太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術

前言

　　前言　　隨著當今世界正迅速地從工業(yè)化社會向低碳化社會轉(zhuǎn)化，發(fā)展綠色能源成為重大課題。太陽能光伏發(fā)電由于其可再生性、清潔性及取之不盡、用之不竭等特點，正在發(fā)展成為全世界綠色能源組成中的重要部分?！　「咝锰柲苁侨藗円恢弊非蟮哪繕?，在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽光伏電池技術和光伏變換控制技術是兩大支撐技術。最大功率點跟蹤（MPPT）技術是高效光伏發(fā)系統(tǒng)中的關鍵技術之一。提高MPPT技術是光伏發(fā)電逆變器應用過程中的重點和難點。因此，研究和應用最大功率點跟蹤技術具有重要理論意義和實際應用價值?！　∏迦A大學電機工程與應用電子技術系自1999年開始了光伏發(fā)電變換技術的研究和應用，先后研究了光伏揚水和照明綜合系統(tǒng)、太陽能光伏照明（節(jié)能燈、高壓鈉燈、LED燈等）、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等，解決部分并正在研究光伏發(fā)電中的一些關鍵性問題，特別在研究和應用光伏最大功率點跟蹤技術方面取得了一些有意義的研究與應用成果。　　MPPT技術是光伏發(fā)電中的一個通用綜合性技術，涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術、電力電子變換技術及現(xiàn)代控制技術等。人們在光伏發(fā)電應用中普遍采用MPPT技術，以求高效應用太陽能，但實際應用中仍然存在很多的問題，因此系統(tǒng)地總結(jié)MPPT技術應用很有必要?！　≌腔谶@樣的認識，我們嘗試總結(jié)了多年來在太陽能光伏發(fā)電MPPT技術方面的應用體會，同時匯集了許多專家學者在這方面的研究成果，編著了本書。全書共分8章，第1章為概述，回顧了當前太陽能光伏發(fā)電領域的發(fā)展及光伏發(fā)電技術基礎，概述了光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術的特征及存在的問題；第2章介紹了光伏電池模型、MPPT原理及其檢測方法；第3章介紹了基于采樣數(shù)據(jù)的直接MPPT控制方法，包括恒電壓控制、干擾觀測法和電導增量法等；第4章介紹了基于人工智能MPPT控制及其他相關MPPT方法，包括模糊邏輯控制法、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制法和其他智能型MPPT方法；第5章著重分析主要MPPT方法的實現(xiàn)和比較，特別分析了溫度對MPPT的影響；第6章介紹了一些有關MPPT的應用；第7章介紹基于物理跟蹤的光伏系統(tǒng)MPPT；最后，作為面向光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用，在第8章中介紹MPPT方法的發(fā)展及綜合應用?！　”緯哨w爭鳴編寫第1、6、8章，陳劍編寫第3、4、5章，孫曉瑛編寫第2、7章，全書由趙爭鳴負責統(tǒng)籌和定稿，孫曉瑛負責公式與符號校核。賀凡波為本書提供了重要的素材，在此特別表示感謝。本書部分內(nèi)容是基于曾經(jīng)在我們研究室工作和學習過的博士和碩士論文，如吳理博、陳昆侖、王健、周德佳、鄧夷、馮博等，還得到研究室其他老師和同學，如魯思兆、田琦、雷一、尹璐、袁立強、魯挺、胡仙來、葛俊杰、鐘山和楊晟等的幫助和支持，在此一并表示感謝。另外，在編寫本書的過程中，我們參閱了大量的論著文獻，主要的已經(jīng)列入本書后的參考文獻，在此對這些論著文獻的作者表示衷心感謝?！　”緯窃陔娮庸I(yè)出版社的鼎立支持和幫助下完成的。另外，本書部分內(nèi)容是在臺達環(huán)境與教育基金會電力電子科教發(fā)展計劃重大項目（DREM200902）資助下完成的，如光伏陣列的仿真建模、MPPT控制方法的實驗比較、大規(guī)模光伏陣列并網(wǎng)MPPT應用等，在此一并深表感謝?！　”緯晒氖码姎夤こ膛c光伏發(fā)電的科技人員和有關科技管理人員參考?！　∮捎谧髡咚接邢?，編寫時間倉促，且光伏發(fā)電MPPT技術研究仍在研究發(fā)展之中，作者及其所在的研究室在這方面僅做了初步的工作，書中難免存在許多的不足，甚至是錯誤，懇請廣大讀者批評指正。　　編著者　　2011年8月于清華園

內(nèi)容概要

　　最大功率點跟蹤（MPPT）技術是高效光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵技術之一，提高MPPT技術是人們在光伏發(fā)電逆變器應用過程中的重點和難點。它涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術、電力電子變換技術及現(xiàn)代控制等技術，實際應用中仍然存在很多的問題。《新能源電能變換與控制技術叢書：太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術》從論述最大功率點跟蹤原理和光伏電池模型入手，介紹并比較了多種最大功率點跟蹤的方法，列舉了一些MPPT方法的綜合應用范例。

