環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能

環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能目 錄第1章 太陽能發(fā)電 11.1 概述 1111光伏電池/組件/陣列的結(jié)構(gòu)11.2用于光伏電池的半導(dǎo)體材料11.3主動式和被動式太陽能系統(tǒng)

…………………1…………………3…………………51.1.4太陽能系統(tǒng)部件 51.2 光伏系統(tǒng)的I-V特性 63 光伏模型和等效電路 93.1單二極管和雙二極管模型 91.3.2無并聯(lián)電阻的單二極管模型 101.3.3無電阻的單二極管模型 111.3.4在額定工況和標(biāo)準(zhǔn)工況下的光伏模型性能 121.3.5輻照度和溫度對光伏特性的影響 141.4 太陽跟蹤系統(tǒng) 145 MPPT技術(shù) 205.1基于增量電導(dǎo)的MPPT技術(shù) 201.5.2基于擾動觀察法的MPPT 221.5.3基于線性化I-V特性的MPPT控制器 23154基于比例開路電壓的MPPT155基于比例短路電流的MPPT156基于模糊邏輯控制的MPPT

…………………24…………………26…………………261.5.7基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT 281.5.8基于紋波相關(guān)控制的MPPT 291.5.9基于電流掃描的MPPT 311.5.10基于直流母線電容下降控制的MPPT 321.6 光伏電池的遮蔽效應(yīng) 337 光伏系統(tǒng)的電力電子接口 38目 錄 Ⅸ7.1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力電子接口 381.7.2獨(dú)立光伏系統(tǒng)的電力電子接口 578 獨(dú)立光伏應(yīng)用的光伏板和電池組規(guī)格選擇 641.8.1日照時間 651.8.2負(fù)載計(jì)算 651.8.3維持天數(shù) 651.8.4太陽輻照 658.5光伏陣列規(guī)格選擇 669 現(xiàn)代太陽能應(yīng)用 691.9.1住宅設(shè)備 699.2電動汽車應(yīng)用 789.3海洋船舶應(yīng)用 831.9.4空間應(yīng)用 851.10 小結(jié) 91參考文獻(xiàn) 91第2章 風(fēng)能發(fā)

……………………982.1 概述 982.2 風(fēng) 983 采集風(fēng)能的歷史 1012.4 風(fēng)能采集基礎(chǔ)設(shè)施 102241242

………………102………………1042.5 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng) 1082.5.1風(fēng)力機(jī)的基本部件 1082.6 風(fēng)力機(jī) 1102.6.1基于軸位置的風(fēng)力機(jī)分類 1102.6.2基于功率容量的風(fēng)力機(jī)分類 1102.7 不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1112.7.1無刷直流發(fā)電機(jī) 1122.7.2永磁同步發(fā)電機(jī) 119273感應(yīng)電機(jī)28

…………………128…………………1472.9 風(fēng)能采集研發(fā) 1512.9.1控制系統(tǒng)研發(fā) 1512.9.2發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)研發(fā) 153Ⅹ 環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能9.3輸電與并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研發(fā) 1542.10 小結(jié) 154參考文獻(xiàn) 154第3章 潮汐能發(fā)電 1613.1 概述 1611.1潮汐能發(fā)電歷史 1623.1.2潮汐能的物理原理 1633.2 潮汐能及其相應(yīng)的發(fā)電技術(shù)分類 1663.2.1勢能 1673.2.2潮汐壩法 1673.2.3潮汐瀉湖的概念 1693.2.4潮汐壩內(nèi)使用的潮汐水輪機(jī) 17133 水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的控制331水輪機(jī)管道動力學(xué)建模

……………………174……………………1753.3.2水輪機(jī)控制 1773.3.3動能 1803.4 潮汐能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 1933.4.13.4.2

……………………193……………………1993.4.3水輪機(jī)優(yōu)化運(yùn)行原理 1993.4.4MPPT 2003.4.5基于P&O的MPPT方法 2023.5 潮汐能應(yīng)用的并網(wǎng)接口 2053.5.1潮汐水輪機(jī)應(yīng)用的并網(wǎng)接口 2053.5.2使用潮汐湖結(jié)構(gòu)的潮汐能發(fā)電并網(wǎng)和同步 20936 7

……………………210……………………2113.7.1泥沙沉積物 2123.7.2魚類 2123.7.3鹽度 2123.8 小結(jié) 212參考文獻(xiàn) 212第4章 海洋波浪能發(fā)電 2151 海洋波浪能發(fā)電概述 215目 錄 Ⅺ4.2 波浪能 2174.3 波浪能發(fā)電技術(shù) 218431海上能源發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)432近岸能源發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

……………………219……………………2244.3.3波浪能吸能器 2264.3.4波浪能渦輪機(jī)類型 2284.3.5波浪能發(fā)電機(jī) 2404.3.6用于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的不同發(fā)電機(jī)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 27344 441振蕩水柱

…………………281…………………2824.4.2Pelamis 2824.4.3WaveDragon 2854.4.4AWS 2874.4.5WaveStarEnergy 2884.4.6磁流體動力波浪能轉(zhuǎn)換器 2895 未來的波浪能 2904.6 小結(jié) 290參考文獻(xiàn) 291第5章 海洋熱能發(fā)電 2965.1 歷史 2982 OTEC分類 2995.2.1閉式循環(huán)OTEC系統(tǒng) 2995.3 閉式循環(huán)OTEC系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸 3035.3.1流體工質(zhì)及其潛在的泄漏 3035.3.2OTEC系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)換 3055.3.3開式循環(huán)OTEC系統(tǒng) 3055.3.4混合循環(huán)OTEC系統(tǒng) 3075.4 OTEC系統(tǒng)的組件 3085.4.15.4.25.4.3

……………………308……………………309……………………3125.4.4真空閃蒸器 3155.5 OTEC發(fā)電站的控制 3165.6 汽輪機(jī)的控制 3195.7 潛在資源 325Ⅻ 環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能5.8 OTEC系統(tǒng)的綜合利用 327581582

