作者：赵争鸣,陈剑,等
出版社：电子工业出版社
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太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术试读：
前言
随着当今世界正迅速地从工业化社会向低碳化社会转化，发展绿色能源成为重大课题。太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成为全世界绿色能源组成中的重要部分。
高效应用太阳能是人们一直追求的目标，在整个光伏发电系统中，太阳光伏电池技术和光伏变换控制技术是两大支撑技术。最大功率点跟踪（MPPT）技术是高效光伏发电系统中的关键技术之一。提高MPPT技术是光伏发电逆变器应用过程中的重点和难点。因此，研究和应用最大功率点跟踪技术具有重要理论意义和实际应用价值。
清华大学电机工程与应用电子技术系自1999年开始了光伏发电变换技术的研究和应用，先后研究了光伏扬水和照明综合系统、太阳能光伏照明（节能灯、高压钠灯、LED灯等）、光伏并网发电系统等，解决部分并正在研究光伏发电中的一些关键性问题，特别在研究和应用光伏最大功率点跟踪技术方面取得了一些有意义的研究与应用成果。
MPPT技术是光伏发电中的一个通用综合性技术，涉及光伏阵列建模、优化技术、电力电子变换技术及现代控制技术等。人们在光伏发电应用中普遍采用MPPT技术，以求高效应用太阳能，但实际应用中仍然存在很多的问题，因此系统地总结MPPT技术应用很有必要。
正是基于这样的认识，我们尝试总结了多年来在太阳能光伏发电MPPT技术方面的应用体会，同时汇集了许多专家学者在这方面的研究成果，编著了本书。全书共分8章，第1章为概述，回顾了当前太阳能光伏发电领域的发展及光伏发电技术基础，概述了光伏发电系统MPPT技术的特征及存在的问题；第2章介绍了光伏电池模型、MPPT原理及其检测方法；第3章介绍了基于采样数据的直接MPPT控制方法，包括恒电压控制、干扰观测法和电导增量法等；第4章介绍了基于人工智能MPPT控制及其他相关MPPT方法，包括模糊逻辑控制法、神经元网络控制法和其他智能型MPPT方法；第5章着重分析主要MPPT方法的实现和比较，分析了温度对MPPT的影响；第6章介绍了一些有关MPPT的应用；第7章介绍基于物理跟踪的光伏系统MPPT；最后，作为面向光伏发电系统的应用，在第8章中介绍MPPT方法的发展及综合应用。
本书由赵争鸣编写第1、6、8章，陈剑编写第3、4、5章，孙晓瑛编写第2、7章，全书由赵争鸣负责统筹和定稿，孙晓瑛负责公式与符号校核。贺凡波为本书提供了重要的素材，在此特别表示感谢。本书部分内容是基于曾经在我们研究室工作和学习过的吴理博、陈昆仑、王健、周德佳、邓夷、冯博等的博士和硕士论文相关工作，还得到研究室其他老师和同学，如鲁思兆、田琦、雷一、尹璐、袁立强、鲁挺、胡仙来、葛俊杰、钟山和杨晟等的帮助和支持，在此一并表示感谢。另外，在编写本书的过程中，我们参阅了大量的论著文献，主要的已经列入本书后的参考文献，在此对这些论著文献的作者表示衷心感谢。
本书是在电子工业出版社的鼎立支持和帮助下完成的。另外，本书部分内容是在台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划重大项目（DREM200902）资助下完成的，如光伏阵列的仿真建模、MPPT控制方法的实验比较、大规模光伏阵列并网MPPT应用等，在此一并深表感谢。
本书可供从事电气工程与光伏发电的科技人员和有关科技管理人员参考。
由于作者水平有限，编写时间仓促，且光伏发电MPPT技术研究仍在研究发展之中，作者及其所在的研究室在这方面仅做了初步的工作，书中难免存在许多的不足，甚至是错误，恳请广大读者批评指正。
编著者
2011年10月于清华园第1章 概述
太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成为世界能源组成中的重要部分。图1.1所示为欧盟联合研究中心对21世纪世界能源使用结构的预测。从图中可见，到21世纪30年代，光伏发电比重将逐渐增加；到21世纪40年代，光伏发电比重将加速扩大；至21世纪50年代之后，光伏发电将成为世界能源主要组成部分。尽管该图显示的仅仅是一个预测，但充分显示了太阳能光伏发电开发利用的广阔前景。图1.1 欧盟联合研究中心对21世纪世界能源使用结构的预测图1.1 光伏发电应用
