维普资讯 http://www.cqvip.com 节能技术・ ・低压电器（２００８№１２） 现代建筑电气篇 太阳能光伏发电系统中的 控制技术研究 张志强， 马琴， 程大章 ２０００９２） （同济大学社区信息化与智能建筑研究中心，上海摘要：阐述了光伏发电系统的组成及工作原理。针对光伏发电的控制要求，从 张志强（１９８２一）， 男，硕士研究生，研 多个角度对现行控制技术的优缺点进行了比较，最后对相关控制技术的发展趋势和前 景作了展望。 关键词：绿色能源；太阳能；光伏电池；光伏发电；最大功率点跟踪 中图分类号：ＴＭ７：ＴＫ５１４文献标识码：Ａ文章编号：１００１—５５３１（２００８）１２－００５５— ０４ 究方向为智能控制 理论与智能建筑。 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｉｑｉａｎｇ，Ｍａ Ｑｉｎ，Ｃｈｅｎｇ Ｄａｚｈａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｍｉｔｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｔ ｆｉｒｓｔ． Ｔｈｅｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ’Ｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’Ｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｓｐｅｃｔｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅｅｎ ｅｎｅｒｇｙ；ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅＨ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ０ 引 言 太阳能属于可再生绿色能源，可以说是“取 之不尽，用之不竭”。太阳能光伏发电技术利用 作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出 现正、负电荷的积累，即产生光生电压。若在内建 电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光 生电流流过，获得功率输出。这样，太阳的光能就 变成可以被利用的电能。 １．１光伏发电系统的组成 半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转 换为电能，被认为是当今世界上最具发展前景的 新能源技术。 太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方 阵、控制器、逆变器和蓄电池组构成。各部分的功 能如下： １ 光伏发电系统原理 太阳能光伏发电系统的核心部件是太阳能电 池，又称光伏电池。其发电原理是“光生伏打效 应”，即当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸 收光能，产生光生电子一空穴对，在电池内建电场 （１）太阳能电池方阵。太阳能电池直接将太 阳光转换成直流电，是光伏发电系统的最基本单 元。在金属支架上用导线连在一起的多个太阳能 电池组合成太阳能电池方阵，由其产生所需要的 马琴（１９８４一），女，硕士研究生，研究方向为智能建筑的系统集成管理。 程大章（１９５１一），男，教授，研究方向为智能控制与城市信息化。 ５５— 一维普资讯 http://www.cqvip.com
低压电器（２ｏ０８№１２）现代建筑电气篇 ・节能技术・ 电压和电流。 统的输出电压与电网电压在频率、相位、幅值上保 持一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调 节。这涉及到功率因数校正、大功率变换以及高 稳定性系统等技术问题。 （２）控制器。控制器通过对系统输入、输出 功率的调节与分配，实现对蓄电池电压的调整。 （３）逆变器。逆变器是将直流电转换成交流 电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电 源，因此当为交流负载时，需要由逆变器将直流电 源变换为５０ Ｈｚ的交流电流。 （４）蓄电池组。由于日照的不恒定性，在光 ３ 光伏发电系统中的控制解决方案 ３．１最大功率点跟踪 光伏电池的工作受日照强度和环境温度的影 响，输出功率有很大的波动，因此光伏电池本身是 一伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着存 储和调节作用。它将直流电能转换为化学能存储 起来，需要时再把化学能转换为电能释放出来供 负载使用。 １．２光伏发电系统的分类 太阳能光伏发电系统可分为系统、并网 种波动范围很大的电源。图１所示为某温度下 典型多晶硅太阳能电池板的输出电压一电流特性 曲线和输出电压一功率特性曲线。 系统和混合系统３大类。系统是将入射的太 阳能直接转换为电能，不与公共电网连接；并网系 统是指与交流电网连接的光伏发电系统；混合系 统则兼有两种以上能源类型。 ２ 光伏发电系统的控制要求 光伏发电系统的控制主要体现在对充电器和 逆变器的控制上。由于光伏并网发电系统包含光 伏系统的功能，因此以光伏并网发电系统为 例分析其控制技术。 （ａ）输出电压～电流特性曲线 光伏系统的技术性能指标有太阳能电池 额定功率、蓄电池额定容量、逆变器输出电压、频 率范围及电流总谐波畸变率、太阳能光伏发电系 统的总效率（包括电池组件的ＰＶ转换率、控制器 的效率、蓄电池的效率、逆变器的效率）等。 在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态。 白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还 要给负载供电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。 由图１可见，太阳能电池输出电压与电流成 （ｂ）输出电压～功率特性曲线 图１ 典型太阳能电池板的输出特性曲线 因此，要求蓄电池的自放电小、深放电能力强、充 电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽等。 另外，在充放电控制技术中，还应包括短路保护、 击穿保护、反向放电保护等保护功能。 光伏并网发电系统并网控制的关键和难点在 非线性关系，其输出功率随着日照与环境温度而 变化，因此，需要根据太阳能电池所能产生的电能 自动调节输出功率，使其与负载相配合以达到最 大的功率转换效率。找到光伏方阵的最大功率点 后，可以有效地提高光伏方阵的利用率。 光伏方阵最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）的原理是：通过检测光伏方 于如何维持太阳能电池的最大功率输出，同时又 能够达到低谐波失真的输出电流同步控制，因此 是一项如何将功率变换器的动态性能、系统干扰、 输出波形失真综合考虑的系统控制技术。 阵在不同工作点下的输出功率，经过比较寻优，找 到光伏方阵在确定日照和温度条件下输出最大功 在光伏并网发电系统中，必须保证使发电系 一率时对应的工作电压。 ５６一 维普资讯 http://www.cqvip.com ・节能技术・ 低压电器（２ｏｏ８№１２） 现代建筑电气篇 目前，主要的控制算法有恒压跟踪法（ＣＶＴ）、 爬山法（扰动观察法）、爬山改进法、增量电导法 （Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）、自适应算法。 ３．２光伏发电系统的储能及其充放电控制 控制器要完成光伏电池最大输出功率的跟 踪，使其一直处于最大功率输出，有效地防止蓄电 光伏并网发电系统将太阳能电池产生的功率 直接转换为市电并入电网，采用了一个与电网电 压同步的电流型脉宽调制逆变器（ＰＷＭ Ｉｎｖｅｒｔ－ ｅｒ），用以降低馈入电流对电网产生的电力谐波。 馈入电网电流波形的总谐波失真越低越好，而且 必须兼顾最大功率转换控制与输出电流同步波形 池过充电和深度放电，并使蓄电池使用达到最佳 状态。 充电控制模块性能取决于其电压外环检测的 精确度。一般的在线式电压检测方法主要是在充 电过程中不断地对蓄电池的端电压进行检测。当 蓄电池的端电压大于某个限定值时，就视为已充 满，停止太阳电池向蓄电池充电。由于蓄电池的 工作机理，充电时的蓄电池端电压可达限定值，但 停止充电后，则端电压下降，实际上并未充足。因 而，这种方法无法完全满足蓄电池的充电特性，造 成在提高蓄电池充电器的整体效能以及蓄电池寿 命方面的瓶颈。采用一种新的离线式检测，使一 个太阳电池对多个蓄电池模块轮换进行充电，每 个蓄电池的端压在充电电路断开后都有足够的时 间恢复正常，使测得电压值能更加准确地反映蓄 电池容量。 在原有电路的基础上加上放电自锁功能，增 加下限自锁电路等。增加放电自锁功能，禁止蓄 电池对负载进行小电流放电，避免蓄电池深度放 电，从而保护蓄电池。自锁电路的原理是：利用集 成运算放大电路的电压深度正反馈特性，当下限 电压比较电路有信号送入下限自锁电路后，电压 深度正反馈将集成运算放大电路输出端电位锁定 不变，使放电开关保持关闭状态，即保持切断负载 状态。当蓄电池充满电后，触发集成运算放大电 路输入端，使其退出电压深度正反馈，从而改变集 成运算放大电路输出端电位，放电开关被重新打 开，负载得到供电。 在光伏系统中，太阳电池的输出、蓄电池的负 载及蓄电池的自放电均为不确定量，因此也可采 用模糊控制方法。 ３．３光伏发电系统并网控制 太阳光伏发电系统要并入电网，其输出的交 流电电压、频率不仅应与电网相同，其相位也必须 与电网一致，即要求同步。这需要通过逆变器来 完成。 控制，因而这是一个复杂的非线性控制问题。 逆变器工作原理图如图２所示。 交流输出 图２逆变器工作原理 并网逆变器采用双环（电压外环、电流内环） 控制模式，即外环电压环以理想的正弦波为参考 电压，采样到的输出电压与参考电压比较作为ＰＩ 调节器输入，同时ＰＩ调节器的输出作为内环电流 环的参考值。该电流参考值与反馈电流比较，作 为电流Ｐ调节器的输入，同时引入了参考电压前 馈。在此基础上结合同步锁相控制可得到另一种 控制策略，如图３所示。 ｌ乜流幅值给定厂———］ ｌ乜漉跟踪环 ：电网过零点 ｌ 外 曩制 — 糸玩Ｉ Ｉ：：：＿二＝：二ｌ：ｌ Ｌ……一■ ……一ｌⅧｌ参考 助电 漉 ｌ 电网过零点厂——］ 一船 ｌ广内— —］ ｌ Ｉｌ电流： Ｉ ｌ 图３同步锁相控制框图 内环控制系统采用基于并网电流的瞬时值反 馈，用于电流的实时跟踪。附加外环的目的是为 了消除由于单独采用内环控制存在的原理性误 差。外环控制系统的工作原理是：在电网过零点 到来时，通过幅、相检测器分别检测并网电流的幅 值和相位，经ＰＩ调节后产生辅助参考电流以补偿 只用单环控制产生的幅值和相位误差。辅助参考 电流信号与同步锁相环产生的主参考电流信号相 加后作为内环的参考电流，即由外环与内环的共 一５７— 维普资讯 http://www.cqvip.com
低压电器（２０ｏ８№１２）现代建筑电气篇 同作用来保证并网电流对主参考电流的无差跟 踪。电网电压过零点是同步锁相环和外环相位控 制环的同步源，提供产生正弦信号的基准点。在 基于ＤＳＰ的实现中，过零点的产生就是将电网电 压转换成方波信号后，捕捉方波信号的下降沿。 下降沿引发的中断作为ＳＰＷＭ波的基准。同步 锁相环用于产生与电网电压同步的主参考电流信 号，相当于一个基准正弦波发生器。 由于逆变器直接与电网并联，因此必须有完 备的保护措施。当电网断电时，逆变器若持续发 电，会形成一个孤立的发电系统（即孤岛），此时 负载变化可能会造成电力不稳定与逆变器的损 坏。由于逆变器持续供电，使相连的电网处于上 电状态，还可能对维修人员造成危险，因此逆变器 必须具备自动侦测功能，并且一旦处于孤立发电 状态应立即将逆变器脱离电网，以保护相关的设 备与人员。 孤岛效应侦测技术主要是侦测光伏发电系统 输出电压因电网失效所导致的改变，一般可分成 被动式和主动式两类。被动式检测技术利用保护 电路、电压谐波检测和急剧相位偏移等监测电网 状态（如电压、频率）作为判断电网是否出现故障 的依据。主动检测法则是由电力转换器产生一个 干扰信号，观察电网是否受到影响以作为判断依 据。电网可视为一个容量无穷大的电压源，具体 检测方式有输出电力变动、加入电感或电容器、自 动频率偏移等。 当太阳能供电系统的供电量与电网的负载需 求量平衡或差异很小时，电网的配电开关跳闸后， 并网系统附近电网上的电压及频率的变动量将不 足以被保护电路检狈０到，还是会有孤岛效应的产 生。虽然出现这种情况的概率并不高，但必须防 止发生。此时，可以采用并网输出电流变动的方 式来检测电网断电情况。 此外，光伏并网发电系统也可能因应用需要， 需结合其他监控与通信技术。总之，所有的控制 技术都是为了提高光电转换效率，提高系统的利 用效率和性能，保证系统的正常运行。 ４ 光伏发电系统控制技术展望 ４．１光伏发电产业的发展 目前，中国太阳能光伏电池生产成本已大幅 一５８一 ・节能技术・ 下降，这对国内太阳能光伏发电产业走向壮大与 成熟起到了决定性作用，对实现与国际光伏市场 的接轨具有重要意义。 但与发达国家相比，我国的光伏发电技术及 其产业还需做好以下工作： （１）进一步降低太阳光伏组件的价格，提高 光电转换效率。 （２）进一步提高逆变电器的性能指标，提高 转换效率和降低畸变系数。 （３）太阳光伏组件应多样化，以满足建筑物 设计要求。 （４）使屋顶并网光伏发电系统的光伏组件与 建筑物设计融为一体，特别是与建筑物节能设计 和改造结合起来，做到既美观大方，又经济实用。 （５）和有关部门应对并网光伏发电给予 更多支持，收购光伏发电系统多余的电量。 ４．２光伏发电系统控制技术的发展 由于最大功率跟踪是提高光伏发电系统效率 的核心问题，因此会出现跟踪效率高、实现简单、 更可靠、可行的功率跟踪算法。 孤岛效应侦测技术主要向两个方向发展，一 是侦测指标研究，定义更为有效的测量参数，作为 判断电网断电的依据，其中包括电压、频率、相位、 波形失真、阻抗比变化等；二是判断方法的改善， 在评定断电的侦测指标不断增加时，如何有效判 定断电的发生就成为一个复杂的问题。以经验法 为基础的智能控制方法，例如模糊逻辑、神经网 络、灰色理论可应用于孤岛效应侦测。 在某些情况下，需要光伏方阵自动跟踪太阳 的位置以始终保持较高的有效辐射面积，可采用 传感器和太阳运行轨迹时间函数相结合来进行太 阳位置的准确定位和跟踪。 ５ 结 语 太阳能光伏发电技术被认为是当今世界最具 发展前景的新能源技术。控制技术作为服务于光 伏发电系统中的技术手段，必然会随着光伏组件 及电子技术和计算机等技术的发展而不断更新、 优化。如何找到最佳的控制策略以最大限度地发 挥光伏发电系统的优越性始终是评价控制技术的 出发点和标准。 （下转第６２页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