…………………327…………………3275.8.3空調(diào) 3275.8.4礦產(chǎn)開采 3285.9 對環(huán)境的影響 3285.10 小結(jié) 329參考文獻(xiàn) 329第1章 太陽能發(fā)電11 概述太陽能是近年來備受關(guān)注的最為重要的可再生能源之一。太陽能資源豐富，相對于其他能源來說，它具有最大的可獲得性。太陽在一天內(nèi)為地球提供的能源總量足以滿足地球一整年的總能源需求[1]。太陽能是一種清潔的零排放能源，因?yàn)樗粫a(chǎn)生對自然有害的污染物或者其他副產(chǎn)品。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能具有廣闊的應(yīng)用前景，住宅、汽車、航空航天以及船舶是太陽能應(yīng)用的主要領(lǐng)域。古代文明已經(jīng)將太陽光作為能量來源，使用“燃燒鏡”來點(diǎn)火燒毀敵人的軍艦。直到18世紀(jì)，太陽能還僅僅用于供暖和照明。19世紀(jì)，歐洲人開始建造太陽能溫室和大棚。在19世紀(jì)后期，法國科學(xué)家已經(jīng)利用太陽能集熱器采集的熱量來驅(qū)動蒸汽機(jī)。1882年，巴黎出現(xiàn)了以太陽能蒸汽機(jī)為動力的印刷機(jī)[2]。瑞典籍美國發(fā)明家約翰·愛立信（hnEn）研制了一款高效率太陽能熱空氣發(fā)動機(jī)這些太陽能驅(qū)動的發(fā)動機(jī)被用在了船舶上[3。第一個太陽能鍋爐是由被稱為現(xiàn)代太陽能之父的查爾斯·格里利（Chsy）博士發(fā)明的[4]。查爾斯·弗里茨（Chss）在1883年發(fā)明了第一個能工作的太陽電池[5]。構(gòu)建這些原型系統(tǒng)使用了硒，從而實(shí)現(xiàn)了大約1的轉(zhuǎn)換效率?？栁摹じ焕眨–al-nur）、達(dá)里爾·蔡平（lChpn）與杰拉爾德·皮爾遜（dn）等研究人員在1954年研制出來了硅太陽電池，該成就是在拉塞爾·奧爾（Russelhl）20世紀(jì)0年代的基礎(chǔ)性工作之上取得的[6]。這一突破性進(jìn)展標(biāo)志著發(fā)電領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變化。2050年代研發(fā)的太陽電池，6提10[7，不過由于太陽電池成本很高（300美元/W），其商業(yè)應(yīng)用僅限于那些新奇物品[6。1.1.1 光伏電池/組件/陣列的結(jié)構(gòu)光伏（PV）電池將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，這就是被稱為光電效應(yīng)的物理過程。照射在光伏電池上的光線，可能被反射、吸收或是透射過去，不過只有被吸收的光才能產(chǎn)生電能。被吸收光的能量轉(zhuǎn)移到光伏電池原子中的電子上，這些電子藉由新獲得的能量，從它們在半導(dǎo)體光伏材料原子中的正常位置逃逸出來，并成為電路中電流的一部分。太陽電池具有一種被稱為“內(nèi)建電場”的特殊電性能，能為驅(qū)動電流通過燈泡之類的外部“負(fù)載”提供所需的動力或者電壓[8]。為了在光伏電池內(nèi)部誘導(dǎo)出內(nèi)建電場，可以將兩種不同的半導(dǎo)體材料層相互接PAGE2PAGE2環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能第第1章 太陽能發(fā)電 PAGE11觸放置：一層是一個帶有大量電子的“n型”半導(dǎo)體，電子帶有一個負(fù)電荷；另一層是帶有大量空穴的“p型”半導(dǎo)體，空穴帶有一個正電荷。雖然這兩種材料都是電中性的，n型硅具有多余的電子，而p型硅則具有多余的空穴。將這些夾在一起就在交界處產(chǎn)生了一個p-n結(jié)，這樣就形成了一個電場。圖1.1所示為光伏電池的p-n結(jié)。n型層p-n結(jié)耗盡層p型層背接觸圖1.1太陽電池的p-n結(jié)當(dāng)n型硅和p型硅相互接觸時，n型硅一側(cè)多余的電子就會漂移到p型硅一側(cè)。結(jié)果正電荷就積累在界面處n型一側(cè)，負(fù)電荷積累在界面處p型一側(cè)。這兩個半導(dǎo)體作用就像一個電池一樣，在它們接觸的表面形成了一個電場，稱為p-n結(jié)。這是電子和空穴流動的結(jié)果，電場驅(qū)動電子從半導(dǎo)體向負(fù)表面移動，以攜帶電流。與此同時，空穴沿著相反方向，朝向正表面，它們在那里等待電子進(jìn)入[8]。另外還需要額外的結(jié)構(gòu)和元器件將直流電（DC）轉(zhuǎn)換成交流電（AC）有些系統(tǒng)還儲存了一些電能，這些電能通常儲存在電池之中，以備將來使用。所有這些都是稱為平衡系統(tǒng)”（BOS）的組件[9。將BOS組件與各個光伏組件組合在一起，就可以構(gòu)建一個完整的光伏系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常用于滿足特定的能源需求，比如為一臺水泵、家用電器或者照明供電。圖1.2所示為單個電池、由單個電池組成的一個組件以及由組件組成的一個陣列。一個光伏或者太陽電池是光伏（或者太陽電能）系統(tǒng)的基本構(gòu)建塊。單個光伏電池通常都非常小，功率通常為1W或者2W左右[9]。為了提高光伏電池的輸出圖1.2太陽電池、組件和陣列a）太陽電池b）組件c）陣列功率，必須將它們連接起來形成更大的單元，也就是所謂的組件。同樣，也可以將這些組件連接起來形成更大的單元，也就是所謂的陣列，這些陣列又可以連接起來產(chǎn)生更大的功率。將這些電池或者組件串聯(lián)起來，可以提高輸出電壓。另一方面，又可以將這些電池或者組件并聯(lián)起來，從而達(dá)到更高的輸出電流。根據(jù)太陽光采集方法的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為兩大類：平板系統(tǒng)和聚光系統(tǒng)[9]。平板光伏系統(tǒng)直接獲取太陽光，或者使用環(huán)境中散射的太陽光。它們可以固定安裝使用，或者與太陽跟蹤系統(tǒng)組合在一起使用。而聚光系統(tǒng)則是采集了大量的太陽光，使用透鏡和反射器將這些太陽光聚集并聚焦到光伏電池板上。這些系統(tǒng)可以減少所需電池的大小及數(shù)量，同時又提高了輸出功率。此外，通過集中太陽能光源，還能夠提高光伏電池的效率。12 用于光伏電池的半導(dǎo)體材料光伏器件可以使用多種半導(dǎo)體材料制成，它們可以存放或者排列在不同的結(jié)構(gòu)中[10]?？捎糜谔栯姵氐娜N主要材料類型是硅、多晶薄膜和單晶薄膜[11]：第一類材料是硅，它可以有各種形式，包括單晶、多晶和非晶等；第二類材料是多晶薄膜，特別是銅銦硒三元化合物（CIS）、碲化鎘（CdTe）和薄膜硅等；第三類材料是單晶薄膜，主要是用于砷化鎵（GaAs）電池的制作[10，12]。硅（i）包括單晶硅、多晶硅和非晶硅。最早用來制造光伏器件的硅，現(xiàn)在仍然是最為常用的太陽電池材料[13。硅也是在地球地殼中儲量第二豐富的元素，僅次于氧[13。不過，要想成為太陽電池可用的半導(dǎo)體材料，必須將硅的純度提純到99.999%[23]。在單晶硅中，分子結(jié)構(gòu)（也就是材料中原子的排列）是一致的，因?yàn)檎麄€結(jié)構(gòu)生長自相同的晶體。這種一致性是通過材料高效傳輸電子的理想選擇。為了制造高效的光伏電池，硅必須“摻入”其他元素，使之成為n型或者p型[14]。相反，半結(jié)晶硅則由幾個較小的晶體或者顆粒組成，從而引入了邊界。這些邊界阻礙了電子的流動，并鼓勵它們與空穴結(jié)合，從而降低了太陽電池的輸出功率。半結(jié)晶硅比單晶硅的生產(chǎn)成本要低得多。因此，研究人員正在研究其他方法，以盡量減小晶界的影響[14]。多晶薄膜包括CIS、CdTe和薄膜硅。對光伏產(chǎn)業(yè)具有至關(guān)重要影響的計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的另一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)是薄膜技術(shù)?！氨∧ぁ币辉~來源于沉積膜的方法，而不是膜的薄度：薄膜電池沉積在非常薄的原子、分子或者離子的連續(xù)層上。薄膜電池與厚膜”電池相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，它們使用的材料更少：電池的作1～10μm厚，而厚膜通常達(dá)100～300μm厚。薄膜電池的制造通?？梢圆捎么竺娣e工藝，這種工藝可以實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)。最后，它們可以沉積在軟性基片材料之上[15。單晶薄膜包括砷化鎵這類高效材料。砷化鎵是一種化合物半導(dǎo)體：鎵和砷兩種元素的混合物。鎵是其他金屬（特別是鋁和鋅）冶煉的副產(chǎn)品，它比黃金更為稀有。砷并不罕見，但它是有毒的[15]。幾乎是在開發(fā)用于發(fā)光二極管、激光器以及使用光的其他電子器件的同時，砷化鎵也被開發(fā)用于太陽電池。砷化鎵特別適用于多結(jié)太陽電池和高效太陽電池的理由如下：①砷化鎵的帶隙為1.43V，幾乎是單結(jié)太陽電池的理想之選。②砷化鎵具有很高的吸收率，因此一個電池只需要幾微米的厚度來吸收太陽光（結(jié)晶硅需要100μm或者更厚）[15]。③與硅電池不同，砷化鎵電池對熱相對不敏感。砷化鎵電池溫度通?？梢韵喈?dāng)高，尤其在選礦廠（Concentrator）中應(yīng)用時更是如此。④由砷化鎵和鋁、磷、銻、銦等制成的合金具有與砷化鎵互補(bǔ)的特性，使得電池設(shè)計(jì)具有極大的靈活性。⑤砷化鎵具有很強(qiáng)的抗輻照損傷性。這一點(diǎn)連同其高效性，使得砷化鎵非常適合于太空應(yīng)用。砷化鎵及其合金作為光伏電池材料最重要的優(yōu)勢之一是，它能夠滿足范圍廣泛的設(shè)計(jì)要求。砷化鎵基電池的各層組分可以略有不同，這樣一來，電池設(shè)計(jì)人員就可以精確地控制電子和空穴的產(chǎn)生和收集[15]。通過這種程度的控制，電池設(shè)計(jì)人員可以使電池效率逼近理論水平。例如，最常見的一種砷化鎵電池結(jié)構(gòu)中就有一個鋁砷化鎵制成的非常薄的窗口層。采用這種薄層結(jié)構(gòu)可以在靠近“結(jié)”電場處創(chuàng)建電子和空穴[15]。1.13 主動式和被動式太陽能系統(tǒng)太陽能系統(tǒng)一般分為兩大類：被動式系統(tǒng)和主動式系統(tǒng)[67]。被動式太陽能系統(tǒng)，不依賴面板系統(tǒng)或者其他運(yùn)動機(jī)制來產(chǎn)生能量。被動式系統(tǒng)利用非機(jī)械式技術(shù)來控制捕獲的日照量，并將這種能量配送成各種有用的形式，如供暖、照明、冷卻和通風(fēng)等。這些技術(shù)包括選擇具有良好熱性能的材料來吸收和儲存能量、設(shè)計(jì)能夠自然循環(huán)空氣以傳遞能量的空間、為建筑物的位置提供向陽參考以提高能源捕獲等。在某些情況下，被動式太陽能裝置可以用移動部件來構(gòu)成，其特點(diǎn)在于這種運(yùn)動是自動的，并且由太陽能直接驅(qū)動。這些系統(tǒng)可作供暖和照明之用，這就意味著太陽能不僅要用于供暖和照明，同時還要用于太陽跟蹤系統(tǒng)的驅(qū)動。主動式太陽能系統(tǒng)通常涉及電氣和機(jī)械部件，比如跟蹤機(jī)構(gòu)、泵、風(fēng)扇以捕獲陽光，并將其轉(zhuǎn)換成供暖、照明、電能等各種可用的形式。面板被調(diào)整成最大限度地曝露在陽光下。依靠這些系統(tǒng)，面板就可以將太陽光轉(zhuǎn)化成電能，而這種電能又從直流電變換成交流電，并儲存在電池之中，或者是輸給本地公共電網(wǎng)。主動式系統(tǒng)不僅成本更高，而且更加復(fù)雜。1.14 太陽能系統(tǒng)部件圖1.3所示為太陽能系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。這個系統(tǒng)通過光伏陣列來捕獲陽光。太陽跟蹤系統(tǒng)使用光敏二極管或者光電式傳感器，并確定太陽跟蹤電動機(jī)的方位。因此可以跟蹤太陽位置每日和季節(jié)性的變化，以便實(shí)現(xiàn)直接面向太陽，并最大限度地捕捉可用陽光。光伏面板的輸出連接到一個DC-DC變換器，以便工作在所需的電流或者電壓之上，進(jìn)而與來自光伏組件的最大可用功率相匹配。這個MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）DC-DC變換器之后是用于并網(wǎng)供電或者交流負(fù)載供電的DC-AC逆變器。一個電池組可以與系統(tǒng)的直流母線相連接，為夜間或者陰天可能無法使用的光伏組件提供額外的電力。電池組也可以在光伏組件產(chǎn)生的能量供大于求時將能量儲存起來。如圖1.3所示，太陽能系統(tǒng)由若干組件構(gòu)成。若干光伏組件串聯(lián)或者并聯(lián)起來，連接方式取決于光伏陣列的電壓和電能的需求。光伏陣列朝向太陽的方向可以通過位置電動機(jī)來控制，實(shí)現(xiàn)面板的水平與（或）垂直運(yùn)動。太陽跟蹤系統(tǒng)采集來自太陽傳感器或者光敏二極管的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，以此來確定電動機(jī)的方位，使得對著太陽的光伏陣列處于最佳光照位置。這種位置檢測和調(diào)整與機(jī)械功率點(diǎn)跟太陽輻射太陽輻射電網(wǎng)或者家用交流負(fù)載C逆變器C變換器P)C變換器可選)太陽跟蹤系統(tǒng)光敏二極管或傳感器電池組電動機(jī)位置控制器圖1.3太陽能系統(tǒng)蹤技術(shù)相類似[18]。另一方面，由于光伏陣列的電壓—電流和電流—功率特性，電氣最大功率點(diǎn)（MPP）會根據(jù)工作電流和電壓而有所不同。因此，需要使用一個電氣最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）系統(tǒng)來使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)上。這可以通過一個DC-DC變換器來完成。由于光伏陣列產(chǎn)生的功率與負(fù)載的功率需求可能不相匹配，會使用一個電池組來補(bǔ)償這些失配的情況。當(dāng)光伏陣列的可用功率大于所需的功率時，可以使用這種電池組作為能源緩沖器來儲存能量。反之，當(dāng)太陽能的功率供給低于所需的負(fù)載功率時，也可以使用這些電池組的放電以滿足持續(xù)的負(fù)載需求。電池可以接成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)所需的零部件，控制復(fù)雜性、靈活性，電池尺寸、數(shù)量和成本的不同，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互有優(yōu)劣。最后，直流母線的功率應(yīng)變換為交流功率，用以并網(wǎng)或者滿足獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)的交流負(fù)載的功率需求。并網(wǎng)也可以用于從公共電網(wǎng)中“抽取”功率，或者向公共電網(wǎng)“輸入”功率，以此來利用額外的功率或者是在公共電網(wǎng)高峰期使用電網(wǎng)功率來對電池進(jìn)行充電。2 IV特性電流—電壓（I-V）曲線通過如下方式獲得：將光伏電池曝露在恒定光照水平之下，同時令電池溫度保持恒定，改變負(fù)載電阻，并測量產(chǎn)生的電流。I-V曲線通常會典型地經(jīng)過以下兩點(diǎn)：短路電流（ISC）：ISC是在光伏電池正負(fù)極短路、正負(fù)極端子之間電壓為零時產(chǎn)生的電流，這相當(dāng)于零負(fù)載電阻工況。開路電壓（VOC）：VOC是開路條件下的電路正負(fù)極兩端的電壓，此時電流為零，這相當(dāng)于無窮大負(fù)載電阻工況。光伏電池可以在較寬的電壓和電流范圍內(nèi)工作。通過將負(fù)載電阻從零（短路）改變至無窮大（開路），就能夠確定電池的MPP。IV曲線上，當(dāng)電流和電壓之積最大時，會出現(xiàn)最大功率點(diǎn)（Pm）。短路電流無電壓或者開路電壓無電流時，沒有功率產(chǎn)生。因此，MPP介于這兩點(diǎn)之間。最大功率產(chǎn)生于曲線的膝”部。這一點(diǎn)代表將太陽光轉(zhuǎn)換成電能的太陽能設(shè)備的最大效率[19。一個光伏系統(tǒng)由許多串聯(lián)和并聯(lián)的光伏電池組成，用以提供所需的輸出端電壓和電流。這個光伏系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性I-V特性[20]。有多種模型可供光伏系統(tǒng)的I-V特性建模使用。Masoum等人介紹了一種適用于硅太陽能光伏電池板的模型：光伏電池等效模型，它表征了式（1.1）所描述的光伏系統(tǒng)的動態(tài)非線性I-V特性。光伏系統(tǒng)的輸出電壓特性可以表示為光伏輸出電壓公式中使用的參數(shù)如下：α理想或者完全因子；I0光伏電池反向飽和電流（A）；IPV光伏電池的輸出電流（A）；ISC電池短路電流（代表隔離水平）（A）；k玻耳茲曼常數(shù)（.380×0-3J/K）；MV電壓因子；Np并聯(lián)的串?dāng)?shù)；Ns每串串聯(lián)的電池?cái)?shù)；q電子電荷（-1.602×10-9C）；Rs光伏電池的串聯(lián)電阻（Ω）；T光伏電池的溫度（K）；VMP對應(yīng)于最大功率的光伏電池電壓（V）；VOC開路電壓（V）；VPV光伏電池端電壓（V）。

