張旭, 張鵬, 余峰, 梁星星

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064)

光伏并網(wǎng)逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT設(shè)計(jì)

張旭, 張鵬, 余峰, 梁星星

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064)

對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器，最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。本文從太陽能電池陣列理論模型出發(fā)，在分析其物理特性及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出幾種MPPT方法。結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器理論分析及實(shí)際的光伏系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，提出一種合理可行、指標(biāo)優(yōu)化的MPPT方法，即改進(jìn)的CVT啟動(dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，試驗(yàn)結(jié)果顯示該最大功率點(diǎn)跟蹤可使光伏陣列穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)附近，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

光伏并網(wǎng)逆變器 太陽能電池陣列 最大功率點(diǎn)跟蹤

0 引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，系統(tǒng)效率是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因而，為了提高系統(tǒng)效率，盡可能地輸出更多的電能，在光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)中，其最大功率跟蹤（Maxium Power Point Tracking ，MPPT）是一個(gè)重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，必須在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的情況下，使光伏系統(tǒng)輸出最大的電能，因此MPPT的設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

本文從太陽能電池陣列理論模型出發(fā)，在分析其物理特性及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出幾種MPPT方法。結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器工程設(shè)計(jì)及實(shí)際的光伏系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，提出一種合理可行、指標(biāo)優(yōu)化的MPPT方法，其結(jié)果在10 kW、100 kW太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)上得到驗(yàn)證。

1 太陽能電池陣列的理論模型分析

1.1 光伏電池陣列的物理數(shù)學(xué)模型

一般情況下，太陽能電池陣列是由一系列太陽能電池單板組成，而太陽能電池單板是由一定數(shù)量的最小功率的光伏電池串、并聯(lián)起來的，光伏電池的基本物理結(jié)構(gòu)是能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的PN結(jié)，光伏電池基本等效電路模型如圖1。

光伏電池基本等效電路模型主要由幾部分組成：光生電流源、二極管、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電路模型等。光伏電池的數(shù)學(xué)模型可以等效為：

其中：I-光伏電池輸出電流（工作電流）；V-光伏電池輸出電壓（工作電壓）；Iph-光生電流；I0-二極管反相飽和電流；q-電子的電荷量(1.6× 1019C)；Rs-光伏電池的串聯(lián)電阻；n-二極管特性因子;k-玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23）;T-光伏電池溫度；Rsh-光伏電池的并聯(lián)電阻。

1.2 光伏電池陣列的電氣特性

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要著重了解的是光伏電池陣列的外特性，即其電氣特性。由光伏電池的物理數(shù)學(xué)模型及實(shí)際的工程測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到光伏電池在各種環(huán)境條件下的I-V及P-V特性曲線圖。

總體上講，光伏電池與電池溫度T及光照的輻射條件S（光照度）關(guān)系較大，這兩種因素是影響電池的光伏電氣特性的最主要的因素。

1.2.1 光伏電池陣列的I-V曲線

一般情況下，光伏電池的開路電壓受光伏電池溫度T的影響較大。光伏電池的溫度越高，則在相同的輻射條件S下光伏電池的開路電壓越低，反之，光伏電池的溫度越低，則在相同的輻射條件S下光伏電池的開路電壓越高。

在相同的光伏電池溫度T的條件下，光伏電池的短路電流受輻射強(qiáng)度S的影響，輻射強(qiáng)度越高，則光伏電池的短路電流越大；輻射強(qiáng)度越小，則光伏電池的短路電流越小[1]。不同電池溫度及光照度條件下的電池電氣I-V曲線如圖2、圖3。

1.2.2 光伏電池陣列的P-V曲線

對(duì)于光伏電池來說，其功率電壓曲線P-V是一條更重要的特性曲線。光伏電池的輸出功率等于光伏電池的端口輸出電壓與端口輸出電流的乘積，P-V曲線可以通過I-V曲線求得，工程實(shí)際的P-V曲線如圖4、圖5。

光伏電池的輸出功率受光伏電池溫度T以及太陽輻射強(qiáng)度S的影響。在相同的輻射條件S下，光伏電池的溫度越高，則光伏電池的開路電壓越低，輸出功率越小；反之，光伏電池的溫度越低，則光伏電池的開路電壓就越高，輸出功率越大。在相同的光伏電池溫度T下，照射到光伏電池上的輻射強(qiáng)度S越強(qiáng)，則光伏電池的短路電流就越高，輸出功率越大；輻射強(qiáng)度越低，則光伏電池的短路電流越低，輸出功率越小。

1.3 小結(jié)

在實(shí)際光伏系統(tǒng)中，光伏電池的輸出功率往往同時(shí)受到溫度T及太陽輻射強(qiáng)度S變化的影響。溫度T的增加使得光伏電池的輸出功率產(chǎn)生減小的趨勢(shì)，輻射強(qiáng)度S的增加使得光伏電池的輸出功率產(chǎn)生增大的趨勢(shì)，光伏電池的實(shí)際輸出功率是與這兩種因素密切相關(guān)的。

2 最大功率跟蹤MPPT方法及具體算法

由于篇幅有限，這里只討論改進(jìn)的CVT啟動(dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。其基本原理為：CVT啟動(dòng)后進(jìn)入變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)MPPT，在遠(yuǎn)離MPP的區(qū)域內(nèi)，采用較大的電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)以提高跟蹤速度，減少光伏電池在低功率輸出區(qū)的時(shí)間；在MPP附近區(qū)域內(nèi)，采用較小的電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)以保證跟蹤精度?；舅悸啡鐖D7，具體算法流程如圖8。

改進(jìn)的CVT啟動(dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法具備以上CVT及擾動(dòng)觀測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)，避免系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由于硬件采樣誤差對(duì)最大功率跟蹤造成不利的影響，穩(wěn)態(tài)后較小的MPPT跟蹤步長(zhǎng)及較低的MPPT處理速度，可以避免對(duì)穩(wěn)態(tài)功率造成頻繁擾動(dòng)[4]。通過試驗(yàn)，此方法是一種較為合適的MPPT方法，適合工程實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建的實(shí)際光伏系統(tǒng)，在實(shí)際中對(duì)幾種不同的最大功率跟蹤MPPT方法進(jìn)行研究，分別在晶硅陣列及溥膜陣列中高效可靠運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合了幾種方法優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)的CVT啟動(dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法具備工程應(yīng)用的可行性。

[1] 徐鵬威，劉 飛，劉邦銀，段善旭. 幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)[J]. 電力電子技術(shù)，2007, (5): 4l-45.

[2] 周德佳，趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng)，馮 博. 300 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化控制與穩(wěn)定性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008, (11): 23-26.

[3] 張興, 曹仁賢等. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4] 劉 飛，段善旭，殷進(jìn)軍，周 彥. 單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定性研究[J]. 電力電子技術(shù)，2008, (3): 42-45.

Design of the Maximal Power Point Tracking for Photovoltaic Grid-connected Inverter

Zhang Xu, Zhang Peng, Yu Feng, Liang Xingxing
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 , China）

For the grid connected photovoltaic inverter, the maximal power point tracking(MPPT) is a key content for the design. This paper analyzes the physics and math model of PV array, presents several method of MPPT method and the modified CVT Perturbation and Observation method. The experimental results show that the MPPT design makes the PV array working beside the MPP, and the design is effective.

grid connected photovoltaic inverter; PV array; MPPT

TM914

A

1003-4862（2013）11-0062-03

2012-07-02

張旭(1981-)，男，工程師。研究方向：自動(dòng)化。