光伏发电系统MPPT技术研究-硕士论文

多事未 ) - 夕l 硕士学位论文 光伏发电系统M P P T 技术研究 R e s e a r c ho nM P P T T e c h n o l o g yo fP h o t o v o l t a i c G e n e r a t i o ns y s t e m 作者： 导师： 王冰清 曾国宏 北京交通大学 2 0 1 4 年3 月 学位论文版权使用授权书 l I I I Iq l l l l l l q l l l l l l l l l l l l i l l I I I I I I q q l l I l l l I I l Y 2 6 0 3 6 6 2 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供 阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：曼 水看 叼 导师签名：以 ，习饧 签字日期： 猢中年月诱目 签字日期：歹口l 中年弓月如日 中图分类号：T M 6 1 5 U D C ：6 2 1 3 北京交通 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 大学 硕士学位论文 光伏发电系统M P P T 技术研究 R e s e a r c ho nM P P T T e c h n o l o g yo fP h o t o v o l t a i c G e n e r a t i o ns y s t e m 作者姓名：王冰清 导师姓名：曾国宏 学位类别：工学 学号：1 1 1 2 1 6 6 4 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：新能源发电技术 北京交通大学 2 0 1 4 年3 月 致谢 致谢 时光荏苒，两年半的研究生学习生活即将结束，我在北京交通大学六年半大 学的生活也将画上句号，很想借此硕士论文的机会，向曾经给予我悉心指导的老 师、关心体贴我的家人、朋友表达我由衷的谢意。 本论文的研究工作是在我的导师曾国宏副教授的精心指导下完成，曾老师严 谨求实的治学作风、科学的工作学习方法、渊博的专业知识以及耐心勤勉的工作 态度都给了我很大的帮助，也将对我今后的学习工作都有深刻的影响，在此向曾 老师表达我的感激之情。 童亦斌老师在研究生期间对我的科研学习工作也有很多帮助，为我提供了很 多参与实际项目的宝贵机会，童老师灵活开阔的思维以及扎实的专业基础使我受 益颇多，在童老师的带领下，我不断探寻适合自己的学习方式方法，这对我毕业 论文的顺利完成有着很大的积极影响，十分感谢童老师无私的指导与支持。 吴学智老师以及荆龙老师在我的课题研究过程中都给了我许多理论和实践 方面的意见与指导，吴老师与荆老师丰富的科研经验与学习研究方法对我的工作 给予了很多的指引，非常感谢这两位老师的耐心帮助。 在科研工作期间，还得到T ：I I ：京能高自动化技术股份有限公司的张勇波、王 恋、周磊等工程师的诸多指导与热心帮助，在此，感谢这些帮助过我的人，尤其 特别感谢张勇波对我的耐心指导，张工扎实的数理基础以及踏实勤恳的工作态度 让我受益良多。 在研究生期间的科研工作以及本论文的撰写过程中，柴亚盼等实验室的同学 们都给了我热情的帮助与关怀，感谢所有这些曾经帮助过我的同学们，积极乐观 融洽的实验室氛围以及共同进步的努力将是我人生中很重要的一笔财富。 另外，非常感谢我的家人，他们在生活学习上给予的无私支持给了我很大的 力量，也是我今后人生路上最重要的后盾。 中文摘要 中文摘要 摘要：本文主要针对部分阴影遮挡条件下光伏发电系统的M P P T 技术进行研究， 以光伏组件的输出特性分析与研究为基础，通过搭建光伏阵列的模型，对部分阴 影遮挡条件下光伏阵列的输出特性进行了理论研究与机理分析。为了从根本上解 决由部分阴影遮挡所导致的阵列输出功率大幅下降及多峰特性等问题，对比研究 了集中式、组串式和组件式三种光伏发电系统的拓扑结构、M P P T 控制策略及功 率输出特性，得出了组件式光伏发电系统M P P T 具有明显优势的结论。在组件 式系统的M P P T 技术方面，主要研究了双向B u c k B o o s t 变换器和S e p i c 变换器。 在对这两种拓扑的小信号模型分析的基础上，分别进行了电压电流双闭环的 M P P T 控制环路设计，提出了一种改进型滞环比较M P P T 算法；针对双向 B u c k B o o s t 变换器，还提出了一种双载波的调制控制方法。利用M a t l a b 及P s i m 搭建系统的模型，实现了任意外界条件下光伏阵列的最大功率输出，验证了双闭 环M P P T 控制策略及改进型滞环比较M P P T 算法的有效性；最后在器件参数选 择、调制方法、控制复杂程度及工作效率等方面对这两种组件式拓扑进行了对比 分析。