（1.1）使用光伏輸出公式，根據(jù)不同的短路電流值，可以得到光伏陣列的I-V特性（Np=30，Ns=112），如圖1.4所示。利用I-V曲線，可以得到電流-功率曲線，如圖1.5所示。圖1.6a表示了在電壓增加的情況下，串聯(lián)電池的電流如何保持不變。同時，在相同的電壓下，并聯(lián)電池的電流則會增加，如圖1.6b所示。VAV對應(yīng)不同VAV圖1.4不同短路電流ISC時的光伏電池I-V曲線CVACVAW圖1.5不同短路電流ISC時的光伏電池I-P曲線圖1.6兩個相同的電池的串聯(lián)與并聯(lián)a）串聯(lián)b）并聯(lián)13 光伏模型和等效電路1.31 單二極管和雙二極管模型一個光伏模型可以通過圖1.7所示的等效電路來表示。這種模型也稱為單二極管模型。圖1.7太陽電池等效電路的單二極管模型在這個模型中，開路電壓和短路電流是關(guān)鍵參數(shù)。短路電流取決于照明情況，而開路電壓則會受到材料和溫度的影響。在這個模型中，VT為溫度電壓，表示為VTkT/q，25257mV。這個模型的理想化因子α1～5之間變化。這個模型的定義公式為該太陽電池的I-V特性也可以定義為[21]式中 IPH—光電流（A）；ID二極管電流（A）；Rs串聯(lián)電阻；Rp并聯(lián)電阻。

