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太阳能电池片功率计算公式
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光伏系统中最大功率点跟踪的研究
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1 引言　　　随着科学技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求量越来越多，而传统的化石能源日益枯竭，同时化石能源的过度开采严重破坏了生态环境，化石能源的利用严重污染着生活环境。能源短缺、环境污染是当今世界面临的两大问题，制约着人类经济和社会的发展。因此，开发利用清洁的可再生能源是全世界各国共同追求的目标。太阳能因其发电清洁环保，无噪声，取之不竭、用之不尽等特点受到世界各国的青睐。但目前，太阳能光伏发电系统仍存在部分问题，如光伏电池的转换效率低且其实际输出功率随日照强度、环境温度、阴、晴雨、雾等气象条件的变化而变化。因此，如何进一步提高光伏电池的转换效率，如何充分利用光伏电池所转换的能量，成为光伏系统研究的热点。那么将现有转换效率的光伏电池应用到光伏发电系统中，控制光伏电池瞬时的输出功率，使其在任何日照条件下都能工作在最大功率点，实现最大功率点的跟踪就变得尤为重要。2 光伏电池组件的特性　　光伏电池是利用硅等半导体的光伏效应通过pn结直接把太阳能转化为电能。在光伏发电系统中，单个光伏电池的输出功率太小，故常常将若干个光伏电池串联或并联后封装在一起，构成光伏电池组件。按照光伏系统所需功率及电压的大小，可以用多个组件按串、并联规则组合在一起，构成光伏阵列。　光伏电池组件的伏安特性曲线如图1所示。从伏安特性曲线可以看出，光伏电池的输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。图1所示的参数在标准状态（光伏电池组件表面温度25℃，光谱分布am1.5，辐射照度1000w/m2）下的含义如下：　　开路电压（uoc）：正负极间为开路状态时的电压；　　短路电流（isc）：正负极间为短路状态时的工作电流；　　最大输出工作电压（um）：输出功率最大时的工作电压；　　最大输出工作电流（im）：输出功率最大时的工作电流；　　最大输出功率（pm）：最大输出工作电压（um）×最大输出工作电流（im）。　　光伏电池组件的伏安特性强烈的随日照强度和较强烈的随电池温度的变化而变化。图2a）和图2b）分别是光伏阵列在日照1000w/m2时，不同温度下输出的伏安特性和伏瓦特性。由图2a）和图2b）可知，温度对光伏阵列的输出电流影响不大，短路电流随温度升高而略有增加，但对光伏阵列的开路电压影响较大，开路电压随温度升高近似线性地降低，因而对最大功率影响明显，见图2b）各实线的波峰幅值变化。图2c）和图2d）分别是光伏阵列在温度为25℃时，不同日照下表现出的伏安特性和伏瓦特性。图2c）和图2d）可知，光伏阵列的输出短路电流和最大功率点电流随日照强度的上升而增大，但日照的变化对光伏阵列的输出开路电压影响不大，其最大功率点的变化也不大，如图2d）虚线与各实线的交点所示。　由图2可知，光伏阵列的输出功率会随着日照强度和电池表面温度的改变而变化。这种变化使光伏电池的工作点一直向最大功率点跟踪变化，控制光伏电池产生最大功率，这种控制称为最大功率点跟踪（mppt：maximum power point tracking）控制。　　由光伏电池输出特性分析知道，温度主要影响光伏电池的输出电压，而光照度主要影响其输出电流。3 光伏阵列最大功率点跟踪的原理　　由于光伏阵列的伏瓦特性随着日照和温度改变而变化，因此要准确描绘某一条件下的光伏阵列的功率特性曲线，并将其用于mppt控制是很困难的。但不管光伏阵列的伏瓦特性曲线如何随外在因素变化，都具有如图3所示的大致形状。光伏阵列伏瓦特性的特征如下：　　（1）对应光伏阵列电压，光伏阵列输出功率的极值是唯一的，且该极值也是最大值；　　（2）在功率最大点两侧，伏瓦曲线是单调递增或单调递减的。　　3.2 最大功率点跟踪控制必须达到的控制目标　　光伏发电系统的最大功率点跟踪控制必须达到以下控制目标：　　（1）不需要事先确定精确的光伏电池伏瓦曲线；　　（2）mppt控制算法适用于任何不同配置的光伏阵列；　　（3）对于随机变化的天气，mppt控制要保证系统的稳定性；　　（4）日发电量最大。