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進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，社會(huì)發(fā)展速度不斷加快，對(duì)電力能源的需求量與日俱增，傳統(tǒng)的主要依靠煤炭發(fā)電的火力發(fā)電方式在燃燒利用率和污染物排放方面存在著諸多的弊端，尤其是近年來(lái)多地頻頻出現(xiàn)的霧霾天氣，更引發(fā)了大眾對(duì)環(huán)境問(wèn)題的高度擔(dān)憂，加之煤炭為不可再生資源，已探明的儲(chǔ)量正急劇減少，這些因素都困擾著發(fā)電量的進(jìn)一步增加。為此，人們將目光轉(zhuǎn)向了新能源發(fā)電。目前可用于發(fā)電的新能源有太陽(yáng)輻射能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能和地?zé)崮艿龋c其它新能源相比，太陽(yáng)輻射能是一種在地球上普遍存在的清潔能源，因其分布范圍廣、環(huán)境友好、綠色無(wú)污染和可再生性受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。但是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電也存在著一定的弊端，由于太陽(yáng)輻射能存在時(shí)間上和空間上的易變性和不確定性，例如一天中太陽(yáng)照射強(qiáng)度隨時(shí)都在變化和晚上太陽(yáng)輻射能基本沒(méi)有等等情況，使得太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)化輸出的電能也存在波動(dòng)性，為了能夠最大效率的利用太陽(yáng)輻射能，需要進(jìn)行最大功率追蹤。本文介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并分別敘述了每一個(gè)子模塊的工作原理和構(gòu)成方式，如圖1所示。對(duì)比分析了各種最大功率追蹤方法的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文認(rèn)為電導(dǎo)增量法在速度和精度方面都有一定優(yōu)勢(shì)。最后，通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建模型進(jìn)行仿真，結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，并且系統(tǒng)輸出功率能夠滿足所帶負(fù)載功率的需求。

1光伏電池模塊

光伏電池是利用光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的有效方式。但單個(gè)光伏電池輸出電流和功率很小，通常只有幾安和幾十瓦左右，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，光伏電池模塊通常通過(guò)串并聯(lián)的方式組合成M*N光伏陣列，以此來(lái)提高光伏電池組的整體輸出電流和功率，從而保證能夠使負(fù)載正常運(yùn)行。另外，光伏電池的輸出特性受光照強(qiáng)度和溫度的影響很大，但在任一確定的光照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的輸出P-V特性曲線都對(duì)應(yīng)著一條特定的曲線，且都為單峰值曲線，存在唯一的最大功率值點(diǎn)，在實(shí)際使用中，為了提高光伏電池的利用率，需要使其輸出功率能夠始終保持在最大功率點(diǎn)處。當(dāng)光照強(qiáng)度或者溫度發(fā)生變化時(shí)，光伏電池的最大功率值對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此為了提高光伏電池的發(fā)電效率，需要不斷地調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之跟隨最大功率點(diǎn)的變化，從而為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供更多的電能。

2Boost升壓電路

Boost升壓電路是一種常用的直流斬波電路，輸入量和輸出量均為直流量。根據(jù)電力電子技術(shù)的要求，Boost升壓式斬波器的輸出電壓Uo高于輸入電壓Ui，控制開(kāi)關(guān)與負(fù)載并聯(lián)連接，與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容必須足夠大，以保證輸出電壓恒定，儲(chǔ)能電感也要很大，以保證向負(fù)載提供足夠的能量。光伏電池輸出特性受光照強(qiáng)度和溫度影響，使得輸出電壓和功率波動(dòng)較大，需要經(jīng)過(guò)Boost升壓電路后再接負(fù)載。一方面，光伏電池輸出電壓較低，經(jīng)升壓電路升壓后，可以滿足更大電壓等級(jí)負(fù)載的需要；另一方面，升壓電路中的電感和電容對(duì)電壓和功率波動(dòng)能夠起到一定的緩沖作用，使輸入負(fù)載端的電壓和功率更加平穩(wěn)，延長(zhǎng)負(fù)載使用壽命，這在實(shí)際使用中是十分重要的。

3最大功率追蹤控制系統(tǒng)