光伏发电最先始于1839年。当时，法国物理学家A.E.贝克勒（Becqurel）利用酸性水溶液和贵金属电极进行实验，意外地发现了“光生伏打效应”（photovoltaic effect）。1876年左右科学家们开始了固体光电器件的研究，这其中主要包括硒及硒的氧化物势垒中的光电导和光电效应。大约在1880年，光电导硒光伏电池开始了第一次商业应用。1954年，贝尔实验室研制出了第一块实用晶体硅光伏电池，太阳能转换为电能的实用光伏发电技术随之诞生，从此开辟了太阳能光伏发电应用的新时代。1.1.1 光伏发电系统分类及其市场
光伏发电系统发展到现在，主要有四种应用形式：户用离网系统、非户用离网系统、分布式并网系统和集中式并网系统。
户用离网系统主要为离大电网较远的用户提供照明、冷藏及其他一些简单家用电器的用电，以保证其日常生活需要。根据人们多年的实践经验，在年光照大于2500h的地区，当距离电网在25km以上时，常规电网供电成本大于光伏发电的成本。因此，该系统在电网不能覆盖的地区有较大的市场。
而非户用离网系统的应用比较广泛，一般用做通信、水泵、路灯及导航等设备的工业电源和商品电源。在地广人稀的地区，特别是光照充足的山区有着不可替代的作用。
分布式并网系统主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。这种系统占地少、安装灵活、投资门槛低。与离网系统相比，分布式并网系统可以最大化地提供功率，因为有电网电能支撑，基本上不用考虑负载特性，且可省去蓄电池，由此降低系统成本。在德国、日本、美国等提供上网电价补贴的发达国家，普通居民均可投资建设并获取利润。
集中式并网系统则主要指大型光伏并网电站，作为大电源直接向高压电网送电。因为需要大量土地，且成本较高，一般建于大漠之中，主要由政府部门出资建设。
图1.2所示为典型的光伏并网发电系统示意图，它主要由光伏电池（太阳能电池）、光伏逆变器及电网构成。光伏电池将太阳光能转变为直流电能，光伏逆变器将直流电能变换为可控的交流电能，电网则将交流电能输送到具体用户。图1.2 光伏并网发电系统示意图
近十年来，光伏并网发电系统发展迅速。图1.3显示了截至2008年全球光伏系统的累计安装量。其中，四种光伏发电系统的市场份额如图1.4所示。可以看到，并网系统，特别是分布式并网系统，以大部分的市场份额已经毫无争议地占据了市场的主导地位。这主要是由于欧美等发达国家通过政策鼓励居民投资屋顶并网发电系统。而在非洲、亚洲等发展中国家，由于电网覆盖面积有限，所以在初级阶段主要发展离网型发电系统。在全球市场上，光伏并网发电系统在全部光伏系统容量中占到了90%左右。图1.3 全球光伏系统累计安装量
2009年全球光伏系统装机总容量（并网+离网）约为6.43GW，如图1.5所示，尽管当年全球处于金融危机的形势下，仍比2008年增长约10%。全球光伏市场的总营业额高达380亿美元。其中欧洲光伏装机容量为4.75GW，占全球需求的74%，前三名分别是德国、意大利和捷克，共计4.07GW。同时，美国和日本在2009年的光伏装机容量均超过485MW，比2008年增长了36%。图1.4 四种光伏发电系统的市场份额图1.5 2009年全球光伏系统装机容量
2008年全球光伏并网系统装机总容量约为5.8GW，各国所占份额如图1.6所示。对比2009年的数据排名可以发现，德国、美国和日本是光伏应用发展比较平稳的国家，而西班牙、意大利、捷克等国家，由于其光伏政策的摇摆，光伏应用市场大起大落。
另外，全球光伏市场中的光伏电池组件产量呈迅猛发展的趋势。图1.7所示为截至2008年全球光伏市场中的光伏电池组件产量情况。图1.6 2000—2008年全球光伏并网系统装机总容量图1.7 2008年全球光伏市场光伏电池组件产量
根据欧盟的预测，2008—2015年全球光伏电池组件计划产能增长如图1.8所示，至2012年，全球产能将达到54GW。其中，中国占32%，欧洲占20%，日本占12%。
可见，中国作为世界工厂，在太阳能光伏产业，特别是光伏电池组件生产行业中，已经占有重要地位。中国的太阳能光伏产业在21世纪初期迅速崛起，但太阳能光伏应用市场与光伏电池制造业的成长并不平衡，主要表现在：