本文的主要创新点包含以下几点： 基于对数学模型及简化模型的对比分析，提出了一种精确工程模型，它以 数学模型为基准，对简化模型的补偿参数进行拟合修正，同时兼顾了精确度与复 杂程度； 提出了一种改进型滞环比较M P P T 算法，不仅能有效解决振荡和误判问题， 同时还能兼顾速度与精度，达到高效、准确实现最大功率点追踪的目的； 提出了一种双载波的双向B u c k B o o s t 变换器调制方法，能自适应地实现工 作模式的切换，保证了任意外界条件下组件的最大功率输出； 针对组件式M P P T 的控制，提出了一种电压电流双闭环的控制策略，实现 了状态变量的解耦控制，具有较好的鲁棒性、快速响应特性及较高的可靠性。 关键词：光伏阵列；部分阴影遮挡；多峰特性；集中式M P P T ；分布式M P P T ： 小信号模型；双向B u c k B o o s t 变换器；S e p i c 变换器 分类号：T M 6 1 5 A B S T R A C T A BS T R A C T A B S T R A C T ：T h em a i nr e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri st h eM P P Tt e c h n o l o g yo f p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mu n d e rp a r t i a ls h a d i n g B a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds t u d y o fp h o t o v o l t a i c ( P V ) c e l l Sp e r f o r m a n c e ，t h e g o a l o fat h e o r e t i c a l s t u d ya n d m e c h a n i s ma n a l y s i so fP Va r r a y So u t p u tc h a r a c t e r i s t i c su n d e rp a r t i a l s h a d i n gi s a c h i e v e db ym o d e lb u i l d i n g I no r d e rt os o l v et h es h a r pd e c l i n ea n dm u l t i p e a k c h a r a c t e r i s t i co fP V a r r a y So u t p u tp o w e rr e s u l t i n gf r o mp a r t i a ls h a d i n gf u n d a m e n t a l l y , t h i sp a p e rm a d eac o m p a r i s o ns t u d yi n v o l v i n gt o p o l o g i e s ，M P P Tc o n t r o ls t r a t e g i e s a n do u t p u tp o w e ra m o n gt h ec e n t r a l i z e d ，s t r i n ga n dm o d u l a rP V g e n e r a t i o ns y s t e m s ， a n df i n a l l yt h ec o n c l u s i o no fm o d u l a rM P P T Se v i d e n t l ys u p e r i o r i t yw a sd r e w T h e s t u d yo fM P P Tt e c h n o l o g yi nm o d u l a rs y s t e mi sm a i n l yc a r r i e do u tb a s e do nt h e t o p o l o g i e so fB i d i r e c t i o n a lB u c k B o o s tc o n v e r t e ra n dS e p i cc o n v e r t e r , ac u r r e n ta n d v o l t a g ed o u b l e - l o o pM P P Tc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e da n dt h el o o pd e s i g ni s i m p l e m e n t e do nt h eb a s i so fs m a l ls i g n a lm o d e ls t u d y , a n da ni m p r o v e dh y s t e r e s i s c o m p a r i s o nM P P Ta l g o r i t h mi sa p p l i e dt o t