（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）光伏電池的另外一種模型是雙二極管模型，如圖1.8所示。在雙二極管模型中，提供了額外的自由度，以求得到更高的精度。不過，在光伏領(lǐng)域中，第一個模型獲得了廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗阋员碚鞴夥匦院蛣恿W(xué)特性。雙二極管模型雖然精度更高，卻因其較為復(fù)雜而未得到廣泛應(yīng)用。PAGEPAGE10 環(huán)境能源發(fā)電：太陽能、風(fēng)能和海洋能第第1章 太陽能發(fā)電 PAGE11圖1.8雙二極管模型1.32 無并聯(lián)電阻的單二極管模型一般來說，單二極管模型的并聯(lián)電阻阻值會大到足以類似于一個開路。因此，忽略這種電阻并不會顯著地犧牲該模型的精度。一個太陽電池通常由一個等效二極管模型來表示，如圖1.9所示[22]。圖1.9單個太陽電池模型凈輸出電流IPV是光電流IPH和正常的二極管電流ID之間的差值：（1.6）對于這個模型來說，建議將正常工況下的理想化因子α設(shè)置為1.3。在實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，可以確定α值，以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際光伏特性的最佳匹配。對于不同的應(yīng)用和工況，此值一般在1～2之間取值。圖1.10所示為特定環(huán)境輻照度Ga、某固定電池溫度TC下的太陽電池I-V特性。如果該電池的端子連接到一個可變電阻R上，工作點(diǎn)應(yīng)由太陽電池的I-V特性和負(fù)載的I-V特性曲線的交點(diǎn)來確定（見圖1.10）。對于電阻性負(fù)載，負(fù)載特性是一個斜率為I/V=1/R的直線。應(yīng)該指出的是，提供給負(fù)載的功率取決于負(fù)載的電阻值。不過，如果負(fù)載電阻小，電池工作在曲線的MN區(qū)，此時的電池可作為一個恒定電流源，幾乎等于短路電流。另一方面，如果負(fù)載電阻大，電池工作在曲線的PS區(qū)，此時的電池更類似于一個恒定電壓源，幾乎等于開路電壓。對于這種單二極管模型來說，太陽電池的特性可以通過短路電流、開路電壓、圖1.10一個太陽電池的典型I-V曲線最大功率和最大效率等基本參數(shù)來描述。通過令輸出電流為零，可以求得開路電壓為最大效率為最大功率和入射光功率之比：式中 Ga—環(huán)境輻照度；A電池的面積。填充因子（F）是可以提供給負(fù)載的最大功率與ISC和VOC之積的比：

