光伏电池及其最大功率点跟踪
1光伏电池
1.1 光伏电池简介
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能即时转化为电能的器件。当太阳光照在半导体p-n结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子--空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，这使得相应区域的主载流子的浓度在靠近p-n结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得主载流子朝着外部接触面的方向扩散，导致外部端子上产生电压，接通电路后就形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有0.5V左右，常见的单体电池输出功率一般在1W左右，一般不能直接作为电源使用。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。因此在实际应用中，将若干光伏电池单体串并联并封装起来成为有比较大的输出功率（几瓦到几百瓦不等）的太阳能电池组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列，可以作为大型光伏并网逆变器的功率输入。
图2.1 太阳能电池单体、组件、方阵示意图
1.2 光伏电池数学模型
光伏电池的数学模型[12]可以由图2.2所示的单二极管等效电路[13]来描述。 图中L R 为光伏电池的外接负载，负载电压为L U ，负载电流为L I 。s R 和sh R 为光伏电池内阻。s R 为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻以及电极电阻等；sh R 为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层内的复合电流等。VD I 为通过p-n 结的总扩散电流。sc I 代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积和本体温度T 。
L
I L
图2.2 光伏电池的单二极管等效电路
)1(0-=AKT qE
D VD e I I
(2.1) 式中0D I 为光伏电池在无光照时的饱和电流。
旁路电阻两端电压s L L sh R I U U +=，流过旁路电阻的电流为
()sh s L L sh R R I U I /+=。
由以上各式可得负载电流为：
sh
s L L AKT R I U q D sc L R R I U e I I I s L
L +-???? ??--=+1)
(0
(2.2) 一般s R 很小，sh R 很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性：
)1(0--=AKT qU D sc L L
e I I I
(2.3) 由式2.3可得
???
? ??+-=1ln 0D L
sc L I I I q AKT
U
(2.4)
光伏电池常用的5个参数为开路电压oc U 、短路电流sc I 、最佳工作电压m U （最大功率点电压）、最佳工作电流m I 最大功率点电流）和最大输出功率m P 。
本设计所用光伏模块的最大输出功率为265W ，开路电压为39V ，短路电流为8.93A ，最佳工作电压为31V ，最佳工作电流为8.55A 。
1.3光伏电池输出特性
图2.3 光伏电池在不同照度下的输出特性曲线族
图2.4 光伏电池在不同照度下的输出特性曲线族
光伏电池的输出特性可以由I-U特性曲线表示，输出特性取决于温度和照度。固定温度和照度两个参数中的一个，改变另一个，就可以得到相应的I-U和P-U 特性曲线。
保持温度不变，改变照度，可以得到如图2.3所示的输出特性曲线族。由图中曲线族可知，随着辐照度的变化，开路电压没有明显变化，短路电流变化明显，最大功率点功率也大幅变化。
保持照度不变，改变温度，可以得到如图2.4所示的输出特性曲线族。由图中曲线族可知，随着温度的变化，短路电流变化很小，开路电压变化明显，最大功率点功率变化也较为明显。
2 最大功率点跟踪
2.1最大功率点跟踪简介
由光伏电池的输出特性知，在不同的外部条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(Maximum Power Point，MPP)上。对于光伏发电系统，我们希望光伏电池工作在最大功率点上，以最大限度的将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率运行的技术被称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)[14]技术。
依据判断方法和准则的不同可将传统的MPPT方法分为开环和闭环MPPT 方法。
开环MPPT方法基于光伏电池的输出特性曲线的基本规律，通过简单的开环控制来实现MPPT，主要有定电压跟踪法、短路电流比例系数法和插值计算法。
以定电压跟踪法为例，由图2-4可知，在辐照度大于一定值且温度变化不大时，光伏电池的P-U输出特性曲线上最大功率点几乎分布在一条垂直的直线两
侧。所以，如果能够将光伏电池的输出电压稳定在最大功率点附近的某一电压处，光伏电池就可以获得近似的最大功率输出，这种方法就称为定电压跟踪法。研究表明，光伏电池的最大功率点电压mpp U 与其开路电压之间近似为线性关系。
oc mpp kU U = (2.5)
其中k 的值取决于光伏电池特性，一般在0.8左右。
定电压跟踪法尽管不能精确跟踪最大功率点，却可以实现快速跟踪。可以考虑在启动过程中采用此方法以实现快速跟踪最大功率点，然后再采用其他更精确的方法以实现精确跟踪。
总之，开环类方法简单且易于实现，可以快速将工作点稳定在近似最大功率点附近区域，但要实现进一步的精确跟踪则需引入闭环控制。
闭环MPPT 方法是通过对光伏电池输出电压和电流的实时测量与闭环控制
来实现MPPT ，以自寻优类算法应用最为广泛。典型的自寻优类算法有扰动观测法和电导增量法[15]。
由图2.4可知正常光照条件下光伏电池的P -U 输出特性曲线是以最大功率点为极值的单峰值函数，所以在最大功率点处有
0=dU
dP (2.6)
由于此类算法由数字控制实现，实际中常以条件0/=??U P 近似代替。无论是扰动观测法还是电导增量法，通常都采用对电压值步进搜索的方法，即从起始
开始，每次对电压值做一有限变化（U ?），计算前后两次功率差（P ?）的值。由于在同一搜索过程中，U ?的值一般不为0，不论扰动方向如何，系统总是朝着功率增大的方向搜索，找出满足0/=??U P 的工作点，从而实现自寻优控制。
2.2 扰动观测法
0P
000P P P P P P
P 1P (a)(d)(c)(b)
图2.5 扰动观测法MPPT 过程示意图
假定辐照度和温度等环境条件不变，并设上一次光伏电池的电压、电流检测值为U 、I ，对应的输出功率为P ，当前光伏电池的电压、电流检测值为1U 、1I ，对应的输出功率为1P ，电压调整步长为U ?，电压调整前后的输出功率差为P ?。参考光伏电池的P -U 输出特性曲线，扰动观测法的具体过程如下：