4 光伏阵列最大功率点跟踪的方法——扰动观察法　　最大功率点跟踪方法实质上是自寻优过程，主要包括固定电压法、扰动观察法、电导增量法 、间歇扫描法和智能控制法等，下面介绍扰动观察法。　　对于光伏发电系统的发电功能而言，能量的传递方向是由光伏阵列送给电网的，图4示出了光伏发电系统直流测的电流关系。其中，udc（n）—当前采样电压值，isp（n）—当前采样电流值，|△udc|—扰动电压步长，s—扰动方向，udc（n-1）—前一次电压值，p（n）—当前太阳电池功率计算值，p（n-1）—前一次计算的太阳电池功率值，△p—两次功率之差。　扰动观察法的工作原理就是借以周期性的改变负载大小来改变光伏电池的输出电压及功率，也就是改变光伏阵列的工作点，它通过观察比较和变动前后两次的输出功率和输出电压的大小来决定下个周期负载的变动是增加还是减少。该方法的具体操作是给输出电压一个扰动值，其方向可正（s=1），可负（s=-1），然后根据测出的电压电流值计算出太阳电池的输出功率p（n），然后将其与上一个测量值p（n-1）进行比较。若输出功率增大，说明扰动所加的方向有利于输出功率的提高，此后继续向这个方向施加扰动并继续观察，若施加的扰动使光伏阵列的输出功率减小，说明扰动的方向错误，则在下一次的扰动中使方向相反，如此不停的观察调整，以使光伏电池工作在最大功率点附近。扰动观察法的算法流程图如图5所示。　　扰动观察法的实现原理较为简单，容易实现，并且不用考虑温度或光照强度的变化，独立于系统使用环境，因此适应性较强。但是频繁的功率扰动使得系统多数时间只能工作在最大功率点附近，即使系统偶尔恰好工作在最大功率点，算法也会强制系统离开，所以扰动观察法的最大功率点跟踪效率并不是很高。而且采用这种控制策略的光伏系统的最大跟踪效率和跟踪速度取决于跟踪步长的大小。此外，这种控制方法也可能在光强变化的情况下或多电池板串并联时会产生最大功率点“误判”的情况，可能使最大功率点跟踪的扰动方向在一段时期内始终朝着一个方向，导致系统无法正常工作，或是最大功率点跟踪停留在多峰曲线的“假”最大功率点上。5 基于变换器输出电流控制的最大功率点跟踪的算法　　由第4节的扰动观测法可知，为了判断施加扰动量后光伏电池输出功率的变化情况，需要对光伏电池输出电压和输出电流进行采样并计算功率，以便根据功率变化情况决定施加扰动量的方向，以此进行最大功率点跟踪。与其它最大功率点跟踪法相比，扰动观测法具有算法简单、实现方便，受环境因素影响小等优点。但是扰动观测法需要对光伏电池输出电压和输出电流进行检测，而一般变换器（并网型逆变器或独立运行充电控制器）只在输出端装电流传感器，用其进行电流控制，这就需要额外的两个传感器，从而增加系统成本，另外，扰动观测法需要对采样结果进行功率计算（乘法运算），也增加了单片机的运算量。如果能够根据变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省去两个传感器，而且无需乘法运算，在继承扰动观测法算法简单、受环境因素影响小等优点的基础上，进一步降低系统成本，减轻单片机运算负担。变换器输出电流控制最大功率点跟踪法正是基于这点提出的。为了简化其工作原理的分析，先做两个假设：变换器自身功率损耗为零，即光伏电池输出功率等于变换器输出功率；负载两端电压（蓄电池电压或电网电压）恒定不变。　　式（4）为变换器输出电流控制最大功率点跟踪判断依据。变换器输出电流控制最大功率点跟踪调节过程类似于扰动观察法调节过程。变换器输出电流控制最大功率点跟踪算法流程图如图6所示。变换器输出电流控制最大功率点跟踪仅需一个电流传感器，根据负载电流大小直接进行扰动方向判断，不再需要对光伏电池输出电压和输出电流进行检测及功率计算，简化算法，降低成本。6 结束语　　基于变换器输出电流控制的最大功率点跟踪法是在扰动观测法的基础上，仅以变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪，不仅可以省去两个传感器，而且无需乘法运算，在继承扰动观测法优点的基础上，进一步降低系统成本，减轻单片机运算负担。基于变换器输出电流控制最大功率点跟踪法通过周期性检测并计算变换器输出电流的有效值，实时调节扰动方向，使得变换器输出电流有效值始终维持最大可输出电流，从而实现光伏阵列的最大功率输出。该方法控制简单，响应速度快，对传感器精度要求不高，在天气条件变化较快的场合也能达到很好的跟踪效果。本研究在光伏发电系统的开发和应用中具有重要的科学研究意义和现实意义。
