光伏并网发电系统的结构和基本原理
1.1 光伏并网发电系统的组成及分类
光伏发电1.1.1 光伏并网发电系统的组成
光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。
并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。
控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。
继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。
1.1.2 光伏并网发电系统的分类
光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏并网发电系统。单级式光伏并网发电系统中，并网逆变器要同时完
成MPPT 和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相；两级式光伏并网发电系统中，并网逆变器只需进行逆变控制，光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT ）由前级DC/DC 变换器完成，并网逆变器通过控制DC/DC 变换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致。
1.2 光伏阵列模块工作点（MPPT ）跟踪控制
1.1.1 光伏阵列输出特性
太阳能电池是利用半导体光伏效应制成, 它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。
a:（I ph ：光生电流, 正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度; I D ：暗电流; R sh ：旁路电阻; R s ：串联电阻; R L ：电池的外负载电阻; U oc ：电池的开路电压。）
图 2-1 太阳能电池电路模型
输出负载R L 上电压电流关系
()exp 1RL RL s RL ph os RL RL s sh U I R q I I I U I R AkT R +⎧⎫⎡⎤=-+--⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩
⎭
式中 q k：电子电荷量及波尔兹曼常数；
A：太阳能板的理想因数, A=1.5；
T：太阳能板的温度；
I so：太阳能板的逆向饱和电流，与T有关。
由光伏电池数学模型分析可知, 太阳能电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下，即光照1 kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能板的输出开路
电压
U和输出短路电流sc I的值由生产厂家给出[3]。
w
由图2-2光伏电池输出特性曲线可知, 光伏电池在输出电压较低时, 其输出电流几乎不变，可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电压变化而变化，在变化过程中存在一个最大值。
图 2-2 太阳能电池典型输出曲线
1.1.2 MPPT控制方法
观察光伏电池输出功率特性P-U 曲线可知, 太阳能电池有一个最优工作点, 叫做最大功率点(MPPT), 它取决于电池板温度和光照大小, 不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率点。即使在同一温度和光照条件下, 由于太阳能电池的工作电压不同, 也会使太阳能电池输出功率不同。要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点, 需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制。最常用的最大功率点跟踪方法有：恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法[4]
等。
1、恒定电压跟踪法
通过观察光伏系统P-V 关系曲线图，发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT 的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得数据max V ，并使阵列的输出电压钳位于max V 值即可，实际上是把
MPPT 控制简化为稳压控制，这就构成了CVT 式的MPPT 控制。采用CVT 较之不带CVT 的直接耦合
工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，特别是在环境温度变化比较大的场合，会产生较大的偏差，从而浪费较大的电能。
CVT 控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人
工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。
图 2-3 采用CVT控制的控制流程图
2、扰动观察法
扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”；然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。
当扰动达到稳态后，光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附近的一个小范围内来回振荡，从而导致部分功率损失；其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大，太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精
度下降，从而导致更多的功率损失。
由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点：①优点：跟踪方法简单，被测参数少，传感器精度要求不高，从而易于实现；②缺点：太阳能电池阵列只能在最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损失；跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾；在外部环境突然变化时会出现误判现象。所以，扰动观察法适合于日照强度变化比较缓慢场合。
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