（1.7）（1.8）（1.9）07該因子是測量實(shí)際I-V特性的一種手段。如果電池狀態(tài)良好07若干電池可以連接起來形成一個組件。一個電池組件的I-V關(guān)系可以表示為式（1.10）。在這個公式中，符號M是指組件變量（組件電壓和電流）和任意工況下的光伏組件電流：式中 ISC—組件的短路電流，ISC=NpISC；VOC—組件的開路電壓，VOC=NsVOC；

（1.10）1.3.

RS組件的等效串聯(lián)電阻，RS=Ns/NpRS。無電阻的單二極管模型為了簡化起見，串聯(lián)輸出電阻也可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗闹低ǔ：苄?。通過這種方式，就可以用圖1.11所示的簡化等效電路和給定的公式來表示一個光伏電池。圖1.11太陽電池等效電路在電池組件結(jié)構(gòu)中，無電阻的單二極管模型的數(shù)學(xué)模型可以表示如下：因此

（1.11）（1.12）在這個模型中，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻都被忽略了。輻照度的變化會導(dǎo)致光伏陣列的工作溫度變化，不過這種影響在該模型中可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗淖兓室绕渌挠绊懸蛩芈芏郲22]。1.34 在額定工況和標(biāo)準(zhǔn)工況下的光伏模型性能實(shí)際上，一個組件或者其他光伏器件的性能可以通過將其曝露在已知工況下來確定。制造商所提供的組件特性通常是在特殊工況下確定的，比如說在額定工況或者標(biāo)準(zhǔn)工況下，見表1.1。表1.1光伏系統(tǒng)的額定工況和標(biāo)準(zhǔn)工況額定工況標(biāo)準(zhǔn)工況輻照度：Ga，ref=800W/m2輻照度：Ga，0=1000W/m2環(huán)境溫度：Ta，ref=0℃電池溫度：TC=5℃風(fēng)速：1m/s在標(biāo)準(zhǔn)工況下需要測量以下參數(shù)：1）組件的短路電流TSC0；組件的開路電壓VOC0；組件的最大功率Pmax0。在額定工況下，可得到以下參數(shù)：1）環(huán)境輻照度Ga，ref；環(huán)境溫度Ta，ref；電池溫度Tref。光伏組件的電流可以使用表1.2所示的步驟，在某些特定的工作點(diǎn)（VM、Ta和Ga）下測量。該算法步驟如下：光伏制造商的產(chǎn)品目錄提供了有關(guān)組件的標(biāo)準(zhǔn)工況的信息：①最大功率Pmax0；②短路電流ISC0；③開路電壓VOC0；NSM；NPM。標(biāo)準(zhǔn)工況下的電池?cái)?shù)據(jù)：Pmax0、VOC0、ISC0和RS，見表1.1。在給定工況（VM、Ta和Ga）下，可以確定電池的特性參數(shù)。因此，可以計(jì)算得出與輻照度Ga成正比的短路電流ISC：表1.2在特定工作點(diǎn)的光伏組件電流的確定第1步—標(biāo)準(zhǔn)工況的組件數(shù)據(jù)Pmax0，ISC0，VOC0，NSM，NPM第2步—標(biāo)準(zhǔn)工況的電池參數(shù)Pmax0=Pmax0/（NSMNPM）VOC0=POC0/NISC0=ISC0/NPMVt0=TC/evOC0=VOC0/Vt0F=（VOC0-n（vOC0+.2））/（vOC0+1）F0=Pmax0/（VOC0IOC0）rS=1-FF/FF0RS=rSVOC0/ISC0第3步—運(yùn)行工況的電池參數(shù)（VM、Ta和Ga）C1=ISC0/Ga0ISC=C1GaTC=Ta+C2GaVOC=VOC0+C3（TC-TC）Vt=k（73+TC）/e第4步—運(yùn)行工況的組件電流IM=NPMISC[1-p（（VM-NSMVOC+IMRSNSM/NPM）/（NSMVt））]電池工作溫度TC惟一地取決于輻照度Ga和環(huán)境溫度Ta，公式如下：式中 C2—常數(shù)，有