1）增大参考电压U （U U U ?+=1），若P P >1，说明最大功率点位于当前
工作点右侧，应继续增大参考电压。如图2.5a所示。
2）增大参考电压U（U
U
U?
+
=
1），若P
P<
1
，说明最大功率点位于当前
工作点左侧，应减小参考电压。如图2.5b所示。
3）减小参考电压U（U
U
U?
-
=
1），若P
P>
1
，说明最大功率点位于当前
工作点左侧，应继续减小参考电压。如图2.5c所示。
4）减小参考电压U（U
U
U?
-
=
1），若P
P<
1
，说明最大功率点位于当前
工作点右侧，应增大参考电压。如图2.5d所示。
图2.6 定步长扰动观测法流程图
扰动观测法就是按照以上过程反复进行输出电压扰动并是其电压的变化不断使光伏电池的输出功率朝着增大的方向改变，直到工作点接近最大功率点。扰动观测法按每次电压扰动量是否固定可分为定步长扰动观测法和变步长扰动观测法两类。定步长的扰动观测法的流程图如图2.6所示。
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 2011年12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言 日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性 A. 物理数学模型 根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。 其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A；
n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻； 式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响 受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。 由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化可以看出。
光伏电池及其最大功率点跟踪 1光伏电池 1.1 光伏电池简介 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能即时转化为电能的器件。当太阳光照在半导体p-n结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子--空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，这使得相应区域的主载流子的浓度在靠近p-n结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得主载流子朝着外部接触面的方向扩散，导致外部端子上产生电压，接通电路后就形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有0.5V左右，常见的单体电池输出功率一般在1W左右，一般不能直接作为电源使用。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。因此在实际应用中，将若干光伏电池单体串并联并封装起来成为有比较大的输出功率（几瓦到几百瓦不等）的太阳能电池组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列，可以作为大型光伏并网逆变器的功率输入。 图2.1 太阳能电池单体、组件、方阵示意图
1.2 光伏电池数学模型 光伏电池的数学模型[12]可以由图2.2所示的单二极管等效电路[13]来描述。 图中L R 为光伏电池的外接负载，负载电压为L U ，负载电流为L I 。s R 和sh R 为光伏电池内阻。s R 为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻以及电极电阻等；sh R 为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层内的复合电流等。VD I 为通过p-n 结的总扩散电流。sc I 代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积和本体温度T 。 L I L 图2.2 光伏电池的单二极管等效电路 )1(0-=AKT qE D VD e I I (2.1) 式中0D I 为光伏电池在无光照时的饱和电流。 旁路电阻两端电压s L L sh R I U U +=，流过旁路电阻的电流为 ()sh s L L sh R R I U I /+=。 由以上各式可得负载电流为： sh s L L AKT R I U q D sc L R R I U e I I I s L L +-??? ? ??--=+1)(0 (2.2) 一般s R 很小，sh R 很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性：
课程设计报告 课程 题目 学院 年级专业 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间
目录 一、摘要 (3) 二、绪论 (3) 三、内容 (3) 2.1光伏电池的特性 (3) 2.2 MPPT基本原理 (4) 2.3 MPPT控制的实现 (5) 2.3.1控制算法 (5) 2.3.2硬件实现 (6) 2.3.3 软件实现 (7) 2.4实验结果分析 (7) 四、结论 (8) 五、参考文献 (8)
一、摘要 太阳能光伏阵列的输出特性受外界环境的影响具有强烈的非线性，为了提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。本文通过对太阳能电池伏安特性的分析，采用自适应扰动观察算法，基于TMS320F2812设计了MPPT控制系统。实验结果表明，在此算法控制下，系统能够准确地跟踪最大功率点。 二、绪论 随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点。光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题。光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。为了解决该问题，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。目前，光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点。 高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用TI公司生产的TMS320F2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。 三、内容 2.1光伏电池的特性 太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的I-V、P-V特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的I-V、P-V特性。[1][4][7]
毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计 1前言部分 随着社会生产的日益发展，人们对能源的需求每天都在增加，全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，25年间增长了69.7%，到2020年，全世界对能源的消耗预计将达到195亿吨标准煤。如果人类对能源的需求以目前的速度增长，根据公式计算，全世界的石油将在40年后被消耗殆尽，天然气和煤业最多能维持60年和200年左右。由此可见，研究和开发新能源的需求十分迫切，采用新能源和可再生能源不仅能解决能源短缺的问题，还能保护生态环境，减少污染，是走经济社会可持续发展的重大措施。太阳能资源丰富、分布广发、可再生、无污染，是当今国际社会公认的理想能源替代品[1]。能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180到1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800到152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在60年内枯蝎;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济[2]。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发，它的爆发将具有爆炸性[3]! 当今世界太阳能光伏技术的利用，特别是在非洲、美洲、澳洲、亚洲各国，其增长幅度相当大，只要原因是近几年来太阳能电池、电力电子及微电子技术的快速发展，以及人们环保意识的不断增强[4]。太阳能发电与其他发电系统相比具有许多优点： 1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能量 的6000倍。
第31卷 第4期 2008年8月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31 No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨 帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜 燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨 帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.doczj.com/doc/4510186378.html,. 摘 要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优 缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。 关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪 中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。 最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经 济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1 太阳能电池的伏安特性分析 太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一
最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用3X 赵庚申33,王庆章 (南开大学光电所,天津300071) 摘要:对最大功率跟踪控制中DC2DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC2DC转换电路和单片机控制系统实现最大功率点跟踪,使太阳电池始终保持最大功率输出;和普通的控制器相比增加输出功率5%～15%。 关键词:光伏(PV);最大功率点跟踪(MPPT);DC2DC变换器 中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0820813204 T racing and Control of Maximum Pow er Point in a PV System ZHAO G eng2shen33,WAN G Qing2zhang (Institute of Photoelectronics,Nankai University,Tianjin300071,China) Abstract:Principle and control method of DC2DC conversion for MPPT in a solar cell system experi2 mentally discussed.MPPT was implemented with a DC2DC conversion circuit and a MCU control system,and more output power of5to15percent than common control mathod was achieved. K ey w ords:photovoltaics system(PV);maximum power point tracking(MPPT);DC2DC conversion 1 引 言 独立光伏系统一般是由储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压,而对蓄电池的充放电控制则是通过监控蓄电池的电压实现,控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出。但太阳电池的最大功率点是变化的。当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时,就会浪费一部分能源。因此,为了有效利用太阳能,就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出;同时将蓄电充电电压限制在一定的范围,以保证蓄电池有稳定的电压。在并网发电光伏系统中,通过跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出,可以随时将系统富裕的电能馈送到常规电网,最大限度地利用太阳能。 