离网光伏发电控制系统样本

一、国内外研究现状

随着传统能源的FI益枯竭，新能源发电逐渐得到世界各国的广泛重视，其中太阳能光伏发电凭借其多方面的优点得到越來越多的推广。为了充分利用太阳能，最大效率的将电池板上的太阳能转化为电能，减少充放电次数，使蓄电池优化运行，提高逆变器运行的可靠性、稳定性和安全性，必须对最大功率点跟踪、蓄电池控制、逆变器设计的控制策略展开深入的研究。

1、最大功率跟踪点算法研究现状

光伏电池是太阳能光伏发电系统最基本的环节，且价格比较昂贵，它的能量转换效率影响着系统的整体效率和成本，因此必须使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的输出特性具有强烈的非线性，输出功率很容易随着外界环境温度、光照强度、负载状态的变化而变化。在一定的电池温度和光照强度下光伏电池能够工作在不同的输出电压，拥有不同的输出功率，只有在某一电压值下，输岀功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。也就是说，在一定光照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点。为了始终能工作在最大功率点，以达到输出功率最大，能量利用率最高的目的，因此必须对光伏电池进行最大功率跟踪点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称 MPPT)o

当前提出的MPPT方法很多，主要有恒电压法、扰动观察法、

增量电导法、间歇扫描法、智能控制法等，每种方法都有各自的优缺点。下文将针对比较常见的、应用最为广泛的恒电压法、扰动观

察法、电导增量法进行简要介绍对比。

(R恒电压法

忽略电池温度影响时，在不同的光照强度下，光伏电池输岀曲线的最大功率点近似分布在一条垂直线的附近。只要保持光伏电池输出电压为常数，且等于某一光照强度下光伏电池最大功率点的电压，就能基本保证在该温度下光伏电池工作在最大功率点, 从而实现MPPTo 由此可知，恒电压法实质上是把MPPT控制简化为恒电压控制，构成了恒定电压的MPPT控制。

恒定电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比较适合于低成本的应用场合或教学实验中，能够简化控制部分的设计。可是，这种方法忽略了电池温度对光伏电池最大功率点的的影响，当温度变化时，如果仍采用此法，光伏电池的输岀功率将会偏离最大功率点，造成能量的浪费，特别是对于早昼夜和四季温差大的地区，控制精度就更差，系统损失功率就更多。因此恒定电压法并不能完全实现真正意义上的最大功率跟踪。为了克服使用场所冬夏早晚、阴晴雨雾等环境变化对系统造成的影响，在恒定电压控制的基础上能够引进温度反馈來修正工作点电压，提高系统的整体效率。

(b)扰动观察法

扰动观察法(Perturb & Observe Algorithms)又称爬山法，主要根据光伏电池的P-U特性，经过扰动端电压來寻找最大功率点。而且不论外界环境如何变化，它都能够真正实现MPPT控制，因此是当前MPPT应用最广泛的方法之一。其工作原理是在光伏电池正常工作时，

周期性的改变负载的大小，以改变电池板的从而不断地给它的输出电压一个很小的扰动△ U,在电压变化的同时，实时采样光伏电池的输出电压和电流，计算当前的输出功率，再与上一采样时刻的功率进行比较，经过判断输出功率的变化方向來判定下一步的干扰方向。如果输出功率变大，那么负载继续按照上一周期的方向变动继续”干扰”过程，如果检测到输出功率变小，则改变”干扰”的方向。如此重复的扰动、观察及比较，使电池板最

终达到其最大功率点，从而实现最大功率跟踪。

扰动观察法的优点是算法结构简单，被测参数较少，容易实现。其缺点是光伏电池达到最大功率点后，并不停止扰动，而是在最大功率点附近来回振荡运行，始终有一定的能量损失。其次，它的扰动步长（AU值）不容易确定，步长过小，系统的跟踪速度变慢, 光伏电池可能长时间滞留在低功率输出区，从而影响系统的效率；步长过大，又会使系统在最大功率点附近振荡加剧，跟踪精度降低，导致功率损失较大。因此，扰动观察法的跟踪精度和跟踪速度无法兼顾，当我们采用此方法时，需要根据自己的需要做一取舍，选择合适的步长。另外当外部环境突然变化时，扰动观察法不能判断系统功率变化是由自身扰动还是环境变化造成的，可能会导致扰动方向发生错误，造成误判。