h es y s t e m B e s i d e s ，ad u a l c a r r i e r m o d u l a t i o ns c h e m ei sp u tf o r w a r df o rt h eB i - d i r e c t i o n a lB u c k B o o s tc o n v e r t e r T h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es y s t e mm o d e l sb a s e do nM a t l a ba n dP s i mt u r no u tt h a tt h e P Va r r a yC a l lm a k eam a x i m u m p o w e ro u t p u tu n d e ra n yc o n d i t i o n s ，w h i c hv e r i f i e st h e e f f e c t i v e n e s so ft h ed o u b l e - l o o pM P P Tc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ei m p r o v e dh y s t e r e s i s M P P Ta l g o r i t h m Ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s et w ok i n d so ft o p o l o g i e sh a sb e e nm a d e i nd i f f e r e n ta s p e c t si n c l u d i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n ，m o d u l a t i o ns c h e m e ，t h ec o m p l e x i t y o ft h ec o n t r o la n de f f i c i e n c y , e t c O v e r a l l ，t h eB i d i r e c t i o n a lB u c k B o o s tc o n v e r t e r t e n d st og a i nt h ea d v a n t a g eo V e t h eS e p i cc o n v e r t e r T h em a i n l yi n n o v a t i o n so ft h i s p a p e rc a nb ei n c l u d e da sf o l l o w s ： C o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ft h em a t h e m a t i c a l a n ds i m p l i f i e dm o d e l s ，a n a c c u r a t ee n g i n e e r i n gm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c hi so b t a i n e db yf i t t i n ga n dc o r r e c t i n g t h ec o m p e n s a t i o np a r a m e t e r so fs i m p l i f i e dm o d e lb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ， a n dh a sag o o dc o m p r o m i s eb e t w e e ns i m p l i c i t ya n da c c u r a c y ； A ni m p r o v e dh y s t e r e s i sM P P Ta l g o r i t h mi sp r e s e n t e d w h i c hc a ne f f e c t i v e l y s o l v et h ep r o b l e mo fs h o c ka n dm i s j u d g m e n t ，w h i l et a k i n gi n t oa c c o u n to fs p e e da n d p r e c i s i o n ，l e a d i n gt Oam o r ee f f e c t i v ea n da c c u r a t eM P P T ； A nd u a l c a r r i e rm o d u l a t i o ns c h e m ei s p u t f o r w a r df o r t h e B i d i r e c t i o n