光伏发电最大功率点跟踪控制技术

原书前言

作者简介

第1章光伏发电建模1

1.1光伏电池和光伏场1

1.2光伏组件的电气特性2

1.3双二极管和单二极管模型5

1.4数据表及模型参数8

1.4.1并联电阻趋于无穷大模型的参数辨识9

1.4.2计及并联电阻模型的参数辨识10

1.4.3包含并联电阻模型的参数辨识：显式解11

1.4.4其他求解方法12

1.5举例：光伏组件等效电路参数计算14

1.6光伏场建模的朗博W函数18

1.6.1一致工况下的光伏电源建模18

1.6.2失配光伏电源建模19

1.7举例22

参考文献24

第2章MPPT26

2.1MPPT动态优化26

2.2开路电压法和短路电流法30

2.3软计算方法31

2.4扰动观察法31

2.4.1稳态条件和动态条件下的性能优化33

2.4.2快速变化的辐照度38

2.4.3扰动观察法（P&O）设计实例：光伏电池充电器40

2.5扰动观察法的改进算法47

2.5.1自适应步长法47

2.5.2抛物线逼近法48

2.6微扰动法53

2.6.1粒子群优化（PSO）算法53

2.6.2极值搜索和纹波关联技术54

2.6.3电导增量法56

2.7基于输出参数的光伏MPPT技术59

2.7.1TEODI方法59

2.8MPPT效率63

参考文献66

第3章MPPT效率：降低噪声源的方法69

3.1单相应用的低频干扰69

3.1.1适用于闭环开关变换器的扰动观察法73

3.1.2闭环升压变换器中的扰动观察法设计实例76

3.2电流的MPPT算法的不稳定性81

3.3光伏系统中的滑模控制83

3.3.1通过滑动模态抑制噪声：数值算例88

3.3.2基于滑模的MPPT电流控制90

3.3.3滑动模式MPPT控制器：数值算例94

3.4噪声环境下的MPPT性能分析98

3.4.1基于低通滤波器的降噪处理方法100

3.4.2基于阶跃扰动的误差补偿101

3.4.3扰动观察法中的ADC量化误差：数值算例103

参考文献105

第4章光伏阵列的分布式最大功率点跟踪108

4.1标准MPPT的局限性108

4.2新型分散式MPPT（DMPPT）技术109

4.2.1基于微型逆变器的DMPPT技术109

4.2.2基于DC/DC变换器的DMPPT技术111

4.3基于DMPPT技术的光伏阵列直流分析113

4.3.1合适的工作区间113

4.3.2合适的工作区间的实例114

4.3.3升压型SCPVM的I-V和P-V特性118

4.3.4升/降压型SCPVM的I-V和P-V特性127

4.4直流变换器输入电压的最佳范围145

4.5基于DMPPT技术的光伏阵列交流分析170

4.5.1单一SCPVM的交流模型172

4.5.2分散式光伏阵列的小信号模型177

4.5.3SCPVM组的稳定性180

参考文献203

第5章适用于MPPT的高效光伏变换器设计208

5.1简介208

5.2功率、能量与效率208

5.3DMPPT功率变换器在光伏电站中的应用213

5.4功率变换器的损耗221

5.5同步FET开关单元的损耗223

5.6导通损耗225

5.7开关损耗228

5.7.1开通232

5.7.2关断233

5.7.3热分析235

5.7.4示例239

参考文献254

本书介绍了光伏发电功率所需的控制电路、系统和技术。第1章简单介绍了一些光伏阵列建模方法，确保光伏阵列无论在匹配还是非匹配的情况下都能正常运作；第2、3章主要阐述了如何实现佳MPPT性能以及对影响算法结果的参数的设计；第4章从电力系统结构和控制算法方面讨论了如何在非匹配情况下实现发电量大化；第5章介绍了具备MPPT功能的DC/DC变换器的设计，特别强调了其能源效率。

本书在总结光伏阵列及并网逆变器相关研究的基础上，重点针对复杂光照环境下光伏发电系统最大功率点跟踪及并网逆变器电流控制方面展开探讨。 对不同拓扑结构的光伏阵列输出特性进行了理论推导，采用模块化编程的方法构建了光伏阵列的仿真模型，阐述了光伏阵列优化配置的基本原则，提出了基于多重区间的最大功率点跟踪方法，并对并网逆变器的预测电流控制方法进行了详细的阐述。

