太阳能光伏发电的现状和发展Word文档格式.docx
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随着我国对新能源产业的政策扶持，光伏发电必将成为我国能源结构中重要的组成元素。
因此，积极研究和发展光伏发电技术成为了目前国内外的研究热点。
国外光伏发电的现状和展望
能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。
在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%，2006年世界太阳电池产量达到2500MWp，累计发货量达到8500MWp。
表1-1为截止到2006年的过去10年世界太阳电池的年发货量和累计用量（GWp）。
世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是：
光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并成为光伏发电的主导市场（其他应用包括通讯和信号﹑特殊商业和工业应用﹑农村离网应用﹑消费品和大型独立电站等）。
表1-2为截止到2005年的过去十年并网光伏发电市场份额逐年增长情况。
世界光伏发电市场的增长主要得益于德国、日本和美国的鼓励政策。
目前70%以上的太阳电池用于并网发电系统。
美国、日本和欧洲都制定了各自的光伏发展路线，表1-3和表1-4给出了一些国家的光伏发展路线和发展目标的比较。
从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
根据欧洲JRC的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中占到30%以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上；
2040年可再生能源占总能耗50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；
到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上，太阳能发电占到60%以上，显示出重要战略地位。
国内光伏发电现状和发展
经过20多年的发展，我国光伏发电产业的发展己初具规模。
但是总体水平上我国同国外还有很大的差距。
主要表现为生产规模较小，技术水平较低，电池效率、封装水平同国外存在一定差距。
部分材料仍需进口。
另外，我国电池组件的成本和售价偏高。
太阳能电池造价太高制约着太阳能光伏发电的大规模应用。
它已经成为光伏发电的“瓶颈”。
我国必须要加大这方砸的投入。
突破这个技术瓶颈，促进太阳能光伏发电的普及。
2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会通过了《中华人民共和国可再生能源法》，把促进可再生能源的开发利用提高到了法律的高度。
近些年来。
国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能电池的发展放到了重要的位置。
积极发展太阳能光伏发电对于解决我国的能源紧缺和环境污染具有重要的战略意义。
相信在政府政策的扶持和学界的大力研究下。
光伏发电在我国的前景很光明，会得到广泛应用和发展。
光伏发电的优缺点
光伏发电的优点生要有以下六点：
l、无污染：
零捧放，没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”。
2、可再生：
资源无限，可直接输出高质量电能，可满足可持续发展的要求。
3，资源的普遍性：
基本上不受地域限制。
只是地区之间是否丰富之分。
4、分布式电力系统：
将提高整个能源系统的安令性和可靠性。
特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义。
5、资源、发电、用电同一地域：
渴望大幅度节省远程输变电设备的投资费用。
6、灵活、简单化：
发电系统可按需要以模块化集成．容量可大可小。
扩容方便。
保持系统运转仅需要很少的维护。
系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件：
目前光伏发电也存在一些难以攻克的缺点：
主要有以下两个方面：
（1）光电转化率很低。
（2）光伏发电成本太高，在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但其成本仍居高不下，远小能满足大大规模应用的要求。
太阳能光伏发电技术概述