a l B u c k B o o s tc o n v e r t e r , w h i c hc a nr e a l i z et h ea d a p t i v em o d es w i t c h i n g ， V l I 北京交通大学硕士学位论文 t h u se n s u r i n gam a x i m u mp o w e r o m p mo f t h eP Vc e l lu n d e ra n ye x t e r n a lc o n d i t i o n s ； Ac u r r e n ta n dv o l t a g ed o u b l e - l o o pM P P Tc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d w h i c h c a nr e a l i z et h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fs t a t ev a r i a b l e s ，a n dh a sh i g h e rr o b u s t n e s s ，f a s t e r r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dh i g h e rr e l i a b i l i t y K E Y W O R D S ：P h o t o v o l t a i ca r r a y ；p a r t i a l s h a d i n g ；m u l t i - p e a kc h a r a c t e r i s t i c ： c e n t r a l i z e dM P P T ；d i s t r i b u t e dM P P T ；s m a l ls i g n a lm o d e l ；B i d i r e c t i o n a lB u c k B o o s t c o n v e r t e r ；S e p i cc o n v e r t e r C L A S S N O ：T M 6 15 V l l l 目录 目录 致谢i i i 中文摘要v A B S T R A C T v i i 目录i x 1引言1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 2 光伏发电系统中的M P P T 技术概述3 1 2 1 光伏组件及光伏阵列输出特性研究现状4 1 2 2M P P T 算法研究现状5 1 3M P P T 算法的实现方式及其分析比较7 1 3 1 集中式M P P T 技术7 1 3 2 分布式M P P T 技术7 1 4 本文的主要研究内容8 2部分阴影遮挡对光伏阵列输出特性的影响研究1 1 2 1 光伏电池的基本原理11 2 2 光伏组件的输出特性及仿真分析1 2 2 2 1 光伏组件的数学模型1 2 2 2 2 光伏组件的简化工程模型1 6 2 2 3 光伏组件的精确工程模型17 2 3 光伏阵列的输出特性及仿真分析1 9 2 3 1 均匀条件下光伏阵列的输出特性2 0 2 3 2 部分阴影条件下光伏阵列的输出特性2 1 2 4 本章小结2 6 3M P P T 控制算法研究2 7 3 1 改进型滞环比较M P P T 控制算法研究2 7 3 1 1 基本原理2 7 3 1 2 仿真分析与验证2 8 3 2 多峰M P P T 控制算法研究3 0 3 2 1 基于等功率曲线的全局扫测法3 1 3 2 2 基于等效面积的多峰M P P T 算法3 3 3 3 本章小结3 8 4 部分阴影遮挡条件下M P P T 实现方式的对比研究3 9 北京交通大学硕士学位论文 4 1 集中式M P P T 技术3 9 4 2 分布式M P P T 技术4 0 4 2 1 组串式M P P T 技术4 0 4 2 2 组件式M P P T 技术4 1 4 3 发电量对比分析4 3 4 4 本章小结一4 7 5组件式M P P T 技术研究4 9 5 1 组件式M P P T 拓扑4 9 5 2 基于双向B u c k B o o s t 变换器的微型D C D C 变流器研究一5 1 5 2 1 工作特性分析5 2 5 2 2M P P T 控制策略研究5 5 5 2 3 系统建模与仿真分析6 1 5 3 基于S e p i c 变换器的微型D C D C 变流器研究6 5 5 3 1 工作特性分析及参数选择6 6 5 3 2 小信号模型分析及环路设计7 1 5 3 1 3 系统建模与仿真7 4 5 4 两种拓扑的对比7 6 5 5 本章小结7 7 6 总结与展望7 9 参考文献8l 附录A 8 5 附录B 8 7 作者简历8 9 独创性声明9 1 学位论文数据集9 3 X 引言 1 引言 1 1 论文研究的背景及意义 近几百年来，随着经济社会的高速发展，人类对传统能源的过度依赖，导致 了化石类能源的日益紧缺，甚至面临日趋枯竭的危机。