法的精确性。一般而言，算法的精确性。一般而言，U U由步长决定，当最小由步长决定，当最小步长一定时，步长一定时，MPPTMPPT算法的精度就由算法的精度就由 P P对对d dP P的近似程度决的近似程度决定。扰动观测法用两点功率差近似替代微分定。扰动观测法用两点功率差近似替代微分d dP P，即从，即从d dP PP Pk kP Pk k1 1出发，推演出以功率增量为搜索判据的出发，推演出以功率增量为搜索判据的MPPTMPPT算算法。法。9.2 最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法9.2.4 9.2.4 三点比较跟踪法三点比较跟踪法 扰动观测法的基本思想是通过比较扰动前后两点功率差来
15、扰动观测法的基本思想是通过比较扰动前后两点功率差来决定是增大还是减小工作点电压，即用当前工作点和前一决定是增大还是减小工作点电压，即用当前工作点和前一个扰动点相比较，判断功率变化的方向来决定工作电压移个扰动点相比较，判断功率变化的方向来决定工作电压移动的方向。虽然使用过程中造成振荡或误判的原因不同，动的方向。虽然使用过程中造成振荡或误判的原因不同，但是每次的扰动都是基于前后两点瞬时测量值的单向扰动但是每次的扰动都是基于前后两点瞬时测量值的单向扰动。如果再增加另外一点的测量信息，并进行具有双向滞环。如果再增加另外一点的测量信息，并进行具有双向滞环特性的双向扰动，则有可能克服扰动观测法的振荡和误判
16、特性的双向扰动，则有可能克服扰动观测法的振荡和误判问题。问题。9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路 在常规的线性系统的电气设备中，为使负载获得最大功率在常规的线性系统的电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可以获得最大功率，如图内阻，此时负载上就可以获得最大功率，如图9-159-15所示。所示。图中，图中，U Ui i为电源电压，为电源电压，R Ri i为电压源的内阻，为电压源的内阻，R R0 0为负载电阻，则为负载电阻，则负载上消耗的功率负载上消耗的
17、功率P PRoRo为为 （9-149-14）式中，式中，U Ui i和和R Ri i均是常数，对均是常数，对R R0 0求导，可得求导，可得 （9-159-15）022R00iiUPI RRRR0R20300dd()iiiPRRURRR9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图图9-15 9-15 简单线性电路简单线性电路9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路 对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率。但是在太阳能电池供电系阻的简单方法获得最大输出功率。但是在太
18、阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅仅受日照强度的影响，而且受统中，太阳能电池的内阻不仅仅受日照强度的影响，而且受环境温度以及负载的影响，因而处在不断变化之中，从而不环境温度以及负载的影响，因而处在不断变化之中，从而不可能用上述简单方法来获得最大功率输出。目前所采用的方可能用上述简单方法来获得最大功率输出。目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC/DCDC/DC变换器，变换器，通过改变通过改变DC/DCDC/DC变换器中功率开关管的导通率来改变输出阻变换器中功率开关管的导通率来改变输出阻抗。电路中开关管导通占空比的改变，对光伏阵列而言表
19、现抗。电路中开关管导通占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化。由于输出阻抗的变化将影响光伏为其输出阻抗发生了变化。由于输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性，因此，可通过它来调整、控制太阳能电池阵列的输出特性，因此，可通过它来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率的跟踪控制。阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率的跟踪控制。00d0dRPR令令,即即R Ri i=R R0 0时，时，P PR R0 0取得最大值。取得最大值。9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.1 9.3.1 降压式变换器（降压式变换器（buckbuck）降
20、压式（降压式（buckbuck）变换器是一种输出电压等于或小于输入）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。图电压的单管非隔离直流变换器。图9-189-18给出了它的电路原理给出了它的电路原理示意图。图中开关示意图。图中开关VTVT可以是各种全控型电力器件，可以是各种全控型电力器件，VDVD为续流为续流二极管，其开关速度应与开关二极管，其开关速度应与开关VTVT同等级，常用快恢复二极管同等级，常用快恢复二极管。L L、C C分别为谐波电感和电容，组成低通滤波器，分别为谐波电感和电容，组成低通滤波器，R RL L为负载为负载。为了简化分析，作如下假设：。为了简化分析，作如下
21、假设：VTVT、VDVD是无损耗的理想开关是无损耗的理想开关管，输入直流电源管，输入直流电源U Ud d是理想电压源，其内阻为零，是理想电压源，其内阻为零，L L、C C的损的损耗可忽略，耗可忽略，R RL L为理想负载。为理想负载。图图9-199-19为为buckbuck变换器电路的等效电路及相关波形图。变换器电路的等效电路及相关波形图。9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图图9-18 Buck9-18 Buck原理示意图原理示意图9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图图9-19 Buck9-19 Buck电路等效电路及波形图电路等效电
22、路及波形图9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.2 9.3.2 升压式变换器（升压式变换器（BoostBoost）Boost Boost变换器是输出电压变换器是输出电压U Uo o高于输入电压高于输入电压U Uinin的单管的单管不隔离直流变换器，所用电力电子器件及元件与不隔离直流变换器，所用电力电子器件及元件与BuckBuck变换器的相同，仅电路拓扑结构不同，如图变换器的相同，仅电路拓扑结构不同，如图9-219-21所示所示。由图可见，。由图可见，BoostBoost变换器中电感变换器中电感L L在输入侧，一般称在输入侧，一般称为升压电感。开关管为升压电感。
23、开关管VTVT仍为仍为PWMPWM控制方式，但它的最大控制方式，但它的最大占空比占空比D D必须限制，不允许在必须限制，不允许在D D=l=l情况下工作。当开情况下工作。当开关关VTVT导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容二极管截止，电容C C向负载供电。当开关向负载供电。当开关VTVT截止时，由截止时，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极管向负载供电，同时向电容充电，此时管向负载供
24、电，同时向电容充电，此时U UL L=U UininU Uo o。所以，输出电压大于输入电压，这种变换器适用于蓄所以，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。电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图图9-21 Boost9-21 Boost变换器电路原理图变换器电路原理图9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路 Boost Boost变换器有两种工作方式：电感电流连续和断续。变换器有两种工作方式：电感电流连续和断续。图图9-229-22给出了这两种工作方式下的主要波
25、形图。当电感电流给出了这两种工作方式下的主要波形图。当电感电流连续时，连续时，BoostBoost变换器存在两种开关模态。变换器存在两种开关模态。图图9-22 Boost9-22 Boost变换器电路主要波形图变换器电路主要波形图9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.3 9.3.3 升升-降压式变换器（降压式变换器（Buck-BoostBuck-Boost）Buck-Boost Buck-Boost变换器是输出电压变换器是输出电压U Uo o既可以低于也可以高既可以低于也可以高于电压于电压U Uinin的单管不隔离直流变换器，其主电路与的单管不隔离直流变换器，
26、其主电路与BuckBuck和和BoostBoost变换器的元器件相同，也由开关管、二极管、电感变换器的元器件相同，也由开关管、二极管、电感和电容等构成，原理如图和电容等构成，原理如图9-239-23所示，与所示，与BuckBuck和和BoostBoost变换变换器不同的是，其输出电压的极性与输入电压相反。图器不同的是，其输出电压的极性与输入电压相反。图9-249-24为为Buck-BoostBuck-Boost变换器电路波形图。变换器电路波形图。9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图图9-23 Buck-Boost9-23 Buck-Boost变换器电路原理图变换器电路原理图9.3 最大功率跟踪系统中的变换电路最大功率跟踪系统中的变换电路图9-24 buck-boost变换器电路波形图