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏打效应将光能转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装便构成了大面积的太阳能电池组件。
电池组件所产生的直流电能再经逆变器变换成与电网相同频率的交流电能。
以电压源或者电流源的方式送入电力系统（并网光伏发电系统），或者直接供给负荷使用（独立光伏发电系统）。
光伏发电系统的基本组成
光伏发电系统是由光伏电池板。
控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。
太阳光辐射能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换。
提供给负荷使用。
图l所示为典型太阳能光伏发电系统的构成。
各个组成部分具体介绍如下
l、太阳能电池
太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转变为电能。
目前对太阳能电池的研究主要集中在提高光电转换效率和降低成本上。
目前应用较广的太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅：
和非晶硅
3种。
近年来出现了硅以外的化含物材料，如磷化铟、砷化镓、铟
硒铜等。
2、控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态．使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近。
从而获得最大的功率转换效率的目的。
控制器还对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用．在温差大的地区，控制器还具有温度补偿的功能。
3、蓄电池组
太阳能电池一般为铅酸电池，小型太阳能发电系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
太阳能电池产生的直流电需要进入太阳能蓄电池储存。
在使用的时候再释放出来。
蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的-丁作效率和稳定性，目前蓄电
池在技术上已经十分成熟。
4、逆变器
太阳能并网逆变器比普通逆变器要复杂很多，主要有两个技术要点l：
MPPT（最大功率跟踪）和井刚功能。
MPPT对于太阳能逆变器来说，非常重要，由于日照条件在不断变化，太阳能电池组件特殊的v-I特性，逆变器必须具备MPPT功能，才能充分利用昂贵的电池板发电量。
另外一个并网功能。
关注就是功率因数和谐波电流。
逆变器在额定丁况下。
谐波电流小于3％．功率因数为1。
主要研究课题：
最大功率跟踪
最大功率就是使光伏电池始终保持最大功率输出。
由于光伏电池的光电转换效率比较低，光伏电池的输出功率受日照强度以及温度影响，系统工作点会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。
为了在限定的条件下有效利用光伏电池，必须实现最大功率点跟踪（Max
PowerPointTracking，MPPT）控制，以便光伏电池阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
MPPT研究的必要性
光伏发电系统中，光伏电池在不同太阳辐照度下输出最大功率时，其两端电压值并不固定，而且当工作温度发生变化时，相应于同一辐照度的最大功率，电压值也将发生变化。
由图光伏电池I．V和P．V特性曲线，它表示了在特定的太阳辐照度和温度下，电池传送的电流I（功率P）与电压V的关系，曲线表明电池具有明显的非线性特征。
图中，功率曲线类似为一个抛物线，即光伏电池在输出最大功率PM（=IMVM）时，最大功率点电压（最大工作电压）VM小于开路电压Voc，最大功率点电流（最大工作电流）IM小于短路电流Isc。
并且电池电压在0~VM间变化时，功率曲线为递增函数，当电池电压在VM～Voc间变化时，功率曲线为递减函数。
研究表明，光伏电池的输出功率取决于太阳辐照度和其工作温度。
随着工作温度的升高，短路电流I。
c稍微升高，开路电压Voc和最大功率点电压VM下降，光伏电池输出最大功率PM下降。
同一块光伏电池Isc值与太阳的辐照度成正比，输出最大功率PM也随着辐照度的增加而增加。
为了实现在任何外部条件下太阳能电池阵列输出当前日照下最多的能量，理论和实践上提出了光伏电池阵列的MPPT问题。
随着光伏发电系统的日益普及，光伏发电系统较高的造价和仍处在较低的转换效率使得MPPT技术的研究愈发重要。
MPPT原理
图3-1为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压VMax时，阵列输出功率随太阳能电池端电压VPv上升而增加。