另一方面，化石燃料的生 产、消费过程中由于燃烧不充分、燃烧工艺落后等，不可避免地产生大量污染物， 导致了严重的大气污染以及水质污染，直接破坏了生态环境，且由于效率低下而 导致了大量的能源浪费。因此，基于可持续发展战略，对于能源的可持续性供应 来讲，必须进入节约利用传统能源、发展新型清洁高效能源的阶段。新能源是指 技术上可行、环境和社会可以接受、经济上合理、能够确保供应和替代传统能源 的可持续发展的新型能源，主要包括风能、太阳能、水能、潮汐能等在内的可再 生能源以及地热能、氢能、核能掣1 | 。新能源发电，作为能源转换的一种非常重 要的形式，越来越成为国内外高度重视的技术发展方向，主要包括光伏发电、风 力发电、生物能发电、核能发电、地热能发电、潮汐能发电等等。 欧盟联合研究中心对于2 1 世纪的世界能源使用的结构预测【2 J 如图1 1 所 不。 图l l 欧盟联合研究中心对于2 1 世纪的世界能源使用的结构预测图 F i g 1 1 T h es t r u c t u r ep r e d i c t i o nc h a no fw o r l d Se n e r g yu s ei nt h e21s tc e n t u r yb yT h eE UJ o i n t R e s e a r c hC e n t r e 可以看出，从2 l 世纪3 0 年代开始，光伏发电开始逐渐增加：至4 0 年代， 光伏发电比重进一步加速增大；到5 0 年代之后，光伏发电成为世界能源使用结 构中越来越重要的组成部分。因此，光伏发电在世界能源分配使用格局中具有广 舅一 北京交通大学硕士学位论文 阔的发展及应用前景。 所谓光伏发电，指的是利用光伏电池将太阳能转化为电能的一种能源转换方 式，与传统能源相比较，光伏发电的太阳能资源是一种可再生能源；光伏发电具 有资源取之不尽用之不竭的特点；由于太阳能资源的普遍性，因此光伏发电可以 实现就地取材，无需运输的特点；光伏发电的生产使用过程中不会对环境造成污 染，是一种清洁能源。基于以上优点，光伏发电技术的发展及应用具有巨大的社 会经济效益。 并网发电在国际光伏市场的份额逐步增大，说明光伏发电技术由初始的用于 解决偏远地区供电向城市供电过渡，光伏资源也逐步由补充能源向替代能源过渡； 其他应用如农村离网、大型荒漠电站以及商业应用等也都保持着稳步的发展态势。 因此人类社会逐步趋向建设可持续发展的能源体系。 作为一个人口众多的能源消费大国，我国各类能源的人均占有量远远低于国 际平均水平，面临的能源问题尤为严峻，深入研究并解决新能源技术发展问题是 我国的能源可持续发展的当务之急。国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 , - - 2 0 2 0 年) 要求，到2 0 2 0 年，我国的可再生能源在能源结构中的比例， 将从2 0 0 6 年的约7 提高至1 6 左右川。截止2 0 0 8 年，我国己成为世界三大光 伏电池生产国之一，从2 0 0 4 年至2 0 0 9 年，我国光伏发电的装机总容量增加了近 1 5 倍【3 】。为了推动国内光伏市场的进一步发展，政府相继推出了一系列政策进行 扶持，按照太阳能光伏产业十二五规划的要求，实现光伏系统的技术经济目 标：多晶硅生产实现产业规模、产品质量和环保水平的同步提高，还原尾气中四 氯化硅、氯化氢、氢气回收利用率不低于9 8 5 、9 9 、9 9 ，到2 0 1 5 年，平均 综合电耗低于1 2 0 度公斤：单晶硅电池的产业化转换效率达到2 1 ，多晶硅电 池达到1 9 ，非晶硅薄膜电池达到1 2 ，新型薄膜太阳能电池实现产业化；光 伏电池生产设备和辅助材料本土化率达到8 0 ，掌握光伏并网、储能设备生产 及系统集成关键技术：到2 0 1 5 年，光伏组件成本下降到7 0 0 0 元千瓦，光伏系 统成本下降到1 3 万元千瓦，发电成本下降到O 8 元千瓦时，光伏发电具有一 定经济竞争力；到2 0 2 0 年，光伏组件成本下降到5 0 0 0 元千瓦，光伏系统成本 下降到1 万元千瓦，发电成本下降到0 6 元千瓦时，在主要电力市场实现有 效竞争。 综上所述，光伏发电与传统能源相比具有许多优点，无论是基于近期考虑还 是长远考虑，无论是从解决能源问题的角度出发还是解决偏远地区以及特殊应用 的角度出发，光伏发电在国内外的发展前景都很乐观。而成本与效率是困扰光伏 发电系统的快速发展的两大重要问题，随着光伏发电应用规模的大力发展以及技 术的不断革新，加之政府产业政策的扶持，光伏发电会成为人类电力供应的重要 引言 来源。 1 2 光伏发电系统中的M P P T 技术概述 光伏发电系统是指将太阳能转化为用户可以直接使用的电能或者通过电网 传输电能以满足用户使用的整体解决方案。其基本原理是基于光生伏特效应，通 过对输出的电能进行转换以达到使用的目的。光伏发电系统按照不同的标准可以 进行不同的分类【1 】【3 ，具体分类标准如表1 1 所示。 