DC2DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路,被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[1]。用DC2DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。实际使用中用DC2DC变换器实现MPPT有不同的方法,其中谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压,通过电感、电容产生谐振,电感上的电压通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流,实现MPPT,但线路较复杂,需用中间变压器,本文将DC2DC变换器接入太阳电池的输入回路,并将对DC2DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC2DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳电池的输出电流,从而使蓄电池电压保持恒定。同时通过控制开关管的占空比也可调节太阳电池输出。由于采用了升降压式(buck2boost)DC2DC转换电路[2]来实现MPPT,所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活。 2 MPPT原理和控制方法[3] 2.1 升降压式DC2DC变换电路 升降压式DC2DC转换电路原理如图1。在开关管Q1处于导通状态时,电源给电感L充电,L上的 光电子?激光 第14卷第8期 2003年8月 J ournal of Optoelectronics?L aser Vol.14No.8 Aug.2003 X收稿日期:2003203212 3 基金项目:“十五”国家重大科技攻关资助项目(2002BA901A44) 33E2m ail:zhaogs@https://www.doczj.com/doc/4510186378.html,
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言 日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，而且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常见的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性
A. 物理数学模型 根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。 其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，一般其数量级为10-4A； n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（ K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻；
式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响 受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。 由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化能够看出。
光伏发电系统中的最大功率点跟踪 摘要：所谓MPPT(最大功率点跟踪)，即是指控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使得光伏组件工作在最大功率点输出状态下，实现光伏逆变器的最大功率输入，提高阳光的利用率。 光伏电池输出特性具有明显的非线性,受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪 (MaximumPowerPointTracking ，简称MPPT)显得非常重要。 太阳能光伏并网发电系统 太阳能电池原理 太阳能电池由硅半导体PN 结构成，在硅半寻体中从硅原子的价电子层中分离出一个电子需要一定的能量，该能量称为硅的禁带宽度（在室温下硅的禁带宽度为1.12eV ），当一定强度的光照射到硅半导体时，能量大于硅的禁带宽度的光子将使硅半导体中的价电子受到激发而成为自由电子，从而在半导体内形成光生电子－空穴对，这些电子－空穴对由于热运动会向各个方向扩散。当这些电子、空穴扩散到PN 结边界时在内建电场作用下，在N 区的电子－空穴会进入P 区，而在P 区的电子则在电场作用下进入N 区，从而在PN 结的两侧产生正负电荷的积累，使P 型层带正电，N 型层带负电，因此在PN 结上产生了电动势。这个现像被称为“光生伏特效应”。 R 光照 图错误!文档中没有指定样式的文字。.1光伏电池原理 太阳能电池特性 目前光伏系统中使用的电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜电池，这些硅电池的输出具有强烈的非线性特性，他们的输出受太阳光照强度、环境温度以及负载的影响，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2所示是在恒度温度下，不同光照强度时太阳能硅电池的输出特性。
第31卷 第4期 2008年8月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31 No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨 帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜 燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨 帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.doczj.com/doc/4510186378.html,. 摘 要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优 缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。 关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪 中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。 最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经 济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1 太阳能电池的伏安特性分析 太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一