（1.13）（1.14） （1.15）如果Tref未知，可以將其合理地近似為C2=0.3Cm2/W。太陽電池開路電壓和溫度之間的關(guān)系為式中，一般認(rèn)為C3=-2.3mV/C。最后一步是確定運(yùn)行工況下光伏組件的電流。1.35 輻照度和溫度對光伏特性的影響

（1.16）隨著輻照度的增大，太陽電池的短路電流（ISC）和開路電壓（VOC）也隨之增大。短路電流幾乎與輻照度呈線性比例關(guān)系。另一方面，隨著溫度的升高，開路電壓會降低，而短路電流則會增大。這是因?yàn)闇囟仁禽椪斩鹊暮瘮?shù)。圖1.12給出了一個太陽電池在一定的環(huán)境輻照度Ga和一定的電池溫度TC下的I-V特性。環(huán)境輻照度Ga和環(huán)境溫度TC對于電池特性的影響如圖1.12所示。圖1.12環(huán)境輻照度對電池I-V特性的影響與電池溫度對電池I-V特性的影響a）環(huán)境輻照度對電池I-V特性的影響b）電池溫度對電池I-V特性的影響圖1.12a表明，開路電壓隨著環(huán)境輻照度對數(shù)上升，而短路電流則是環(huán)境輻照度的線性函數(shù)。箭頭顯示的是輻照度和電池溫度升高的方向。電池溫度對I-V特性的影響如圖1.12b所示。提高電池溫度的主要影響效果是開路電壓的線性下降。降低電池的開路電壓就會降低電池的效率。短路電流隨著電池溫度略有增加[22]。14 太陽跟蹤系統(tǒng)太陽的位置一年四季從早到晚總在不停地改變。太陽跟蹤器是一種用于太陽能光伏板定向的裝置，它將太陽反射鏡或者透鏡對準(zhǔn)太陽。太陽能光伏板需要較高的精確度，以確保將太陽光正好精確地聚集在光伏設(shè)備上。太陽能跟蹤系統(tǒng)通過改善自身在上午和下午的性能，從而大大地提高系統(tǒng)產(chǎn)生的電量。對于與電網(wǎng)并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)來說，下午的優(yōu)良表現(xiàn)尤為重要，因?yàn)榇藭r產(chǎn)生的電能將滿足夏季的峰值功率需求。追求在有限時間內(nèi)達(dá)到性能最優(yōu)的固定系統(tǒng)，它的年度發(fā)電量相對較低，因?yàn)槠涮柲芄夥迨枪潭ǖ模瑹o法通過運(yùn)動來跟蹤太陽。低溫太陽能熱應(yīng)用系統(tǒng)通常不會使用跟蹤器。這是因?yàn)?，與增加更多的采集器相比，跟蹤系統(tǒng)更為昂貴。此外，在冬天還需要更加嚴(yán)格的太陽能方位角控制，它會影響到全年的系統(tǒng)平均容量。對于太陽能電力應(yīng)用系統(tǒng)來說，跟蹤器較之光伏系統(tǒng)的成本可以相對便宜一些。這使它們非常適用于高效率光伏板系統(tǒng)。從維護(hù)的角度來看，太陽能跟蹤器需要進(jìn)行年度或者季度檢查和潤滑。跟蹤太陽方位并調(diào)整光伏板位置的技術(shù)有好幾種，最常用的太陽跟蹤技術(shù)之一是利用光源角度和兩個鄰近的光敏二極管（根據(jù)其表面遮光板的陰影而產(chǎn)生）的差動電流之間的關(guān)系[23-25]。圖1.13給出了基于太陽的光源角與兩個光敏二極管差動電流之間關(guān)系的太陽跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光源移位時，遮光板將會在光敏二極管上產(chǎn)生陰影。其結(jié)果是，一個光敏二極管會比另一個更亮一些。光照多的光敏二極管就會比另一個產(chǎn)生更多的電子。因此，隨著偏差角的增大，產(chǎn)生的電流之差也會變得更大。該系統(tǒng)能夠根據(jù)兩者電流之差來實(shí)現(xiàn)定位，使之直接朝向太陽。θθmax光照表面圖1.13基于光源角使用兩個光敏二極管的太陽跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳感器由“x”和“y”軸的兩個組件組成，如圖1.14所示。傳感器組件還包括兩個光敏二極管、金屬連接器、電阻器、電阻保護(hù)器以及一個遮光板等。圖1.14給出了傳感器的x軸和y軸組件的俯視圖。動態(tài)范圍是太陽跟蹤系統(tǒng)在閾值限制里之內(nèi)響應(yīng)參數(shù)。兩個組件之間的距離不必限制動態(tài)范圍。如果動態(tài)范圍增大，電流差的靈敏度就會降低。因此，在動態(tài)范圍和靈敏度之間有一個平衡。作為一種解決方案，可以使用兩個平行的傳感器來達(dá)到最佳的靈敏度和高動態(tài)范圍。圖1.14x軸傳感器組件結(jié)構(gòu)與y軸傳感器組件結(jié)構(gòu)a）x軸傳感器組件結(jié)構(gòu)b）y軸傳感器組件結(jié)構(gòu)耦合傳感器產(chǎn)生的電流取決于光照面積。如果一個光敏二極管比另一個二極管受到的光照更強(qiáng)，這兩個光敏二極管產(chǎn)生的電流便有差異。如果將傳感器放置在一個相對于光源的預(yù)設(shè)角度，這將會導(dǎo)致圖1.14中所示的兩個光敏二極管產(chǎn)生不同的電流。通過這種方式就可以計(jì)算出系統(tǒng)的移位。系統(tǒng)使用此差分信號來定位光伏板以對準(zhǔn)光源[23，24]。兩個光敏二極管之間有一個間距，這對于避免載流子的復(fù)合來說非常必要。光伏效應(yīng)可由式（1.17）來描述：（1.17）式中 A—光照面積；NF（λ）單位面積的入射光子數(shù)；SR（λ）波長為λ的入射光子數(shù)產(chǎn)生的載流子數(shù)；R半導(dǎo)體表面的光子反射[34]。每個光敏二極管光照面積的計(jì)算公式為式中 Wa—遮光板縫隙的寬度；Wg光敏二極管之間的縫隙；H傳感器寬度；θ偏差角；L傳感器深度兩個電流之間的差值為式中 I1和I2—相應(yīng)的光敏二極管電流；JL光敏二極管各表面產(chǎn)生的電流密度。移位偏差可由下式計(jì)算而得：