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VIP公司推荐【干货】手把手教你如何计算及配置光伏离网发电系统
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【干货】手把手教你如何计算及配置光伏离网发电系统
很多用户以及刚接触光伏行业的人，不熟识如何计算及配置光伏发电系统该，因此也就无法给预算出准确的报价。本文通过实际应用案例，介绍了光伏离网发电系统的配置及计算方式。&01& 安装前必须了解的基本数据 &&首先要了解清楚用户电压相位，是单相AC 220V，还是三相AC 380V？这决定了逆变器的输出特性；其次是负载类型，是感性负载，还是阻性负载？这决定了逆变器带载功率和输出波形。第三是负载的满载运行时间，亦即我们说的每天平均用电量需要多少度？如果是光伏并网发电站，由于没有储能装置，只须配置合理的光伏组件的功率；如果是光伏离网发电系统，还必须计算蓄电池的容量，包括遭遇持续阴雨天没有光伏发电条件时，系统的自储备电量。02& 光伏离网发电案例 &我们以某湖泊小型养殖户光伏离网发电站为案例。由于远距离拉电，成本高，而且输电导线功率损失和电压损失很大，以及遭遇台风吹袭，造成用电不稳定，经常意外停电，影响生产及生活用电。为此，拟采用光伏离网发电，白天阳光辐射强度大，由光伏发电直接逆变输出，供电器工作，并同时对蓄电池进行充电，晚上由电瓶逆变输出。电压为AC220V 50Hz，电器设备主要包括：鱼塘泵氧机（300W）10台电视机+卫星接受器（200W）1套电饭煲（750W）1个电磁炉（2000W）1个电冰箱（100W）1个照明（100W）负载不是同时使用，泵氧机是白天在太阳照射的时候工作，晚上不工作；其他电器功率约3000W，每天用电量约10度，由于湖面光照充足，因此不考虑阴雨天的自储备电量。03& 光伏逆变器 &根据用户提供的上述数据，在本系统设计中，选用SAKO三科?&离网型光伏逆变一体机，功率为48V 6KVA，功率因素0.9，逆变转换效率＞88%，实际可带载功率达5000W，可满足用户的电器设备输出功率要求。04& 蓄电池容量 &该光伏离网发电系统采用的储能装置为常用的铅酸蓄电池，容量大，性价比高。电瓶的储备电量为10KWh，由于该光伏逆变器的直流输入电压为DC48V，由此计算出电瓶的理论容量：10000VAh/48V=208Ah根据蓄电池相关技术标准，电池的放电率以0.5C2较为经济合理，可保证电池的循环充放电次数，有效延长使用寿命。由于湖泊日照充足，白天光伏直接逆变输出，不用经过蓄电池重复放电程序，夜间电器用电量小，放电时间较短，因此本方案设计将电池放电率适当加大至0.6C2，因此，电瓶的实际容量计算：208Ah/0.6=347Ah这里取值400Ah，亦即总容量为：48V&400Ah铅酸蓄电池的规格为12V 200Ah/只，连接方式为4串4并，共需8只电瓶。05& 光伏组件功率 &&通过上述计算得出电瓶的配置容量后，再计算出光伏组件的功率配置。湖泊所处地理位置太阳辐射强度大，有效日照时间长达6小时。选用多晶硅光伏组件，光电转换效率达16%，符合国家能源局规定的标准。光伏发电计算公式为：系统发电量=光伏组件功率×日照时间×综合系数。综合系数是指温度变化、线路损耗、控制器（或逆变器）转换效率等因素造成的损耗系数，一般取值0.5-0.7，此次取值0.6，因此，光伏组件功率计算：48V×400Ah/（6h×0.6）=5333W组件的规格为36V 275W，尺寸为1900×980×45mm，面积约2平方米。连接方式为每2片（72V）串联为一组，然后10个组串再并联，一共需要光伏组件20片，总功率为72V 5500W，光伏组件阵列面积为40平米。06& 光伏防雷汇流箱 &&&光伏汇流箱的作用是为了减少光伏组件阵列与逆变器之间的连线。用户可以将一定数量、规格相同的光伏组件串联起来，组成光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入到光伏汇流防雷箱，在光伏防雷汇流箱内汇流后，通过直流断路器输出到逆变器。&湖泊属于雷电多发区域，孤立的棚屋及附近是树林很容易招致雷击，因此光伏发电站必须注意雷电对设备的冲击。在光伏汇流箱增加了直流高压防雷模块，可有效保护逆变器、交流配电柜以及其他电器的使用安全；同时，汇流箱内置大功率防反二极管，可有效避免夜间没有光伏的时候，电瓶对组件反向放电，烧毁组件。07& 光伏支架与电缆 &&光伏发电系统的辅件绝对少不了太阳能板支架，是将光伏组件固定，为减轻成本，用户也可以自行在现场定做支架，做到牢固以及防锈蚀措施。电缆是连接组件、逆变器、交流配电柜之间的导线，有一部分暴露在户外使用，长久在太阳暴晒及雨水冲刷，为保证系统正常运转，必须选用耐高温、耐氧化并具防紫外线的电缆线。电缆必须选用横截面大的粗铜芯实线，电阻小，减少因距离过远造成的电压下降，影响发电效率。& &来自：太阳能发电机