如何利用分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率 太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。 如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。 部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响： 当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。本文来自环球光伏网 光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。 当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。 当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。图 1 显示了具有集中式最大功率点跟踪系统( MPPT) 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配
最大功率跟踪原理及控制方法 2.1最大功率跟踪原理 太阳能电池的输出特性如图一所示，从图中的P/V特性曲线可以看出，随着端电压的增加输出功率先增加后减小，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率，因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称之为最大功率点跟踪-MPPT。 图一光伏电池的特性曲线 2.2 最大功率跟踪的控制方法 MPPT的控制方法：光伏系统中的最大功率点跟踪的控制方法很多，使用最多的是自寻优的方法，即系统不直接检测光照和温度，而是根据光伏电池本身的电压电流值来确定最大功率点。这种方法又叫做TMPPT(True Maximum Power Point Tracking)。在自寻优的算法中，最典型的是扰动观察法和增量电导法。本论文使用扰动观察法，扰动观察法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动端电压来寻找MPPT，其原理是周期性地扰动太阳能电池的工作电压值( ),再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向(+ )扰动；若输出功率值减小，则往相反(- )方向扰动。通过不断扰动使太阳能电池输出功率趋于最大，此时应有[8]。此过程是由微处理器即C8051F320控制完成的。 3、系统的总体结构 3.1系统的结构图 系统的结构图如图二所示。其中单片机要采集太阳能电池的输出电压和输出电流及蓄电池的充电电流和开路电压，通过一定的控制算法（即改变占空比），调节太阳能电池的输出电压和电流，从而实现太阳能电池在符合马斯曲线的条件下以最佳功率对蓄电池充电，系统的硬件主要由核心控制模块、采样模块、驱动模块、升压式DC/DC变换器模块组成。
电子知识 最大功率点(2)MPPT(14) MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。 要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压(Vpp)大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，(有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊)在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大
的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。 理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。 从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器 为什么要使用MPPT ? 太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率(U*I)就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。 如果没有最大功率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够在任何情况下都达到最佳(大)值，这样就降低了太阳能电池组件的利用率。 IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。 IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析
最大功率跟踪的控制原理 最大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种： （1）恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低； （2）爬山法，通过周期性的不断的给太阳电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境； （3）导纳微分法(又称增量电导法)，认为太阳电池阵列的的最大功率点处，输出功率对输出电压的一阶倒数等于零。因此在环境光强发生改变时，根据dI/dV的计算结果是否等于－I/V，决定是否继续调整输出电压，既可实现最大功率点的跟踪。该方法相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性。 上述三种方法各有特点，但是都不同时具有低成本、高稳定性、快速追踪的特性。第一种方法只是粗略估计了最大功率点的位置，在光强变化到很大或较小时都会产生很大的误差。后两种方法本质上都是通过判断当前工作点是否处于最大工作点来决定是否继续调整及调整的方向，因此最终的结果是逆变器始终工作在最大功率点的左右，来回振荡，而不是真正的工作在最大功率点处，反应在太阳电池阵列的输出上就是，太阳电池阵列的输出电压或电流总是以一个直流电平为中心上下跳跃，波形很不稳定，而且在光强变化速度较快时，不能及时反应。 三、太阳能电池功率追踪访法及算法 扰动观察法是目前太阳能电池最大功率追踪技术中最为成熟以及被采用最多的方法，其系统方块图如图12所示。由图中可以很明显的看出此法的硬件需求较少，模拟／数字转换器节省得相当多，因此在制造的成本上将大为降低。扰动观察法之缺点在于最大功率追踪过程中，当大气条件迅速改变时，由于响应速度未能因应调整，会使追踪的速度变缓，造成功率的损失，不过此一缺点可以用软件技术来加以改善，赋予系统自我调整响应速度之功能，这也是本文的研究重点，亦即以软件算法来达到太阳能电池最大功率的追踪，并分析系统操作于较高频率下，其追踪的性能。 依电路理论而言，当太阳能电池的等效输出阻抗等于负载端的等效输入阻抗时，太阳能电池所送出的功率为最大，这就是最大功率转移定理。因此当太阳能电池模块串接直流－直流转换器之后如图13，若要得到太阳能电池的最大功率，则转换器的输入阻抗必须和太阳能电池的输出阻抗相等，但是太阳能电池的输出功率受到大气条件的影响，使得其等效输出阻抗并不会固定在某一定值。对转换器而言，其输入阻抗是随着工作周期的改变而有所不同，所以转换器若要维持太阳能电池于最大功率下操作，就必须随时地调整其工作周期。 图片附件: fig12.JPG (2006-3-23 23:42, 26.31 K)