当阵列工作电压大于最大功率点电压VMax时，阵列输出功率随VPv上升而减少。
MPPT的实现实质上是一个自
寻优过程，即通过控制阵列端电压VPv，使阵列能在各种不同的日照和环境温度下智能化地输出最大功率。
MPPT的算法
太阳能电池的电压与电流是非线性的关系，由于环境温度与日照强度的不同工作曲线有所不
同，但是每一条工作曲线只有一个最大功率点，此最大功率点即为太阳能电池的最佳工作点。
因此为了提高太阳能电池阵列的工作效率，需要控制太阳能电池阵列的输出，使太阳能电池阵列随时都工作在最大功率点。
关于太阳能电池阵列的最大功率跟踪法有许多文献都有这
方面的讨论，而且最大功率点跟踪的算法有很多种，常用的有：
电压回授法、功率回授法、滞环比较法、电导微增法、微扰观察法等。
在实现的过程中，进行调节时所依据的变量也不同，有依据电压的，也有依据功率的。
所谓依据电压是指：
在调节的过程中，不断地测量太阳能电池的输出特性，计算出太阳能电池的最大功率点，然后调节太阳能电池的工作点，使工作点电压尽量接近最大功率点电压，并且随着最大功率点电压的变化而变化。
这样做较为复杂，而且计算最大功率点需要时间。
如果在天气情况变化较快时，计算出来的最大功率点可能与当时的最大功率已经相差较大了，因此这种方法用的较少。
依据功率调节是指在调节的过程中，测量蓄电池的充电功率，依据它来调节太阳能电池的工作点，使蓄电池能够保持最大的充电功率。
但是，这样做似乎并不能保证太阳能电池有最大功率输出，而只是保证蓄电池有最大功率输入。
这里可以从实际应用的角度考虑，对太阳能电池经最大功率跟踪的目的是希望负载获得最大功率。
假如仅仅实现太阳能电池的最大功率输出，而蓄电池不能获得最大功率充电，那么这样做也没什么意义；
另外如果DC／DC转换电路的效率足够高，可以近似地认为蓄电池获得最大功率充电时，太阳能电池输出的功率也是最大的
最大功率跟踪控制方法
（1）实际测量法
实际测量法只需要利用一片额外的光伏电池板，每隔一段时间即实际测量此光伏电池板的开路电压与短路电流，以建立光伏电池板在此日照强度及温度下的参考模型，并求出在此条件下的最大功率点的电压和电流，配合控制电路使光伏电池板工作在此电压或电流下，即可达到最大功率点跟踪。
此方法的最大优点在于其由实际测量来建立参考模型，因此可避免因光伏电池板及元件老化而导致参考模型失去准确度的问题，此外，由于此法需要额外的光伏电池板及一些检测电路，因此较适用于较大功率的太阳能供电系统，对其他小功率系统而言，或许不能符合成本上的需求
（2）恒定电压控制法
在光伏电池温度一定时，光伏电池的输出P-V曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。
因此恒定电压控制法即是将光伏电池输出电压控制在该电压处，此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。
这种控制简单且易实现，系统工作电压具有良好的稳定性；
但缺点是MPPT精度差，系统工作电压的设置对系统工作效率影响大，控制的适应性差，即当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差
（3）扰动观察法
扰动观察法的原理是通过引入一个小的电压变化（一般是通过改变占空比大小，来改变等效负载的大小，从而改变输出电压的大小），计算此次光伏方阵的输出功率，并与上一次的相比较，根据比较结果来确定增加或是减少光伏方阵工作电压，从而来实现MPPT。
如图，若△P＞0，说明光伏电池工作在峰值电压左侧，则需要继续增大工作电压，从左侧向最大功率点靠近；
若△P＜0，说明光伏电池工作在峰值电压右侧，需要减小工作电压，从右侧向最大功率点靠近；
若△P=0，则说明光伏电池正处于最大功率点附近，于是保持工作电压不变即可。
这种控制方法思路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟踪，提高系统的利用效率。
但缺点是步长的选择不当，可能造成跟踪的速度太慢或是在最大功率点附近出现振荡现象，需要对其步长进行适当的选择。
（4）电导微增法
电导微增法也是一种最基本的MPPT算法之一，它通过太阳能电池P-V曲线的斜率dP／dY与输出电压、电流间的关系来达到判断MPPT的目的。
上图所示的电导微增法控制精确，响应速度比较快，在稳态时可以较好的跟踪到光伏阵列输出的最大功率点。
适宜用于外界环境变化较快的场合，但系统对硬件特别是传感器的精度要求较高，同时对单片机A／D转换的速度要求也较高，且仍然没有解决采样时间和a选取的问题。
电导微增法的原理是利用光伏方阵输出端的动态电导值（dI/dV）与此时的静态电导的负数（-I/V）相比较，以判断调节光伏方阵输出电压方向的一种MPPT方法。