① 中国已是世界光伏电池三大生产国之一，2008年产能为2.4GW，占世界产能的32%，见图1.8。
② 从2004年到2009年，中国光伏发电装机总容量增加了15倍，但光伏发电装机总容量，即使在 2009年仍仅为 160 MW（如图 1.9所示），只占世界装机总容量（6.54GW）的2.4%。图1.8 全球光伏电池组件计划产能增长
为推动国内的光伏应用市场，中国政府推出了一系列政策。《国家能源发展规划》规定了2010—2020年重点发展领域为：采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决偏远地区无电村和无电户的供电问题；在现代化水平较高的大中型城市建设屋顶太阳能并网光伏发电设施；建设较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电站。《中华人民共和国可再生能源法》及其实施细则确定了发展光伏的三条主要原则：全额收购可再生能源并网发电项目的上网电量；上网电价按照成本加合理利润的原则确定；上网电价的差额在全网中分摊。借鉴国外发达国家的经验，这些政策将极大地推动我国国内光伏产业的发展。中国的太阳能光伏发电与欧洲等国家“分散开发、低电压就地接入”的发展方式不同，呈现出“以大规模集中开发、中高压接入”与“分散开发、低电压就地接入”并举的发展特征。可以预见，中国及其全球的太阳能光伏发电的市场前景非常可观。图1.9 2004—2009年中国光伏系统装机容量1.1.2 光伏发电技术
光伏发电技术是光伏发电系统的基础。在整个光伏发电系统中，光伏电池技术和光伏变换控制技术是其两大支撑技术。
1.光伏电池
光伏电池是太阳能发电核心部件。通常的光伏电池是以半导体P-N结受太阳光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转化为电能的能量转换器。常用的光伏电池有单晶硅、多晶硅、薄膜晶体硅和薄膜化合物等多种类型。工业上使用最为广泛的主要是以下几类半导体材料构成的光伏电池：单晶硅、多晶硅、非晶硅、铜铟锡（CIS）、铜铟镓锡（CIGS）。它们的外观如图1.10所示。图1.10 主要的光伏电池外观
光伏电池的典型输出特性如图1.11所示。由图可见，当输出电压较小时，光伏电池近似为恒流源；当输出电压较大时，光伏电池近似为恒压源。而且，光伏电池的输出功率在某点处达到最大值，称为最大功率点（Maximum Power Point，MPP）。对于光伏发电系统来说，光伏电池往往是成本比重最大的部件，因此总希望光伏电池能尽可能地输出最大功率，而相应的提高功率输出的控制方法被称为光伏电池的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）策略。本书在以后的章节中，将详细分析各种MPPT方法的原理及其应用。图1.11 光伏电池的典型输出特性
光伏电池在应用上需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。目前，光伏电池的发展仍在围绕解决这两个问题进行。
按照光伏电池发展年代来划分，可以将目前已有的光伏电池划分为以下几类。
① 第一代光伏电池包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池等。它们的生产技术已经成熟，但消耗硅材料及能源。多晶硅具有稳定的转换效率，性价比最高，是目前竞相开发的重点。
② 第二代光伏电池主要为薄膜晶体硅光伏电池，将很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上。该工艺减少了硅材料的消耗，降低了成本。相比于单晶、多晶硅光伏电池，其转换效率较低，寿命较短。
③ 第三代光伏电池为超薄型以及化合物光伏电池。其效率高、成本低、弱光性好，如CIGS等。人们看好这类光伏电池，有可能会很快应用于市场。
目前，薄膜光伏电池的产量在增加。图1.12所示为2007—2011年晶硅光伏电池与薄膜光伏电池发展的趋势图。由图可见，薄膜光伏电池在光伏电池中的应用量在逐步增加。图1.12 2007—2011年光伏电池发展的趋势图
光伏电池的生产和研制仍处在动态发展中，可以预见，在不久的将来，更多种类的性能优良、性价比高的光伏电池将得到推广应用。
2.光伏变换控制技术