書籍目錄

第1章 概述
1.1 光伏發(fā)電應用
1.1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類及其市場
1.1.2 光伏發(fā)電技術
1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)成本與效率
1.2.1 成本分析及發(fā)展
1.2.2 效率及其技術改善
1.3 MPPT技術的發(fā)展
1.3.1 MPPT技術的發(fā)展軌跡
1.3.2 MPPT技術在應用中存在的問題
第2章 光伏電池模型及最大功率點跟蹤原理
2.1 太陽能光伏電池模型
2.1.1 光伏電池的工作原理
2.1.2 光伏電池模型與特性
2.1.3 光伏電池的仿真建模
2.2 MPPT技術
2.2.1 最大功率點受外界影響
2.2.2 MPPT過程
2.2.3 MPPT的性能檢測方法
2.3 各種MPPT控制方法的分類介紹
2.3.1 基于參數(shù)選擇方式的間接控制法
2.3.2 基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法
2.3.3 基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法
第3章 基于采樣數(shù)據(jù)的直接MPPT控制法
3.1 恒電壓控制法
3.1.1 恒電壓控制的原理
3.1.2 恒電壓控制的仿真與實驗分析
3.1.3 恒電壓控制的改進和發(fā)展
3.2 干擾觀測法
3.2.1 干擾觀測法的基本原理
3.2.2 干擾觀測法的仿真和實驗結(jié)果
3.2.3 干擾觀測法的改進和發(fā)展
3.3 電導增量法
3.3.1 電導增量法的原理
3.3.2 電導增量法的仿真實驗結(jié)果
3.3.3 電導增量法的改進
第4章 人工智能MPPT控制及其他控制法
4.1 模糊邏輯控制法
4.1.1 模糊邏輯控制法的工作原理
4.1.2 模糊邏輯控制法的具體實現(xiàn)
4.1.3 模糊邏輯控制法的應用情況
4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡控制法
4.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡控制法的原理
4.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡控制法的分類
4.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡控制法的實現(xiàn)
4.3 其他MPPT控制方法
4.3.1 開路電壓與短路電流比例法
4.3.2 曲線擬合和寄生電容法
4.3.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制法
第5章 MPPT控制方法的實現(xiàn)與分析比較
5.1 基于嵌入式目標模塊的快速代碼生成
5.1.1 快速代碼生成的設置與功能
5.1.2 快速代碼生成的模塊庫與外設操作
5.1.3 快速代碼生成的工程實例
5.2 各種主要MPPT控制方法具體實現(xiàn)
5.2.1 實驗平臺和實驗儀器
5.2.2 實驗平臺的運行驗證
5.2.3 各種主要MPPT控制方法的實驗比較
5.3 不同方法的控制效果分析與適用條件
5.3.1 主要方法的控制效果分析
5.3.2 光伏系統(tǒng)MPPT控制適用條件
5.4 溫度與MPPT控制
5.4.1 溫度對光伏電池PU曲線的影響
5.4.2 溫度變化下的MPPT控制
第6章 MPPT控制方法的實際應用
6.1 MPPT在光伏LED照明控制系統(tǒng)中的應用
6.1.1 光伏LED照明系統(tǒng)
6.1.2 光伏LED照明系統(tǒng)的仿真建模
6.1.3 光伏LED照明系統(tǒng)中的MPPT
6.2 MPPT在光伏水泵與照明綜合控制系統(tǒng)中的應用
6.2.1 光伏水泵與照明綜合系統(tǒng)
6.2.2 MPPT的一階控制策略
6.2.3 具有一階MPPT控制策略的光伏水泵控制器設計與實現(xiàn)
6.3 MPPT在光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)中的應用
6.3.1 采用變步長MPPT控制算法的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)
6.3.2 可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的MPPT技術
6.3.3 大規(guī)模光伏陣列MPPT應用
第7章 基于物理跟蹤的光伏系統(tǒng)MPPT
7.1 太陽與光伏電池板的最佳角度
7.1.1 太陽與地球運行的坐標系
7.1.2 太陽日照變化規(guī)律與計算
7.1.3 光伏電池板安裝角度的設定
7.2 太陽光機械跟蹤系統(tǒng)
7.2.1 太陽光機械跟蹤的跟蹤模式
7.2.2 太陽光機械跟蹤的控制模式
7.2.3 太陽光機械跟蹤的系統(tǒng)建立
7.3 聚光式光伏發(fā)電系統(tǒng)
7.3.1 聚光式光伏發(fā)電的簡介
7.3.2 聚光式光伏發(fā)電的系統(tǒng)
7.3.3 基于物理跟蹤光伏發(fā)電的綜合應用
第8章 MPPT方法改進及其綜合應用
8.1 單相光伏逆變器的MPPT
8.1.1 單相單級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT
8.1.2 單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT
8.2 具有功率前饋控制的變步長增量MPPT方法
8.2.1 光伏電源與電網(wǎng)之間的功率傳遞
8.2.2 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設計
8.2.3 PI控制器參數(shù)選擇
8.3 基于優(yōu)化原理的MPPT方法
8.3.1 算法原理
8.3.2 仿真分析與實驗
8.4 將MPPT與無功補償綜合控制的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)
8.4.1 并網(wǎng)逆變器和基于瞬時無功理論的并網(wǎng)策略
8.4.2 無功和諧波檢測算法的仿真分析
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   8．功率和電壓控制技術 電力系統(tǒng)希望光伏電站可調(diào)度，并具有調(diào)壓和調(diào)頻功能。 （1）調(diào)度 可以利用蓄電池儲能，搭建可調(diào)度式光伏并網(wǎng)逆變器。由于蓄電池的壽命問題，實現(xiàn)有功可調(diào)度能力需要付出很高的成本。為了避免有功快速變化給電網(wǎng)帶來的沖擊，可以配備一部分儲能元件，以降低輸出有功的變化率。 （2）調(diào)壓 對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)準人功率的分析表明，光伏系統(tǒng)進行主動調(diào)壓時，其準人功率將會提高。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)帶來的功率逆流（功率輸送至電網(wǎng)）會導致配電網(wǎng)或弱電網(wǎng)的末端電壓升高。當電壓達到某一上限時，不得不限制光伏系統(tǒng)的出力，這樣將帶來一定的能量損失。由此造成的能量損失是整個系統(tǒng)能量損失的重要部分。一種解決方案是，當需要限制向電網(wǎng)輸送的功率時，將多余的功率存入儲能裝置。也可以采用兩步式電壓調(diào)節(jié)，首先通過調(diào)節(jié)無功來調(diào)節(jié)電壓，當達到無功限值時，再通過調(diào)節(jié)有功來調(diào)節(jié)電壓。 （3）調(diào)頻 光伏逆變器可以通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功輸出來參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，但如果沒有儲能的配合，將會損失MPPT性能。 9．起／停的控制規(guī)律 光伏逆變器有無人值守運行的需求，因此應具有自動起動、停機的功能。通常以光伏電池電壓為判據(jù)，當光伏電池電壓高于某一閾值且電網(wǎng)正常時，可自動起動；當光伏電池電壓低于某一閾值，或檢測到電網(wǎng)異常時，應自動停機。為避免頻繁起動和停機，作為起／停判據(jù)的電壓閾值須是滯環(huán)的，并且在兩次試起動之間設定一個最小延遲時間（10min左右）。 10．安全和保護技術 安全和保護技術包括常規(guī)保護和自恢復。常規(guī)保護的故障內(nèi)容包括極性反接、交直流的過電壓、欠電壓、過電流，交流頻率過高、過低，三相嚴重不對稱、直流分量嚴重等。當檢測到故障時，逆變器自動停止運行，同時繼續(xù)監(jiān)測相關數(shù)據(jù)，當恢復正常時，自動恢復運行。 11．孤島保護 孤島保護是光伏并網(wǎng)逆變器的重要功能之一。電網(wǎng)失電時，如光伏系統(tǒng)繼續(xù)運行，對局部負載供電，會形成一個電網(wǎng)調(diào)度無法掌握的自給供電孤島，這種現(xiàn)象稱為孤島運行。孤島運行的主要危害有： ①當電網(wǎng)再次恢復供電時，會因相位不同步而對電網(wǎng)用戶造成沖擊。 ②電力孤島區(qū)域供電電壓和頻率不穩(wěn)定。當太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)切換成孤島方式運行時，如果該供電系統(tǒng)內(nèi)無儲能元件或其容量太小，會使用戶負荷發(fā)生電壓閃變。太陽能供電系統(tǒng)脫離原有的配電網(wǎng)后，其原來的單相供電模式可能會使其他配電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)三相負載不對稱的情形，而影響其他用戶的電壓質(zhì)量。

編輯推薦

《太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術》推薦了MPPT技術是光伏發(fā)電中的一個通用綜合性技術，涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術、電力電子變換技術及現(xiàn)代控制技術等。人們在光伏發(fā)電應用中普遍采用MPPT。技術，以求高效應用太陽能，但實際應用中仍然存在很多的問題，因此系統(tǒng)地總結(jié)MPPT技術應用很有必要。 《太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術》可供從事電氣工程與光伏發(fā)電相關工作的科技人員和管理人員參考，也可作為高等院校相關專業(yè)師生的參考用書。

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