风光互补发电系统最大功率跟踪综述 张丽霞1，张秀霞1，2，刘婷1，王二垒1，杨小聪1，魏舒怡3 （1.北方民族大学电气信息与工程学院，宁夏银川750021；2.西安交通大学电子信息工程学院，陕西西安710049； 3.中国科学院研究生院北京100049） 摘要：风光互补发电系统的运行需要快速准确地进行最大功率点跟踪，为此综述了风光互补发电系统最大功率点跟踪的几种方法，包括在太阳能电池阵列部分日益成熟、改进和优化策略较多的扰动观察法、电导增量法和恒压控制法；风力发电机部分的叶尖速比控制法、功率信号反馈法、扰动观察法，分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处。最后探讨了最大功率点跟踪控制方法的发展思路，对该领域今后的研究方向做了展望。关键词：风光互补；最大功率点跟踪；控制策略；太阳能电池阵列；风力发电机中图分类号：TM614；TM615 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）23-0029-03 Reveiw of maximum power point tracking for wind -solar hybrid generation system ZHANG Li -xia 1，ZHANG Xiu -xia 1，2，LIU Ting 1，WANG Er -lei 1，YANG Xiao -cong 1，WEI Shu -yi 3 （1.School of Electronics and Information Engineering ，North National University ，Yinchuan 750021，China ； 2.School of Electronics and Information Engineering ，Journal of Xi ’an Jiaotong University ，Xi ’an 710049，China ； 3.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ） Abstract:The Maximum Power Point Track （MPPT ）of the wind -solar hybrid generation rapidly and accurately was necessary and it can increase the output power.This paper summarizes the methods of MPPT ，the solar panels MPPT control technology including the Perturbation and observation control ，incremental conductance control and constant pressure control.the wind turbine including tip speed ratio control ，power signal feedback control and perturbation and observation control.Points out the limitations and notes of those methods.Finally ，some feasible thoughts with new technologies for wind -solar hybrid generation are discussed and its study direction in the future is also looked ahead. Key words:wind -solar hybrid ；maximum power point tracking ；control technologies ；solar array ；wind driven generator 收稿日期：2012-08-17稿件编号：201208077 基金项目：国家自然科学项目基金（60844006）；北方民族大学研究生创新项目基金（2012XYC040、2012XYC041）；国家级大学生 创新项目（CJJ-CX-DX-39）；宁夏高等学校科学研究项目基金（2011JY002）；北方民族大学科学研究专项任务项目基金资助（2011XJZKJ02）。 作者简介：张丽霞（1986—），女，山西太原人，硕士研究生。研究方向：信息处理与信号检测、计算机测控。 能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大推动了人类社会的发展。同时，化石能源的使用带来严重的环境污染和生态系统破坏。因此，世界各国在加强对环境污染治理的同时，加大对可再生、无污染新能源的开发利用[1-3]，风能、太阳能作为可再生清洁能源，成为替代化石能源的首选。 由于风能、太阳能在时间和空间上的互补性，弥补了风能和太阳能独立发电在资源上的缺陷，使得风光互补发电比单一风力发电或光伏发电更为高效。在实际的应用系统中，外界条件的变化使得系统输出功率不稳定，就存在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Track ，MPPT ）的问题。 1风光互补发电系统 风光互补发电系统结构如图1所示，其组成主要有太阳 能电池板、风电机组、蓄电池、逆变器、控制器、交流负载、直流负载等 [1，3]。 2最大功率点跟踪控制 风光互补发电系统在工作时，随着日照强度、环境温度、 风力大小及方向的不同，各组件输出电压将发生变化，使得输出功率也产生很大变化，所以风力发电机和太阳能电池阵列本身就是一种极不稳定的电源。在外界条件变化的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，就需要对系统进行最大功率点跟踪。所谓最大功率点跟踪（Maximum Power 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第23期No.232012年12月Dec.2012 图1风光互补发电系统结构图 Fig.1Wind-solar hybrid generation system structure