表1 - I光伏发电系统分类 T a b 1 1T h ec l a s s i f i c a t i o no fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m s 并网光伏系统 是否接入电网 离网光伏系统( 或称为独立光伏系统) 安装位置的不同 地面光伏系统 水面光伏系统 屋顶光伏系统 光伏建筑一体化光伏系统 是否有储能装置 带储能装置系统 不带储能装置系统 光伏组件的不同类型 平板式光伏系统 聚光式光伏系统 装机容量不同 小型系统( 5 5 0 k W p ) 中型系统( 5 0 - 1 0 0 0 k W p ) 大型系统( E l O O O k W p ) 跟踪方式不同 固定式光伏系统 单轴追日式光伏系统 双轴追日式系统 普遍的划分方法，一般是按照是否接入电网而划分的并网光伏系统以及离网 光伏系统。离网光伏系统是指不与电网连接，直接向负载供电的发电方式，是光 伏发电应用中最简单最原始的一种供配电方式，主要由光伏组件构成的光伏阵列、 充放电控制器、蓄电池组、逆变器以及负载等部分组成：并网光伏系统是指光伏 阵列发出的电能不经过蓄电池组的储能直接通过并网变流器接入电网的发电方 式，主要由光伏组件构成的光伏阵列、并网逆变器以及电网等组成。 3 北京交通大学硕士学位论文 在光伏发电系统中，光伏组件的功率除了与组件本身的特性有关外，还受外 界环境如辐照度和温度等因素的影响。同时，负载的特性也对其输出功率也会产 生直接的影响。在一定的外界环境条件下，通过最大功率追踪( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，M P P T ) 技术，利用电力电子装置对光伏组件的端电压及输出电 流进行实时调节，可以使其运行在最大功率点( m a x i m u mp o w e r p o i n t ，M P P ) 上，从而可提高光伏组件的转换效率。针对M P P T 技术的研究，本文主要是在 部分阴影遮挡条件下围绕M P P T 控制算法以及系统的拓扑结构( 即M P P T 的实 现方式) 这两大影响M P P T 效率的因素来进行。 1 2 1 光伏组件及光伏阵列输出特性研究现状 光伏组件作为光伏发电系统中必不可少的组成部分，同时也是M P P T 技术 研究的基础，针对光伏组件以及由光伏组件串并联构成的光伏阵列的输出特性， 国内外有大量的文献对其进行研究。主要包括基于电池单元等效电路的数学模型 ( 以下简称数学模型) 、忽略次要影响因素的非线性简化工程模型( 以下简称简 化工程模型) 等。 数学模型主要包括三大类：单二极管模型、精确度较高的双二极管模型以及 三个二极管模型等，针对组件的单二极管模型，模型计算中所需的光生电流、二 极管品质因数、二极管反向饱和电流、等效串并联电阻值等参数都会随外界条件 如光照、温度等的变化而变化，而组件厂家的数据手册一般不会提供这些参数， 因此需要实际测量得到 4 - - 6 ，另外一些文献中的单二极管模型还考虑了二极管反 向击穿特性，针对部分阴影遮挡条件下组件串并联的输出特性进行了分析【7 】 8 】： 文献 9 】提出一种双二极管模型，较普通的单二极管模型精确度更高；文献【1 0 提 出了一种三个二极管的模型，该模型考虑了组件边缘效应，精确度又有所提高。 综合分析以上文献可知，光伏组件的数学模型以组件内部电池单元的电路结构研 究为基础，精确度比较高，但存在输入参数众多且参数取值随外界条件而变化、 超越方程的求解较复杂等问题，因此工程设计中一般较少使用数学模型。 简化工程模型基于组件厂家所提供的标准测试环境下( 即S , e r = 1 0 0 0 W m 2 ， T r e r = 2 5 0 C 条件下) 组件的短路电流( I s 。o ) 、开路电压( U o 。o ) 、最大功率点电流( 1 1 0 ) 以及最大功率点电压( U n o ) 等电气参数，通过引入相应的电流温度系数电压温 度系数、以及电压光照系数等经验补偿系数来复现组件的输出特性，该模型在满 足大部分工作条件的精度要求下对组件的数学模型进行简化和近似变换。文献 1 1 1 4 q b 提出，砜。、厶。、k 等参数会随光照、温度等外界条件按一定规 律变化，简化工程模型通过引入相应的补偿系数来体现该变化规律；文献f 1 5 针 对简化工程模型进行了小信号建模与分析。综合这些文献分析可知，组件的简化 4 引言 工程模型输入参数少且补偿系数均为恒定的经验值，计算过程也较简单。而由组 件的实际工作状况可知，补偿系数的值会随光照度、温度等外界条件而变化，尤 其在弱光条件下该变化更为明显，因此简化工程模型的准确度不够高，尤其不能 准确地反映弱光条件下组件的输出特性。 为了兼顾模型的精确度问题与复杂性问题，本文提出一种组件的精确工程模 型，该模型以数学模型的研究分析为基础，对简化工程模型中的电压光照系数以 及电压温度系数等补偿系数进行拟合、修正，使其能够准确反映包括弱光条件在 内的任意光照、温度等外界条件对组件输出特性的影响。 