（1.18）（1.19）（1.20）角度取決于輻照度和電流密度。通過增大電流，可以將這個變量標(biāo)準(zhǔn)化，而且它對電流密度的依賴可以忽略不計(jì)： （1.21）因此，結(jié)合式（1.20）和式（1.21），可以求得偏差角為（1.22）根據(jù)式（1.2），可以增大H/（Wa-Wg）比值，以提高傳感器的靈敏度。如果一個光敏二極管根本未受光照，這時將出現(xiàn)最大傳感器角度值，因?yàn)槠渲幸粋€二極管產(chǎn)生的電流為零。當(dāng)沒有光照時，光電流為零，因而式（1.22）可改寫為 （1.23）可以調(diào)節(jié)太陽傳感器的輸出，以使其與微控制器的電壓范圍相適應(yīng)。微控制器生成光敏二極管的反向偏壓，以此來定位光伏板使電流差最小化。通常來說，為了用于控制，電流信號應(yīng)被轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖1.15所示的流程給出了太陽跟蹤系統(tǒng)的傳感器輸出估計(jì)與電動機(jī)控制[23，24]。對于式（1.22）的應(yīng)用，可以分別使用微分電路和加法器電路來實(shí)現(xiàn)傳感器輸出的增減。參考角（θ）由微控制器獲得，而電動機(jī)的實(shí)際位置也會被反饋給微控制器。電動機(jī)的參考位置可以通過向電動機(jī)驅(qū)動器提供控制信號來得到。這兩個電動機(jī)和驅(qū)動電路是由同一個電源供電的。偏置電路偏置電路傳感器微分電路加法器電路電動機(jī)位置微控制器編程器電動機(jī)繼電器電源圖1.15太陽跟蹤器的傳感器輸出估計(jì)與電動機(jī)控制流程不同的信號數(shù)據(jù)均與最大的閾值進(jìn)行比較。該值越高，太陽與設(shè)定的角度偏差越大。因此，控制電動機(jī)驅(qū)動器的微控制器應(yīng)采取與之相反的運(yùn)動。傳感器產(chǎn)生的電流之差可以形成一個差分信號。太陽和云層的運(yùn)動都會影響到輸出。云層的存在可能會導(dǎo)致微控制器誤判太陽的運(yùn)動方向，這樣就會引起平臺向錯誤的方向運(yùn)動，并帶來不必要的能源耗費(fèi)。這些故障可以使用智能控制技術(shù)來消除。電流的加法和微分用來識別真實(shí)狀態(tài)，即太陽或者云層的運(yùn)動。為了檢測云層的出現(xiàn)情況，電流的加法被用作參數(shù)，而電流的微分則隨著太陽的運(yùn)動而變化。電流的增加不會受到太陽位置變化的影響。電流的加法因云層、日落或者日出等情況而異。云層存在時，電流加法的導(dǎo)數(shù)（Thederivativeofcurrentaddition）要高于日落或者日出的情況。因此，太陽跟蹤控制器算法應(yīng)該考慮電流微分、電流加法、電流估計(jì)值斜率以及電流的變化值等[23]。太陽搜索或者太陽跟蹤的確定需要一種算法。太陽跟蹤是正常的運(yùn)行狀態(tài)，而在云層出現(xiàn)時則需要使用太陽搜索。該算法的流程圖包括若干狀態(tài)機(jī)，如圖1.16所示。微控制器被初始化，以訪問先前記錄的數(shù)據(jù)表來決定運(yùn)行太陽搜索、太陽跟蹤或者云算法。輻照數(shù)據(jù)表含有典型晴天的信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算而得的輻照用于確定是否有云在傳感器上面通過。存儲的信息使得在有云的情況下可以再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動。圖1.16太陽跟蹤算法太陽搜索或者跟蹤狀態(tài)是輻照的函數(shù)。在良好的氣象條件下，該系統(tǒng)將工作在太陽跟蹤”狀態(tài)。這種狀態(tài)負(fù)責(zé)存儲跟蹤運(yùn)動的信息。該系統(tǒng)運(yùn)動可由微控制器提供，該微控制器提供適當(dāng)?shù)拈_關(guān)信號來驅(qū)動電動機(jī)，以到達(dá)參考電動機(jī)的位置。如果檢測到云層，相應(yīng)的狀態(tài)將是云算法”。然后，該運(yùn)動可以通過在太陽跟蹤”狀態(tài)中存儲的信息進(jìn)行復(fù)制。該系統(tǒng)處于這種狀態(tài)，一直持續(xù)到輻照返回到另一個值為止。15min。當(dāng)這個時間段結(jié)束后，該系統(tǒng)將尋找太陽和最大的太陽輻照值。這種時間上的限制用于根據(jù)近似值來實(shí)現(xiàn)誤差最小化。太陽的運(yùn)動使用方位角和仰角來表征。一天的不同時間，方位角或仰角的變化規(guī)律也不同。例如，在上午，仰角急劇變化，而方位角幾乎保持不變。主要狀態(tài)的選擇是基于附加電壓，因?yàn)檩椪帐歉鶕?jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算而來的。一旦選定了狀態(tài)，基本的變量就是差分電壓。要將這些數(shù)據(jù)采樣，以便知道在太陽跟蹤”狀態(tài)下的太陽運(yùn)動。在有云層的情況下，如果有部分陽光可用，“太陽搜索”狀態(tài)負(fù)責(zé)將傳感器定位至對準(zhǔn)太陽。這一行動在特定條件（例如，在黎明時分）下是必要的，并在“云算法”狀態(tài)之后確定傳感器的朝向。在這種狀態(tài)下，該平臺的運(yùn)動是雙向的，以防止系統(tǒng)發(fā)生故障[23]。15 MPPT技術(shù)IV。，以跟蹤光。。位于不同位置的各，T]。1.51 基于增量電導(dǎo)的MPPT技術(shù)增量電導(dǎo)技術(shù)是光伏系統(tǒng)中最常用的MPPT[21，27-29]。該技術(shù)基于這樣一個事實(shí)：瞬時電導(dǎo)值I/V和增量電導(dǎo)值ΔI/ΔV之和在MPP處為零，MPP的右側(cè)為負(fù)，左側(cè)為正。圖1.17所示為增量電導(dǎo)技術(shù)的算法流程。圖1.17增量電導(dǎo)算法流程如果電流和電壓的變化同時為零，參考電流就無需增減。如果電流沒有變化而電壓變化為正，參考電流就應(yīng)增大。同樣，如果電流沒有變化而電壓變化為負(fù)，參考電流就應(yīng)減小。如果電流變化為零，而ΔV/ΔI=V/I，光伏系統(tǒng)工作在MPP上。如果ΔV/ΔIV/I而且ΔV/ΔI>V/I，參考電流應(yīng)該減小。不過，如果ΔV/ΔIV/I而且ΔV/ΔI<V/I，參考電流就應(yīng)該增大，以跟蹤MPP。實(shí)際上，由于噪聲和誤差的因素，要滿足ΔI/ΔV=-I/V條件可能會非常困難[0]。因此，這種情況可以通過下式的良好逼近得到滿足： （1.24）式中ε—一個極小的正值?；谶@種算法，工作點(diǎn)要么是位于BC間隔之間，要么是在AB和CD之間振蕩，如圖1.18所示。WW電壓V圖1.18基于增量電導(dǎo)的MPPT的工作點(diǎn)軌跡選擇步長（ΔVref）是精確穩(wěn)定跟蹤和動態(tài)響應(yīng)之間的折中方案，如圖1.18所示。如果選擇更大的步長來實(shí)現(xiàn)更快的動態(tài)響應(yīng)，那么跟蹤精度就會降低，同時跟蹤點(diǎn)也會在MPP左右振蕩。另一方面，如果選擇了較小的步長，那么跟蹤精度就會提高。與此同時，需要達(dá)到MPP的持續(xù)時間也將增長[31]。光伏陣列的歸一化I-V、P-V和P-V特性的絕對導(dǎo)數(shù)如圖1.19所示。從這些特性可以看出，當(dāng)達(dá)到MPP時，|dP/dV|下降，當(dāng)工作點(diǎn)離開MPP時，|dP/dV|則會增大。這種關(guān)系可表示為為了得到工作MPP，應(yīng)計(jì)算dP/dV：