它是依靠改变光伏方阵的输出电压来达到最大功率点，因此借助修改逻辑判断式来减少在最大功率点处的振荡现象，使其能快速适应气候条件的变化。
就理论而言，此方法的理论表达式是无可挑剔的。
但是缺点是控制算法较复杂，对控制系统要求较高，硬件实现难度较大。
定步长电导微增法所存在的问题
扰动观察法结构简单、被测参数少，而电导微增法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好。
但是这两种方法都存在着二个共同的缺点，即步长固定。
如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；
如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。
针对这一缺点本文给出了一种自适应变步长扰动法。
当距离最大功率点较远时，步长取大，速度加快；
当距离最大功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点；
当非常逼近最大功率点时，系统稳定在该点工作。
在一定的太阳辐照度下，太阳能电池的输出功率只与环境温度和端电压有关，因此在独立式光伏发电系统中，改变太阳能电池的工作点只能通过调整母线电容上的电压进行，即改变逆变电路的输出有功功率来进行调节。
在这里讨论的范围内，定步长MPPT方法就是以
固定步长修改逆变电路输出有功设定值（Pref）从而跟踪太阳能电池最大功率点的，这里选用的MPPT方法是跟踪性能较好的电导微增法。
其算法控制流程图在上图中已经给出。
该算法在功率环的每个控制周期检测和计算光伏阵列输出电压、电流和功率，根据电导增量判断方法决定最大功率点的跟踪方向。
确定跟踪方向后，算法以固定步长值修改逆变电路输出有功设定值（PREF），再将该功率设定值转换成逆变器输出电流幅值，通过脉宽调制方法生成PWM信号驱动开关器件，产生设定的输出电流。
独立式光伏发电系统中定步长电导微增法虽然具有较好的稳态特性，但是在太阳辐照度出现扰动的动态过程中往往会失效，甚至出现母线电压崩溃现象。
逆变输出有功的调整步长选取得不合适时也可能会引起同样的问题。
跟踪太阳能电池最大功率点的过程，就是不断调整逆变电路有功输出，从而使太阳能电池实际工作电压在最大功率点左右反复跟踪、调整的过程。
当太阳能电池工作电压大于最大功率点电压时，通过增加逆变电路输出功率使其降低；
当太阳能电池工作电压小于最大功率
点电压时，通过减小逆变电路输出功率使其增加。
但是，在后一种情况下，如果光照减弱，减小后的逆变输出功率仍大于太阳能电池的输出功率，就会导致母线电容电压即太阳能电池的工作电压进一步降低。
工作点由最大功率点向左移动时，太阳能电池输出功率进一步减
小，又导致母线电压下降，直到无法维持控制器设定的逆变输出电流，这就是母线电压崩溃过程。
下图就是仿真得到的当光强扰动时，导致的独立光伏发电系统母线电压崩溃过程波形。
从图中可以看到，太阳辐照度在某一时刻发生20％的阶跃下降，0．1s后恢复。
该扰动发生后，虽然根据电导微增法，系统通过判断得到了正确的跟踪方向，但由于功率环的控制周
期较长，而且每个控制周期调整输出功率的步长有限（步长太大可能导致系统振荡，并影响稳态下的跟踪精度），短时间内输出功率参考值会偏离并超出太阳能电池当前最大功率，引起母线电容电压持续下降。
工作点由最大功率点向左移动时，太阳能电池输出功率进一步
减小，又导致母线电压下降，直到无法维持控制器设定的逆变输出电流直至输出电流畸变。
母线电容输入和输出电流平衡后，母线电压才能达到稳定并再次缓慢跟踪上最大功率点。
太阳辐照度扰动引起的MPPT控制失效会严重影响光伏系统的效率和可靠性。
因此，必须在控制算法中加以考虑以防止这种情况的发生。
图.母线电压崩溃过程仿真波形
变步长自适应给定的最大功率点跟踪控制
针对独立式光伏发电系统中的母线电压崩溃现象，本文提出了一种新颖的改进MPFT方法，称为具有功率前馈控制的变步长自适应法。
这种算法的改进主要在于功率环的控制，改进后的算法实现了系统的高效、稳定运行。
变步长自适应给定算法
在扰动过程中，如果扰动步长大，跟踪最大电流点速度快，但有可能不能准确跟踪或者在最大功率点稳态附近有振荡情况，而这些振荡将减少光伏阵列能量转换效率。
如果步长变小，减小在最大点附近振荡，同时增大光伏阵列能量转换效率，则会导致响应速度变慢，当环境条件变化快时有可能偏离最大功率点。
因此，合理设置扰动步长对于跟踪最大功率点的快速、准确性有决定性作用。
为了避免上述情况，这里采用变步长自适应法。
在电流扰动过程中，电流扰动步长为△I，在每次循环时加到参考值上
Inf（k）=Inf（k一1）+α·
△I
式中，α为增加或减少敏感度的系数；
△I由下式确定
△I=K·