低压电器（２ｏｏ８№１２）现代建筑电气篇 ｒ｝ｒＬ ｒＬ ・节能技术・ ｒＬ ｒｌ ● １』２ ３ ４ ］ｊ５ ］ｊ６ ］＿７ ］Ｊ 者的夹角越大，变频时工况点位于高效区的范围 越广，节能的效益越高；如果两者的夹角较小，表 【参考文献】 丘传忻．泵站节能技术［Ｍ］．北京：水利出版社， １９８５． 明变频的范围较窄，节能的效益有限；如果不足以 抵消变频装置的耗能，采用变频装置将不能起到 节能的作用。 目前，变频装置已被广泛采用，但注重节能效 益产生的同时，也不能忽视附带的因素。由于变 频装置对温度、电源、接地、防雷等环境条件要求 ［２］ 张燕宾．变频供水的节能分析与近似计算［Ｊ］．自 动化博览，２０００，１７（６）：２６—２７． ［３］ 佟纯厚．近代交流调速［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社．１９８５． 收稿日期：２００８－０６—１７ 较高，因此必须同步实施相应配套措施，使其发挥 最佳效益。 【参考文献】 傅定文．光伏控制器的应用和发展［Ｊ］．阳光能源， ２００３（４）：１３—１８． ［８］ 孙超，陈有素．模糊控制在光伏系统充电控制中的 应用［Ｊ］．太阳能学报，２００２，２３（５）：５３８—５４２． ［９］ 史云鹏．光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探 讨［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（１）：８６—８９． ［１０］ 邹新京．光伏发电系统检测标准介绍［Ｊ］．太 阳能，２００６（４）：３８—３９． 李进国，金新民．小功率光伏并网逆变器控制系统 的设计［Ｊ］．电源技术应用，２００２，５（１２）：４１４４． 崔岩，蔡炳煌．太阳能光伏系统ＭＰＰＴ控制算法的 对比研究［Ｊ］．太阳能学报，２００６，２７（６）：５３５—５３９． 候聪玲，吴捷．太阳电池充电器中的自适应算法 ［Ｊ］．太阳能，２００４（１）：ｌ８一ｌ９． 岳新苗，吴捷，张先勇．一种新型的最大功率跟踪 实现方法在太阳能充电器中的应用［Ｃ］／／全国电 工理论与新技术学术年会论文集，２００５． 雷元超，陈春根．光伏电源最大功率点跟踪控制方 法研究［Ｊ］．电工电能新技术，２００４，２３（３）：７６—８０． 赵争鸣．太阳能光伏发电及其应用［Ｍ］．北京：科 学出版社，２００５． ［１２］ 王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ］． 北京：化学工业出版社，２００５． ［１３］ Ｓａｌａｍｅｈ，ＴＡＹＬＯＲ Ｄ．Ｓｔｅｐ—Ｕｐ Ｍａｘｉｍｕｍ ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃ．，１９９０，４４（１）：５７－６１． ［１４］ Ｈｕａ Ｃｈｉｈｃ Ｈｉａｎｇ，Ｌｉｎ Ｊｏｎｇｒｏｎｇ，Ｓｈｅｎ Ｃｈｉｈｍｉｎｇ．Ｉｍ— ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＤＳＰ—Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ 张兴，张崇巍，曹仁贤．光伏并网逆变器非线性控 制策略的研究［Ｊ］．太阳能学报，２００２，２３（６）：７７０— ７７３． ｗｉｔｈ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，４５（１）：９９—１０７． 收稿日期：２００７—１１—２Ｏ 《瓴石电器》下半月刊现代建筑电气篇 《循石电Ｉ器》的成长离不开广大作者、读者的大力支持，在这里我们杂志社全体工作人员向广 大读者、作者致以崇高的敬意，同时真诚希望相关领域的专家、学者、各大专院校师生和用户积极向 本杂志社投稿。稿件一经被录用，本杂志社将向作者支付一定稿酬。 【主要栏目设置】 研究与分析、楼宇自动化、智能小区、智能家居、建筑节能、工程设计、消防与安防、综合布线技 术、照明控制，、供配电、电气安全、电能质量、电磁兼容、防雷与接地、产品介绍、信息之窗等。 投稿信箱：ｉｂｕｉｉｄｉｎｇ＠ｓｅａｒｉ．ｃｏｒｎ．ｃａ 一６２—