1 2 2M P P T 算法研究现状 M P P T 方法可以根据控制算法进行分类，也可根据具体实现环节的控制参数 分类，若根据M P P T 算法的特征和具体实现的机理过程，可以将M P P T 算法分 为三大类：基于参数选择方式的间接控制法；基于采样数据的直接控制法； 基于现代控制理论的人工智能算、法【2 | 。 基于参数选择方式的间接控制法主要包括恒定电压法、开路电压比例系数法、 短路电流比例系数法、差值计算法等，这一类方法简便易行，减少了工作点在远 离最大功率点区域的追踪时间，但对光伏组件的输出特性有较强的依赖性，只能 近似跟踪最大功率点，效率较低。以恒定电压法为例，该方法具有控制简单、稳 定性好，易于实现且成本较低，不易出现振荡等优点，但是该方法的误差很大， 精度低，且该跟踪方式忽略了环境温度和组件自身结温的变化对最大功率点的便” 宜影响。对于四季温差或者昼夜温差较大的地区，该跟踪方式不能在所有的温度 环境下均能追踪至M P P ，如果仍然采用该控制方法，则只能通过降低系统的效 率来保证其稳定性。针对恒定电压法的改进，主要有以下三种方案：手动调节： 通过手动调节电位器实现按照季节给定不同的最大功率点电压值，该方法由于需 要人工维护，因此较少使用；查表调节：将光伏组件在不同的温度下测量得到 的最大功率点电压值存储于控制列表中，当控制器实际运行时，根据实际检测到 的组件的温度，通过查表来选取最合适的工作点电压；参考法：在系统中增加 一块与光伏阵列特性相同的组件，通过检测其开路电压，按照固定的比例系数计 算得到当前工作条件下的最大功率点电压值，这种方法在近似的控制成本下可以 实现较好的控制效果。 基于采样数据的直接控制法主要包括扰动观测法以及电导增量法等。扰动观 测法通过不断地对电压进行扰动以使组件的输出功率朝较大的方向趋近，直到工 作点接近M P P 。该控制算法具有控制逻辑清晰、测量参数少等优点，在工程实 践中具有较强的应用普遍性；但是该控制算法追踪稳定后的振荡问题无法避免， 北京交通大学硕士学位论文 导致一定的功率损失，只能通过调整扰动步长来平衡跟踪精度和速度，且在外界 环境条件突变时，该控制算法有可能出现误判而导致追踪失效的情况。采用变步 长扰动观测法可以在减少振荡的过程同时，使系统可以更快地跟踪最大功率点， 但是在条件持续变化的情况下的追踪失效问题仍无法解决。为了进一步提高 M P P T 算法的精度，考虑通过使用功率全微分代替功率差的算法，推演出以电导 和电导变化率之间的关系为搜索判据的M P P T 控制算法，即电导增量法。采用 该算法的主要优点是控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪 其变化，且与光伏电池的特性及参数无关。但是该算法对控制系统的要求相对较 高，电压初值对系统启动过程中的追踪性能有较大的影响，若设置不当则可能会 产生较大的功率损失。为了提高电导增量法在M P P T 过程中的快速性和准确性， 类似地，可考虑采用变步长电导增量法。 基于现代控制理论的人工智能算法主要包括基于模糊理论的M P P T 控制法、 基于人工神经网络的M P P T 控制法、滑膜控制法以及基于智能方法的M P P T 复 合控制法等。模糊逻辑控制算法( 以下简称模糊控制) 基于模糊逻辑算法发展而 来，模糊逻辑属于人工智能，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为 基础的一种计算机数字控制技术。在实现过程中，计算机首先将采集到的控制信 息经语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得控制量的模糊集，再经模糊判 决得出输出控制的精确量，作用于被控对象，使得被控过程达到预期的控制效果 口】。该控制算法由于利用原有的经验和控制理论绘制成的列表来对系统进行控制， 因此跟踪速度很快，且达到最大功率点后波动很小，即具有较好的动态以及稳态 性能，但是需要事先经过精确设定模糊集、隶属函数形状表等设计环节，难度较 大，试验周期长，另外，为了提高算法的运算速度，需要配置高性能的控制器， 因而硬件成本高；神经网络M P P T 法基于神经网络算法，应用该控制算法的系 统可以实现输入输出信号与训练样本的完全匹配，且内插I H J , I - 插输入输出模式也 能达到高度匹配，这是较简单的查表功能优势的一点。但是在神经网络建立的训 练过程中需要大量的样本数据，而组件的种类很多，且大多数参数是不同的，因 此不同的系统都需要进行各自有针对性的时长达数月甚至数年之久的训练；滑膜 控制是指通过不断变化的开关状态使得系统在一定条件下沿规定的状态轨迹附 近做小幅高频的上下滑膜运动，该控制算法在于控制的不连续性，系统的追踪速 度可以很快，但是开关器件的不断调节会影响系统的追踪动态和稳态性能，在步 长较大时，追踪速度较快，输出功率和电压的波动也很大；不同的人工智能算法 也有优缺点，可以考虑将不同的智能算法结合，即智能方法的M P P T 复合控制， 使其发挥最优性能。