1、 光伏发电 MPPT 控制方法阐述与改进第 1 章 绪 论1.1 课题的背景和意义目前，环境问题和能源问题已经成为制约人类发展的最主要的因素。人口的飞速增长使得能源的消耗量越来越大，而目前大量化石燃料的使用使得环境也遭到了日益严重的破坏。人口的增长使得人们不得不开始寻求更多其他的能源来满足人们日益增长的需求。如图 1-1 所示，当前温室气体的主要来源是发电所产生的二氧化碳1，发电产生的二氧化碳的含量为所有温室气体中的 38%2。由此可以看出，解决能源问题与环境问题的根本便在于发电能源结构的改革。如果增加整个发电结构中新能源的比重，就可以显著地减少温室气体的排放，从而改进大气环境。目前，世界各国
2、都在致力于新能源的开发和利用。在英国方面，2002 年可再生能源所占的比重为 10%， 2011 年达到了 15%，而目标到 2020 年新能源所产生的电能要达到全国电能总量的 20%3。由于地理位置的关系，风力发电和潮汐发电是公认的可再生能源政策的重点。在美国，2012 年可再生能源占国家电能总量的 13.2%4。根据奥巴马总统的演说5 ，可再生能源和能源效率的发展标志着新时代的能源勘探。2012 年 2 月 24 日，美国总统奥巴马呼吁可再生能源在今后三年能翻番6。而作为全世界人口最多的国家，我国的发电量每年大概占全世界发电量的 30%。如图 1-2 是我国目前电力能源的结构组成。可以看出
3、目前我国主要的发电能源还是来源于煤炭。在新能源方面，由于我国水力资源比较丰富，所以我国水力资源所占的比重也比较大。而对于光伏发电来讲，虽然在整个发电能源结构中所占的比重不是很大，但我国已经是世界上年光伏发电量最多的国家。在 2007 年就已经达到了 0.82GW7，到 2013 年已经达到 37GW。而其中多数是来自于光伏热能所产生的电能，即通过太阳能收集装置将太阳能收集起来，利用其热能将水或者其他的流体加热，再通过这个过程中所产生的热能来推动汽轮机，从而完成发电的过程。但是这其中的过程较为繁琐，装置结构较为复杂8,9。相对于这种经过几次的能量转换最终得到电能的方式，光伏组件是一个更好的选择。
4、因为根据光生伏特效应，可以直接将太阳能转化为电能。但是其缺点就是效率比较低，而且输出不够稳定。而本文接下来就主要致力于解决光伏发电的这两个问题。.1.2 课题的国内外研究现状如图 1-3 所示，是一个完整的光伏发电系统的组成。在光照下，半导体吸收光子，从而产生一对空穴电子对，在内电场的作用下，带正电荷的空穴和带负电荷的电子定向移动，在外部接导线的情况下电荷的移动通过外部导体，从而形成光电流8。这就是光生伏特效应10 。利用光生伏特效应制成光电池，将光电池排列起来形成一个光伏组件，进而排列成光伏阵列。很多这样的光伏阵列形成一个光伏发电厂的能源部分，继而通过最大功率跟踪来控制其输出。光伏电池直接输
5、出的为直流电，一部分会直接送到电池里储存起来以及供给直流负载，而另一部分通过逆变器变成交流电用于并以及供给交流负载。目前世界上常用的有单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池、铜铟锡电池、砷化镓光伏电池、碲化铬光伏电池以及聚化物光伏电池10。其中碲化铬光伏电池效率最高，其转化率可以达到 27%11。第 2 章 光伏电池特性研究2.1 光伏电池工作原理太阳能通过辐射的形式将能量传递给地球，而事实上地球上的各种能量都直接或者间接地来自于太阳。比如化石燃料是由植物和矿物质储存的太阳能经过很长一段时间在地下形成的。水力发电是由太阳辐射将海平面的水通过蒸腾作用搬运到高空，然后又通过降水的方式将这部
6、分水降落到地势较高的地方，再通过地心引力的作用使这部分水产生了动能。而要直接将太阳能转化成为电能，就需要一种特殊的转换器，就是光伏电池。所谓半导体，就是介于绝缘体与导体之间的一种特殊的物质，而在生产实际中一般采用硅作为原料。因为硅的储量很丰富，可以降低光伏电池的造价。硅的原子外层有 4 个电子，当受到光子的冲击的时候，这些电子容易脱离电子核的约束而变成自由电子，在原来的位置上就会留下一个空穴，这样就形成了一对电子空穴对。当硅晶体非常纯净的时候，自由电子和自由空穴的数目是相等的。而当硅晶体中掺入了外层电子数是 3 的硼时，就会形成 P 型半导体，这种半导体由于需要多一个电子才能达到 4 个电子的
7、稳定状态，所以更容易捕捉到电子。而当掺入了外层电子数是 5 的磷时，就会形成 N 型半导体，这种半导体相对于 4 个电子的稳定状态多了一个电子，所以更容易失去电子19 。把这两种半导体结合，就形成了所谓的 PN 结，当太阳光射入时，携带负电荷的电子被从原来的位置激发出来，在内电场的作用下向 N 区移动，相反带正电的空穴向 P 区聚集，这样 PN 结的两端便有了电势差，而当在外界用导体将 P 层和 N 层连接起来20 ，便会在导体中产生一定的电压和电流，并输出功率，这就是所谓的光生伏特效应 。.2.2 不均匀光照条件下光伏阵列的输出特性随着光伏产业的不断发展，其运用的场合也日益广泛，与此同时，光