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太阳能光伏知识光伏电池最大功率跟踪算法的研究
光伏电池最大功率跟踪算法的研究
　　传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点，越来越多的国家开始实行&阳光计划&，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。因此，研究并网逆变器的设计有着广阔的前景和意义
　　1 引言
　　传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点，越来越多的国家开始实行&阳光计划&，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。因此，研究并网逆变器的设计有着广阔的前景和意义。限制光伏系统的主要因素有两点：⑴初期投资比较大；⑵太阳能光伏电池的转换效率低。目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右，即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%，因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要，所以长期以来都是学术界研究的热点。
　　2 光伏电池阵列特性分析
　　2.1 光伏电池的数学模型
　　光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制作而成的。所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出电子&空穴对，经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的I-V特性随日照强度S（W/㎡）和电池温度t（℃）而变化，即I=f（V,S,t）。根据电子学理论，当负载为纯电阻时，光伏电池的实际等效电路如图1所示。
图1 光伏电池等效电路
　　对应的I-V函数如下：
　　其中－二极管结电流（A），IL－光伏电流（A），I0－反向饱和电流（对于光伏单元而言，其数量级为10-4A），q-电子电荷（1.6&10-19C），K-玻耳兹曼常数（1.38&10-23J/K），T-绝对温度（T=t+273K），A-二极管品质因子（当T=330K时，约为2.80&0.152），Rs-串联电阻（为低阻值，小于1&O），Rsh－并联电阻（为高阻值，数量级为K&O）[1]。
　　2.2 光伏电池输出的最大功率点
　　当光伏阵列输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流变化很小，光伏阵列类似为一个恒流源；当电压超过一定的临界值继续上升时，电流急剧下降，此时的光伏阵列类似为一个恒压源[2]。光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。最大功率跟踪器的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里，通过改变光伏阵列所带的等效负载，调节光伏阵列的工作点，使光伏阵列工作在输出功率最大点。
图2 光伏电池电压/电流曲线和电压/功率曲线
　　3 最大功率跟踪控制算法
　　目前，常用的最大功率跟踪方法有恒定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法。其中，电导增量法的跟踪准确性最高，在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能，因此被广泛采用。电导增量法是通过比较光伏电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点的跟踪。