C）电导增量法

电导增量法（Incremental Conductance Method, ICD）是 1995 年KH. Hussein提岀的，是经过比较某一时刻光伏电池瞬时电导和瞬

时电导变化率的关系來改变扰动的方向，从而实现MPPTo由光伏电池的输出特性可知，光伏阵列的P-V曲线是一个单峰曲线, 在最大功率点处，其斜率（即功率对电压的导数）为零。因此，只要在斜率大于零的区域增加电压，在斜率小于零的区域减小电压，在斜率等于零或非常接近于零的时候，电压保持不变，就能够寻找到最大功率点。当判断出光伏系统工作在最大功率点处，就不再对工作点进行调整。

电导增量法的优点是在光照强度不变时，光伏电池输出能够稳定在最大功率点处；而当光照强度发生变化时，光伏电池输出电压能以平稳的方式追随环境的变化，且电压扰动的范围也较扰动观察法小。而且这种控制方法的准确性较高，响应速度较快，能够适应光照强度和环境温度的快速变化。缺点是光伏电池可能存在一个局部的最大功率点，此方法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点。其次，它的步长是固定的，步长过小，光伏电池可能长时间滞留在低功率输出区；步长过大，又会使系统振荡加剧。同时，当光照强度突变时，如果不能快速及时的调整输岀电压，就会导致系统输出电压出现崩溃现象。在实际的光伏系统中，电导增量法需要的计算量较大，对系统的性能要求也较高。

2、蓄电池的充放电控制

铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。蓄电池作为一种大容量储能装置，具有电压稳定、供电可靠等优点。由于铅酸蓄电池的固有特性，充放电控制技术及装置的性能直接影响着蓄电池的运行状态和使用寿命。离网小型发电系统经过控

制器控制蓄电池的充电状态能提高系统的运行效率。

为了提高充电效率、延长蓄电池的使用寿命，必须对不同的充放电控制控制算法进行了解，从而根据系统自身的特点设计合适的蓄电池充放电控制算法。当前常见的蓄电池充电控制算法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、阶段充电、快速充电和智能充电等，而放电控制算法主要有放电电压控制法、放电电流控制法和放电深度控制法等。下面对恒流充电、恒压充电、阶段充电做介绍对比。

a）恒流充电

恒流充电是指以一个恒定的电流对蓄电池进行充电。由于在充电过程中蓄电池端电压会升高，而且蓄电池内阻也会变化，因此需要利用控制算法对充电电流进行控制，从而保证充电电流恒定o 这种方法特别适用对由多个蓄电池串联所组成的蓄电池组进行充电，它能使落后的蓄电池的容量容易得到恢复，用小电流长时间的模式（例如维护充电中的涓流充电）对蓄电池进行充电效果较好。

恒流充电的优点主要是控制算法简单、恒流充电器成本较低; 使用固定的、易测量的电流和时间作为输入量，可实现快速调节的可控充电。但恒流充电控制也有其不足，它的不足之处主要是一般蓄电池在开始充电时能够承受大电流充电，但开始时所设置的恒定电流值往往相对于充电后期（蓄电池接近充电完毕）蓄电池所能承受的充电电流相对偏大。后期充电电流偏大会导致蓄电池析气较多，而且对极板的冲击较大、能耗高、充电效率低于65%

b）恒压充电

恒压充电是指以一个恒定电压对蓄电池进行充电。由于充电初期蓄电池开路端电压较低，所设置的恒压充电的电压值往往会导致充电电流很大，直到充电完成。在蓄电池充电后期，随着蓄电池电能的逐渐储存完毕，充电电流也会逐渐减小，因此相对恒流充电，该算法使得蓄电池析气量较小、充电时间短，能耗低，且充电效率可达80%o 但此法也有自身的缺点：（1）在充电初期，假如蓄电池上次放电深度过深，初始充电电流将会很大，此大电流会对充电控制器的硬件设计提岀了很高的要求，同时过流容易造成充电控制器的损坏，蓄电池也可能因为过流充电而受到损伤; （2）如果为了避免充电初期大充电电流的出现而将恒压设置值减小，会导致蓄电池后期充电电流较小，从而使充电时间增加（3）该算法很难补偿蓄电池端电压的变化，也很难达到对落后电池的完全充电。

c）阶段充电

阶段充电法是为克服恒流和恒压充电的缺点而产生的一种充电控制方法o两阶段充电法是先以恒定电流对蓄电池充电至预先设