综上，人工智能算法在应用过程中可以实现多个不同的变化 情况的自适应性运算，较其他控制算法具有较高的精确度，但是智能控制方法也 引言 具有的设计运算过程复杂的缺点【1 6 】。 结合工程应用实际，M P P T 的控制算法使用较多的是扰动观测法( 定步长 变步长) 、电导增量法( 定步长变步长) 。 1 3M P P T 算法的实现方式及其分析比较 光伏发电系统中，由于组件出厂参数不一致、运行老化状况不一致、灰尘， 建筑物等造成的阴影遮挡、安装环境，安装角度等不一致等情况所导致的失配现 象是很常见的，将这些因素统称为部分阴影遮挡。在部分阴影遮挡条件下光伏阵 列功率输出大幅下降；另外，光伏阵列在部分阴影遮挡条件下存在局部最大功率 点，且局部最大功率点的个数和落点随着遮挡条件的变化而变化，使用传统的 M P P T 追踪方法如扰动观测法以及电导增量法，只能追踪至局部最大功率点，无 法找到全局M P P ，且开环M P P T 算法中短路电流系数以及开路电压系数等都呈 现毫无规律的变化，偏离了正常情况下的参考值。 因此，在部分阴影遮挡情况下，传统M P P T 控制算法失效，为了解决部分 阴影遮挡条件下的功率输出下降以及多峰问题，需要提出有针对性的M P P T 实 现方式。根据光伏发电系统中阵列的不同分布以及功率等级，可以将M P P T 实 现方式大致分为两类：集中式M P P T 技术以及分布式M P P T 技术。 1 3 1集中式M P P T 技术 集中式M P P T 结构是指将所有的光伏组件通过串并联构成光伏阵列，然后 通过一个变流器集中实现电能变换并将能量输送给负载。该结构的主要优点是结 构简单且变流器工作效率较高，但是采用集中式M P P 存在以下缺点： 采用集中式M P P T 时，传统的M P P T 算法在均匀光照条件下是有效的， 但是在部分阴影遮挡情况下，光伏阵列的功率曲线上呈现多个功率峰值点，需要 研究新的可靠且迅速的针对多峰M P P T 的控制方法： 即使采用有效的多峰M P P T 算法使得光伏阵列工作于全局最大功率点处， 但是由于该工作点有可能偏离部分组件的M P P ，因此阵列向外输送的功率仍会 有很大的降低。 1 3 2 分布式M P P T 技术 为了最大限度地解决部分阴影遮挡条件所造成的组件失配对整个光伏发电 系统造成的不利影响，提高系统的整体效率，最有效的手段就是采用分布式控制 方式，通过对尽可能小的组件集合分别进行M P P T 控制，即分布式M P P T 。其中， 按照控制器分布的深度，分布式M P P T 系统主要包括两种拓扑形式，即组串式 7 北京交通大学硕士学位论文 M P P T 结构以及组件式M P P T 结构。 组串式M P P T 结构与集中式M P P T 结构相比，由于每个组串都有变流器， 可实现组串的M P P T ，系统的扩展能力及冗余能力都较强。尽管组串式结构使得 整个系统的性能有所提升，但只是将光伏组件的集合范围缩小到一个串联支路， 支路内部各个组件的特性差异问题依然无法从根本上解决，由此造成的热斑现象、 阴影造成的功率损失、功率多峰特性等问题仍无法解决。 组件式M P P T 结构中每一个光伏组件都配备了一个微型功率变流器，以改 变其输出特性，使其始终工作在最大功率点上，再将这种复合的单元进行串、并 联连接，就可以组成一个高效率的光伏发电阵列，该结构能够彻底解决集中式和 组串式系统结构存在的问题。 综上，在光伏阵列中的电池组件没有受到部分阴影遮挡影响时，集中式 M P P T 控制和分布式M P P T 控制的效果是相同的。但如果光伏阵列的电池组件 受到遮挡，集中式M P P T 控制将无法调节这种电池组件间的不匹配，对整体光 伏电池阵列的控制将会导致光伏电池输出功率的不均匀损失；而分布式M P P T 控制，尤其是组件式M P P T 控制能够保证每个电池组件工作在其最大功率点， 保证电池组件输出当前条件下的最大功率，使发电系统工作于最大效率。 1 4 本文的主要研究内容 本文旨在解决由部分阴影遮挡所导致的光伏阵列功率输出大幅下降及多峰 特性等问题，在对其产生机理的分析基础上，基于不同的系统拓扑结构，进行了 对应的M P P T 技术研究，重点针对组件式M P P T 的具体实现进行了分析。本文 的主要研究工作重点包括： 部分阴影遮挡条件下光伏阵列的输出特性研究是以组件的输出特性研究 为基础的，本文通过对比分析组件的数学模型、简化工程模型的优劣，提出一种 精确工程模型，兼顾准确度与计算复杂程度： 针对单个峰值的M P P T 算法，通过对基于采样数据的直接控制法的优缺 点进行对比分析，提出一种改进型滞环比较算法，该控制算法不仅能有效解决传 统的自寻优算法的振荡和误判问题，同时兼顾速度与精度，能够更加准确的实现 M P P T ，提高光伏发电系统的发电效率； 针对多峰M P P T 算法，通过对多峰的产生机理进行分析，并对多峰特性 的规律特点进行总结，提出基于等功率曲线的多峰M P P T 算法以及基于等