8、伏电池的工作环境也越来越复杂。尤其是光伏楼宇、光伏建筑等新应用，有时无法保证在比较宽敞的区域，或受光伏阵列外观造型的限制，太阳光全天不被遮挡，从而产生光伏阵列的光照不均匀问题。对于目前居民用或者是商业用的独立光伏发电系统，局部阴影产生的原因比较复杂，也更为普遍。在这种情况下光伏阵列的安装位置都比较灵活，一般会安装在屋顶或者是墙体上。而由于建筑物周围并不是空旷无遮挡的位置，周围会有电缆线、树木、电线杆以及其他建筑物的遮挡，而且随着季节、光照角度的变化，建筑物在光伏阵列上所产生的阴影也会不断地变化。而且由于有些房屋是人字形屋顶，这就使得太阳能电池板会有不同的朝向，从而导致有不同的入射角，都会造成光
9、照不均的现象24。对于大规模的太阳能发电站，云朵的面积大小以及其移动都会对光伏电池的输出特性产生影响，甚至于长时间电池板表面堆积的灰尘都是造成光照不均的主要原因。对于便携式的太阳能设备，如太阳能汽车、手持太阳能设备等，由于其运用的场合更为灵活，所以在设备的移动和使用过程中，都会有不均匀光照现象的产生。因此，出于提高光伏阵列效率的考虑，对不均匀光照条件下的光伏阵列的输出特性的研究十分必要。.第 3 章 最大功率跟踪算法的研究.183.1 几种最大功率跟踪方法的介绍 .183.2 一种改进的最大功率跟踪控制方法 .233.3 CVT+PO 跟踪方法在不均匀光照条件下的应用.273.4 本章小结 .
10、28第 4 章 基于模糊控制算法的不均匀光照条件下最大功率跟踪.294.1 模糊控制器的结构 .294.2 模糊控制器的设计流程 .324.3 模糊控制算法 .334.4 模糊控制在最大功率跟踪中的运用 .354.5 基于模糊控制的最大功率跟踪 SIMULINK 仿真 .364.6 最大功率跟踪系统中的结构设计和参数选择 .394.7 本章小结 .42第 5 章 对于模糊控制运用于最大功率跟踪的改进策略.435.1 自适应模糊控制器的结构 .435.2 改进后控制规则的设定 .435.3 改进后隶属度函数的确定 .455.4 本章小结 .48第 5 章 对于模糊控制运用于最大功率跟踪的改进策略
11、5.1 自适应模糊控制器的结构所谓自适应模糊控制器是指当它其中的任意一个可调的参数，比如隶属度函数和模糊控制规则以及输出量的比例因子发生变化时都可以自行地对自身的控制做出相应的调整。相反，如果不能满足这个条件就称为非自适应模糊控制器或者是传统的模糊控制器。如图5-1 所示的是本文提出的自适应模糊控制器的框图。由图可以看出，本文提出的模糊控制器是在传统模糊控制器的基础上对输出量的比例因子进行调整，所以可以看成是一种自适应的模糊控制器。将自适应模糊控制器与非自适应的模糊控制器相比较，如图 5-7 所示，图中的曲线 1 表示自适应模糊控制器跟踪到的系统的功率，曲线 2表示非自适应模糊控制器跟踪到的系
12、统的功率。可以看出在跟踪速度上，自适应模糊控制器略快于传统的模糊控制器。从图中还可以看出，运用传统的模糊控制器进行最大功率跟踪，得到的波形波动比较大，这就说明系统在最大功率点的附近震荡比较严重，而自适应的模糊控制器便很好地改善了这一点。结 论本文主要研究了光伏发电中最大功率跟踪的方法，并且在考虑了不均匀光照条件的情况下采用模糊控制的方法进行跟踪。又对传统的模糊控制方法进行了改进，使之能够更加适用于光伏阵列在不均匀光照条件下的最大功率跟踪。论文完成的主要工作如下：1）研究了光伏电池的基本原理，也就是光生伏特效应。并在此基础上得出了光伏电池的等效电路以及特性方程，以此为基础搭建出了光伏电池的模型，
13、从而得出了光伏电池的输出特性曲线。由得出的光伏电池的 I-V，P-V 曲线，可以看出光伏电池的输出特性呈很强的非线性，这就使得其应用和控制变得更加困难。因此便需要特定的控制方法。2） 针对光伏电池的效率问题进行了探究，得知可以从四个方面提高效率。分别为负荷预测、光伏材料的改进、最大功率跟踪控制方法以及并逆变器的设计。而本文选择了从最大功率跟踪方法上进行改进，对目前存在的几种最大功率跟踪的方法进行了对比研究，并结合其优缺点进行改进，提出了一种将恒定电压法与变步长扰动观测法相结合的新的最大功率跟踪方法。经仿真实验证明，新的方法可以更加准确快速地追踪到系统的最大功率点。3）在单片光伏电池模型的基础上，搭建出不均匀光照条件下的光伏电池模型，并且通过仿真发现光伏电池的输出特性曲线发生了畸变，出现了多个波峰，模糊控制器可以较为准确地跟踪到系统的最大功率点。本文将模糊控制理论运用于不均匀光照条件下的最大功率跟踪，经过仿真实验，发现模糊控制方法适用于不均匀光照下的最大功率跟踪。