光伏变换控制技术是另一类光伏发电的支撑技术。光伏变换控制技术主要包括电力电子逆变器及其组合、并网控制及其安全保护等技术。其功率主电路分类如图1.13所示。图1.13 光伏并网逆变器功率主电路分类
主电路拓扑结构包括逆变器的拓扑结构和逆变器的组合方式。主电路拓扑结构形式多样，并且仍在不断发展之中，新型拓扑结构层出不穷，是光伏发电系统中的研究热点之一。
主电路拓扑结构设计的主要考虑因素有成本、可靠性、安全性、变换效率、模块化等。
从逆变器直流侧储能元件看，逆变器分为电压源逆变器和电流源逆变器，二者具有对偶关系。电压源型逆变器以电容作为储能元件，电流源型逆变器以电感作为储能元件。目前对电压源逆变器的应用研究较多。图1.14所示为典型逆变器主电路拓扑。当然还有其他拓扑形式的逆变器主电路结构，如Z源逆变器，其升压和逆变全由一个逆变桥完成。图1.14 典型逆变器主电路拓扑
从交流输出看，逆变器分为单相输出型和三相输出型。常见的单相逆变器的拓扑结构有全桥式和半桥式。当输出同样电压等级时，全桥式逆变器需要的主开关管多，但电压等级低；半桥式逆变器需要的主开关管少，但电压等级高。三相逆变器可以由三个独立的单相逆变器组成，也可以由一个三相逆变桥构成。
从功率变换级数看，光伏逆变器分为单级式（无DC/DC变换环节，如图1.15（a）所示）和双级式（有DC/DC变换环节，如图1.15（b）所示）。单级式光伏逆变器主电路仅由一个DC/AC逆变器构成。DC/AC逆变器负责交流电流控制和直流电压控制，并同时进行MPPT；双级式光伏逆变器由DC/DC变换器和DC/AC逆变器组成。DC/AC逆变器负责交流电流控制和母线电压控制。一般来讲，DC/DC逆变器负责光伏电池电压控制和MPPT。图1.15 不同功率变换级数的光伏逆变器
从变压器的使用来看，光伏逆变器分为有变压器和无变压器两类。变压器的作用是升压和隔离。含变压器的光伏逆变器根据变压器的位置不同又有多种方案，如图1.16所示。其中，图（a）为在逆变输出侧直接使用工频变压器；图（b）为采用先DC/AC再AC/AC的方案，将高频变压器置于DC/AC逆变器和AC/AC逆变器之间；图（c）采用高频变压器构成隔离式DC/DC变换器，其后再接DC/AC逆变器。图1.16 含变压器的光伏逆变器
对于无变压器的光伏逆变器，通常输入和输出不能同时接地，但也有一些特殊设计的拓扑，可实现输入、输出同时接地，但需增加抑制共模噪声措施，如图1.17所示。图1.17 输入、输出可同时接地的无变压器式光伏逆变器
在构建光伏系统时，逆变器可以有多种组合方式，常见的有集中式、组串式、多组串式、集成式等，如图1.18所示。图1.18 光伏系统中逆变器的组合方式
① 集中式。将光伏电池串并组合在一起，通过一个端口接到光伏逆变器，将光伏电池发出的直流电集中逆变到交流电网。
② 组串式。将光伏电池串联，构成若干组串，分别接到多个光伏逆变器。
③ 多组串式。将光伏电池串联，构成若干组串，分别接到多个DC/DC逆变器，然后由一个DC/AC逆变器逆变为交流电。
④ 集成式。逆变器直接与光伏电池组件集成在一起，具有高度的灵活性和多重式。
图1.19所示为一种多重叠加拓扑，输出多电平，有利于降低谐波，适用于大型光伏系统。图1.19 多重叠加技术
对于大型光伏电站，群组工作模式是一种较好的方案，如图1.20所示。当光照较图1.20 光伏逆变器群组
弱时，将各光伏电池组串并联，以达到一定的功率，根据功率大小起动相应数量的逆变器，以求小功率时达到良好的输出电流质量和系统效率；当光照较强时，以多组串方式运行，每台逆变器带一个组串，以实现更好的最大功率点跟踪。
另外一种光伏并网系统的通用组合方式如图1.21所示。该拓扑覆盖了多种组合形式，如多组串式和多重式等。图1.21 光伏系统的通用组合方式
一种柔性光伏并网系统构成方式如图1.22所示，具有以下特点。
① 高度模块化。扩展性强，可以用来构建从小型到大型的光伏系统。
② 多功能。除基本的并网发电、最大功率点跟踪外，还可以根据需要配备储能装置，对电力系统提供有功、无功支持等功能。
③ 高故障容错性。可以对局部故障进行隔离，并利用冗余，减小局部故障时的功率损失。
④ 可变组合方式。可实现群组工作方式，有利于实现全工作范
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