　　达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏电池阵列工作于最大功率点。在辐射强度和温度变化时，光伏电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化，且输出电压波动小[3]。
　　电导增量法通过设定一些很小的变化阈值，使光伏电池阵列稳定在最大功率点的邻域内，而不是围绕着最大功率点前后波动。当外界环境发生变化时，从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，而不会像扰动观察那样出现误判断。
　　图3中的U（k）、I（k）是检测到的光伏电池阵列当前电压、电流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的电压、电流采样值。
图3 电导增量法的控制流程图
　　光伏电池阵列与Boost电路相接时，假设外部负载仍为纯电阻负载，并忽略Boost电路本身阻抗的情况下，根据Boost电路的阻抗变换关系，容易得出Boost电路的等效输入阻抗为Req=(1－D)2R。 D为Boost电路的开关占空比，R为电阻性负载的阻抗。
图4 Boost电路的拓扑结构
　　对光伏电池阵列进行最大功率跟踪过程中，工作电压的控制是通过Boost升压电路完成的。当占空比D越大时，Boost电路的输入阻抗就越小，占空比D越小时，Boost电路的输入阻抗就越大。通过改变Boost电路的占空比D，使其等效输入阻抗与光伏输出阻抗相匹配，实现光伏电池的最大功率输出，这是采用Boost电路能够实现最大功率跟踪的理论依据。对于Boost电路的工作原理，本文不再赘述。
　　4 最大功率跟踪时的问题
　　采用电导增量法进行最大功率跟踪过程中，通过调节Boost电路的占空比来实现光伏电池阵列的工作点电压的控制，从而达到最大功率的跟踪。然而通过光伏电池的电压/电流曲线和电压/功率曲线可以看出，工作在恒压源区和恒流源区是改变相同步长的工作电压对光伏电池的输出功率改变是不同的。在恒流源区内，输出电流对工作电压的改变敏感度很低，而在恒压源区对电流的影响却是非常明显。为了能够更快、更精确的追踪到光伏电池的最大功率输出的工作电压电流，需要对跟踪的方法进行改进。
　　5 改进方法
　　根据相同工作电压变化量在恒压源区和恒流源区的不同影响效果，对两个区内电压变化的步长作适当调整，提高最大功率跟踪的效率。经过 测试 ，通常使用的光伏电池的最大功率点电压一般为其开路电压的（0.75-0.85）倍，所以恒流源区与恒压源区电压范围的比例关系大概是4:1。如果判断出当前光伏电池阵列工作于恒压源区时，其工作电压肯定大于最大功率点电压，要朝着减小工作电压的方向变化，取它的电压变化步长为△V；反之，如果判断出当前光伏电池阵列工作于恒流源区时，其工作电压肯定小于最大功率点电压，要朝着增大工作电压的方向变化。为了提高跟踪速度，取它的电压变化步长为4△V。
　　为了提高最大功率跟踪的精度，在一定的温度和光照强度时，当光伏电池的输出功率与当前条件下所能达到的最大功率接近到一定程度时，对它的跟踪步长△V进行调制，将△V适当变小，使其更精确的跟踪最大功率。在实际运行当中，光照强度突然发生变化瞬间，光伏电池两端的工作电压不会发生明显变化，相反，光伏电池的输出电流会发生瞬间的明显变化。根据这一特点来判断△V应采用大步长值△V2还是小步长值△V1。在系统控制参数的设计时，需要根据具体的光伏电池参数，来确定工作电流的变化量 的值作为判断标准。改进后的电导增量法流程图如图5所示。
图5 改进后的电导增量法流程
　　6 实验结果
　　由实验波形很容易看出，采用改进后的电导增量算法的光伏系统，在光照强度很稳定时，直流母线电压的波动非常小；当光照强度突然变化时，直流母线上的电压也非常稳定，电流迅速增大，保证光伏电池始终做最大的输出。
图6 光强突变时的母线电流和电压
　　7 结语
　　利用TMS320LF2407数字信号控制器作为主要控制芯片，采用改进的MPPT控制方式，该系统具有很好的动态响应和跟踪精度，具有跟踪光伏电池阵列最大功率点的功能，提高了系统的效率，充分利用了能源。
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