本书适用于高等院校从事电力电子、光伏发电等研究方向的教师、研究生和高年级本科生，亦可为从事光伏发电工程应用的科技人员提供参考。

第1章绪论1

1.1引言2

1.2光伏组件相关研究现状3

1.2.1光伏组件的仿真建模研究4

1.2.2光伏组件的MPPT算法研究5

1.3光伏阵列相关研究现状7

1.3.1光伏阵列的输出特性研究7

1.3.2光伏阵列的仿真建模研究8

1.3.3光伏阵列的优化配置研究9

1.3.4光伏阵列的MPPT算法研究11

1.4并网逆变器相关研究现状12

1.4.1并网逆变器的拓扑结构及分类12

1.4.2并网逆变器电流控制14

第2章光伏组件输出特性及其最大功率点跟踪17

2.1光伏组件输出特性分析18

2.1.1光伏组件的数学模型18

2.1.2光伏组件的仿真建模20

2.1.3光伏组件模型参数对输出特性的影响23

2.2光伏组件最大功率点跟踪控制29

2.2.1光伏组件最大功率点跟踪的意义29

2.2.2几种常用的最大功率点跟踪算法31

2.3基于最优梯度法的最大功率点跟踪36

2.3.1最优梯度法的基本原理36

2.3.2改进型最优梯度法MPPT38

2.3.3仿真验证40

第3章复杂光照环境下光伏阵列的输出特性43

3.1光伏阵列的分类及分析思路44

3.1.1光伏阵列的分类44

3.1.2分析思路45

3.2串联式光伏阵列输出特性推导45

3.2.1由两个组件构成的串联式光伏阵列46

3.2.2由N个组件构成的串联式光伏阵列51

3.3并联式光伏阵列输出特性推导55

3.3.1由两个组件构成的并联式光伏阵列56

3.3.2由N个组件构成的并联式光伏阵列60

3.4集中式光伏阵列输出特性推导65

3.4.13×3集中式光伏阵列66

3.4.2M×N集中式光伏阵列71

第4章光伏阵列仿真模型及优化配置74

4.1基于模块化编程的光伏阵列建模75

4.1.1光伏阵列建模的基本思路75

4.1.2光伏阵列建模的基本流程77

4.2光伏阵列输出特性仿真79

4.2.1串联式光伏阵列的仿真分析79

4.2.2并联式光伏阵列的仿真分析82

4.2.3集中式光伏阵列的仿真及实验85

4.3光伏阵列的优化配置91

4.3.1仿真分析91

4.3.2理论分析97

4.3.3优化配置原则99

第5章复杂光照环境下光伏阵列最大功率点跟踪101

5.1改进型Fibonacci搜索法在MPPT中的应用102

5.1.1Fibonacci搜索法的基本原理102

5.1.2改进型Fibonacci搜索法104

5.2改进型变步长扰动观测法在MPPT中的应用106

5.2.1扰动观测法的工作原理106

5.2.2改进型变步长扰动观测法107

5.3基于多重区间的最大功率点跟踪算法109

5.3.1控制流程109

5.3.2仿真验证111

第6章并网逆变器预测电流控制策略115

6.1预测电流控制算法对比分析116

6.1.1预测电流控制的基本原理116

6.1.2预测电流控制算法的构成117

6.1.3预测电流控制算法稳定性分析119

6.2改进型预测电流控制算法122

6.2.1改进型算法的构成122

6.2.2改进型算法的稳定性分析123

6.2.3仿真与实验126

6.3预测电流控制模型130

6.3.1预测电流控制模型的构建130

6.3.2预测电流控制模型的稳定性分析132

6.3.3仿真验证136

参考文献140

控制器有不同的策略来找到模组的最大功率输出。最大功率点追踪控制器可能有不同的算法，并且视运作条件选择适当的算法。

最大功率点追踪扰动观察法

扰动观察法（Perturb and observe）的控制器会小幅的增加或减少电压，并且量测其功率。若功率增加，继续依相同方向调整电压，一直到功率不增加为止。此方式称为扰动观察法（Perturb and observe），是最常见的最大功率点追踪方式，不过其输出可能会有小幅的功率震荡。此算法属于爬山算法，是依照功率对电压的曲线在未到最大功率时曲线会上升，超过最大功率时曲线会下降的特性而来的。扰动观察法因为容易实现，是最常使用的最大功率点追踪方式。若是配合了适当的估测及适应性爬山算法，扰动观察法可以达到最高的效率。

最大功率点追踪增量电导法

增量电导法（incremental conductance method）的控制器会渐进式的调整太阳能模组的电压及电流，以预测改变电压后的影响。此方式的控制器计算量较大，但追随条件变化的速度比扰动观察法要快。增量电导法和扰动观察法类似，可能会造成输出功率的震荡。此方法会利用太阳能模组的增量电导（incremental conductance, dI/dV)，来计算功率对应电压变化比例(dP/dV)的符号为正或为负。

增量电导法计算最大功率点的方式是比较增量电导（I_Δ/ V_Δ）和模组的电导（I / V）。若二者相同时（I / V = I_Δ/ V_Δ），其输出电压即为最大功率点电压。控制器会维持此电压，若照射条件改变时，会再重复上述的流程。

最大功率点追踪电流扫描法

电流扫描法（current sweep method）会针对太阳能模组配合一个扫描用的电流波形，可以每隔一段时间量测且更新电流-电压曲线的关系。再依最新的电流-电压曲线找到最大功率点，设法使系统运作在最大功率点。