︳△Ppv︳／Ppv
△Ppv=Ppv（k）／Ppv（k-1）
式中，Ppv和Ppv（k-1）分别为当前和前一时刻光伏阵列的功率；
扰动方
向由K来决定，K的符号与P-W曲线斜率符号相反。
△I是基于光伏阵列功率变化△Ppv的，根据功率变化随时被自动调节。
扰动步长由△I和α来确定，α根据△Ppv的不同取不同的值，
0.15︳△Ppv︳﹥△Pm
α=0.03e＜︳△Ppv︳＜△Pm
0.2︳△Ppv︳＜＝e
式中，△Pm为设定的最大误差值，e为设定的较小误差值。
在稳态时，△Ppv→0，则△I→O，因此电流参考值Iref（k）保持在前一时刻的值，且有很小的变化。
因此系统稳定运行时，在功率最大点附近振荡是很小的。
控制结构及原理
系统中采用DC／DC变换器、蓄电池和逆变器的并联结构，由于蓄电池的钳位作用，DC／DC变换器的输出电压变化不大，姑且认为是恒定量，故调节DC／DC变换器的输出电流I即是调节光伏发电系统的输出功率P。
自适应给定的最大功率点跟踪控制的结构原理如图所示。
MPPT控制结构图
MPPT控制过程中，首先施加给定电流Inf的扰动量，然后检测Ipv，V"
的值，根据功率变化情况确定扰动方向，产生下一步的Iref，实现对给定电流的跟踪，如此循环往复，进而实现最大功率点的跟踪控制。
变步长白适应的控制算法中，在每个控制周期里，PREF的设定流程如下图所示。
其中△p为设定的太阳能电池输出功率跌落阈值，PI为输出功率设定值的修改步长，K为变步长系数，根据仿真结果，其值在2到4之间时可以使系统同时获得较好的稳态精度和动态性能。
算法流程图
但是，在太阳辐照度发生较大扰动或者阶跃变化时，用较大的步长减小PREF仍不能保证系统的稳定。
在新的算法中，系统在前端实时检测太阳能电池输出电压Upv和电流Ipv，计算得到其输出功率Ppv。
当检测到太阳能电池输出功率突然变小的情况时，则认为太阳辐照度
发生阶跃变化，系统跳出跟踪过程，参照这时的Ppv值来重新设定逆变输出功率Pref，使母线电容上输入输出电流基本平衡，这样就避免了母线电压崩溃现象。
采用仿真参数设置，应用新算法对独立光伏发电系统进行了仿真。
下图是光强发生下降阶跃情况下的仿真波形。
由图可知，采用新的算法后，由于控制系统实现了对太阳辐照度阶跃变化的准确检测，并快速地修正减小了的逆变输出功率参考值，从而避免了母线电压崩溃现象。
仿真表明，在太阳辐照度下降阶跃达到50％的情况下，系统变步长自适应算法仍具有较好的稳定性。
MPPT方法在光强下降阶跃情况的仿真波形
在研究经典的控制算法基础上，提出了一种具有功率前馈控制的变步长自适应MPPT方法。
实验结果表明，在变步长自适应算法的控制下，独立式光伏发电系统可以稳定、高效地追踪光伏阵列最大功率点。
同时，在太阳辐照度、环境温度等系统参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点，保持系统稳定，表现出很好的动态特性。
小结：
在太阳辐照度比较稳定或者只有较小扰动时，变步长的MPPT方法与定步长算法相似，都是通过增加或减少逆变电路的输出有功功率达到跟踪太阳能电池最大工作点的目的。
不同的是，变步长算法中增加或减少PREF时采用了不同的步长值。
增加情况下的步长小，减小情况下的步长大。
这样，当PREF超出当前太阳能电池最大功率时，系统能较快减小其值以保证母线电压不至于跌落太多，使光伏阵列始终工作在最大功率点附近，从而达到系统的稳定。
MPPT的其他改进方法
Fibonacci线性搜寻方法：
它的控制参数调节比较直观，相应速度比较迅速。
这种基于改进型Fibonacci线性搜索算法的光伏发电系统的MPPT技术能在非一致性日照条件下或同照急剧变化的情况下追踪最大功率点。
Fibonacci搜索算法经过改进以用于时变的P_V特性曲线。
当日照急剧变化时，一个新的初始化功能被引入来初始化搜索条件，并做一个大范围的搜索，从而得到实际最大功率。
基于Fibonacci算法的MPPT控制方法能在日照辐射发生变化时快速找到新的全局最大功率点。
而传统方法则会工作在局部最大功率点，所以本文提出的MPPT控制方法能有效提高光伏发电系统在日照辐射变化的环境中的能量转换效率，显著提高系统的利用效率，降低光伏发电的成本。
总结
本文对光伏发电的现状与前景及光伏发电的优缺点，光伏发电系统组成和分类以及太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪技术进行了初步的总结和研究，主要工作有：
1、介绍国内外光伏发电的现状和发展，对光伏发电的初步介绍
2、分析了光伏发电的基本工作原理、光伏发电的优缺点，并建立了太阳能电池的理想电路模型。
3、阐述了光伏发电系
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