任一光照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的P-V特性曲線都為先增加后減小的單峰值曲線，存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，但隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化，最大功率值和最大功率值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓始終處在不斷變化中，無(wú)法保證輸出功率為該條件下的最大值，這使得光伏電池的利用率降低，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法滿足負(fù)載的功率需求。為此，必須要對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行最大功率追蹤控制。光伏系統(tǒng)最大功率追蹤控制方式有恒電壓法、開(kāi)路電壓比例法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及智能控制法等，其中常用的有擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。擾動(dòng)觀察法的工作原理如下：對(duì)光伏電池的輸出電壓和電流進(jìn)行取樣，假設(shè)光伏電池工作在電壓為U1處，此時(shí)給輸出電壓增加一個(gè)很小的擾動(dòng)量△U（設(shè)定擾動(dòng)量△U為正），則光伏電池工作在電壓為U2=U1+△U處，分別計(jì)算擾動(dòng)前后的功率P1和P2并進(jìn)行比較，如果擾動(dòng)后的功率P2大于擾動(dòng)前功率P1，則說(shuō)明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)，擾動(dòng)方向是正確的，應(yīng)該繼續(xù)按這個(gè)方向增加擾動(dòng)；反之，說(shuō)明當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，應(yīng)該向反方向增加擾動(dòng)。擾動(dòng)觀察法簡(jiǎn)單易懂，容易實(shí)現(xiàn)，但也存在某些不足，例如步長(zhǎng)為一個(gè)定值，很容易導(dǎo)致工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)兩側(cè)振蕩運(yùn)行，造成功率損失；此外，當(dāng)外界環(huán)境變化較為劇烈的情況下，擾動(dòng)觀察法這種簡(jiǎn)單的比較擾動(dòng)前后功率數(shù)值的大小關(guān)系的方法很容易造成誤判，結(jié)果使光伏電池長(zhǎng)期偏離最大功率點(diǎn)工作。電導(dǎo)增量法也是最大功率追蹤的常用方法之一，工作原理如下：由光伏電池的P-V特性曲線可知，工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，dP/dU為正值；工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)時(shí)，dP/dU等于零；工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，dP/dU為負(fù)值。對(duì)光伏電池的輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，計(jì)算擾動(dòng)前后的功率值并求差值，對(duì)擾動(dòng)前后的電壓求差值，當(dāng)電壓差值不為零時(shí)，計(jì)算dP/dU，結(jié)合擾動(dòng)量的正負(fù)值判斷工作點(diǎn)所在的位子。如果工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，則增加擾動(dòng)量；否則反方向增加擾動(dòng)量，使其逐漸逼近最大功率點(diǎn)。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是能快速適應(yīng)氣候條件的變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，不受功率時(shí)間曲線的影響。但也存在控制算法較復(fù)雜，工作過(guò)程中對(duì)dU、dI兩個(gè)參量精度要求高的缺點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)設(shè)備的要求較高些。以上兩種方法都是將工作點(diǎn)電壓輸入到脈寬調(diào)制（PWM）模塊，經(jīng)處理后與載波進(jìn)行比較，輸出占空比（D），通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整占空比的大小來(lái)控制Boost電路的輸出電壓和功率，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制。但是顯然，在控制精度方面電導(dǎo)增量法的優(yōu)勢(shì)尤為突出，而且不容易出現(xiàn)誤判，這種可靠性對(duì)供電質(zhì)量來(lái)說(shuō)是非常重要的，所以本文選擇電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率追蹤控制。

4光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

如圖1所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池、Boost升壓電路、最大功率追蹤控制和負(fù)載四部分，依據(jù)上述分析分別建立了前三部分的仿真模型，負(fù)載使用純電阻性負(fù)載。建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)定溫度為25℃，初始光照強(qiáng)度為700W/m2，在0.15s的時(shí)候，將光照強(qiáng)度提升到1000W/m2，仿真總時(shí)間為0.3s。所得仿真結(jié)果如圖2所示。如上圖所示，仿真開(kāi)始后0.07s左右，輸出功率迅速攀升到105.7W，并基本恒定在該值上下，在0.15s時(shí)，光照強(qiáng)度由700W/m2跳變到1000W/m2，輸出功率曲線迅速爬升，經(jīng)過(guò)0.0311s的時(shí)間，功率達(dá)到172W，并穩(wěn)定在該值上下。由光伏電池的實(shí)際輸出特性可知，光照強(qiáng)度對(duì)功率輸出有很大的影響，且隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏電池輸出的最大功率也隨之增大。仿真輸出結(jié)果和理論一致，所以可得圖2：光伏系統(tǒng)仿真該仿真模型是正確的，采用的最大功率追蹤算法也是合理有效的。

5結(jié)語(yǔ)

本文闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及各個(gè)子模塊的工作原理，對(duì)最大功率追蹤的原理進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，通過(guò)對(duì)比分析了幾種常用的最大功率追蹤方法后，最終采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制。在MATLAB/SIMULINK中建立了系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大功率的追蹤輸出，能夠滿足所接入負(fù)載的需求。而且，所建立獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅可以對(duì)直流負(fù)載供電，還可以進(jìn)一步探索在直流線路上連接逆變器，將直流電逆變成與電網(wǎng)相同電壓和頻率的交流電，研究將其接入大電網(wǎng)或者對(duì)交流負(fù)載供電。

作者：蔣燕 袁泉 單位：湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院