（1.25）（1.26）dP/dV可以通過僅測量光伏陣列的增量電導(dǎo)和瞬時電導(dǎo)獲得，即ΔI/ΔV和電壓I/V[27]。電壓功率，電流圖1.19光伏陣列的歸一化I-V、P-V和|dP/dV功率，電流給出了一個普通光伏陣列的典型IP曲線。（P&O）給出了一個普通光伏陣列的典型IP曲線。（P&O）技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)施，是另一AW擾動和觀察蹤方法。圖W

種常用的MPP跟圖1.20光伏陣列的典型I-P曲線如圖1.20所示，如果工作電流，或者換句話說，來自光伏陣列的電流在某一特定方向擾動，并且如果來自光伏陣列的功率增大，那么工作點(diǎn)就會變得更加接近MPP，因此工作電流應(yīng)在同一方向進(jìn)一步擾動[32]。如果電流被擾動，并導(dǎo)致來自光伏陣列的功率下降，這就意味著工作點(diǎn)正在遠(yuǎn)離MPP，因此工作電流的擾動應(yīng)該反向?；赑&O的MPPT技術(shù)流程如圖1.21所示。在這種方法中電流（Iref）和電流變化（ΔIref）的初始值是根據(jù)猜測得到的。然后，與此電流相關(guān)的功率可從光伏板輸出測量而得到，也就是PPV（k）。減量或者增量可以應(yīng)用于參考電流作為擾動，這將會帶來功率變化，而且新的功率點(diǎn)將會變?yōu)镻PV（k+1）?，F(xiàn)在，如果PPV（k+1）>PPV（k），那么就可以確定功率的變化。功率的變化應(yīng)同電流的變化方向一致，以便在同一方向進(jìn)行進(jìn)一步擾動。如果它們遵循的是相反的趨勢，那么參考電流也應(yīng)該反向。Iref和?Iref的初始值PPV（k）測量開始擾動：返回否否 k k 是

PPV（k+1）測量k k 是否 k k 是k k k k k k k k返回圖1.21基于P&O的MPPT方法的流程MPP ， 電流的初始值可以是零或者任何接近IMPP的值（MPP處的電流值）。另一方面，選擇一個適當(dāng)?shù)脑隽坎介L（ΔIref）也能迅速地使工作點(diǎn)接近MPP。這個過程應(yīng)該反復(fù)進(jìn)行，直到找到光伏陣列的最大可用功率并提取出來。使用較小的擾動步長可以盡量減少振蕩，不過小步長會造成MPP跟蹤的響應(yīng)遲緩[33。這個問題可以使用參考文獻(xiàn)[32，34-36]中的可變擾動步長來解決。使用這種方法，MPP ， 時 擾動程度應(yīng)該變小53 IVMPPT控制器I-V特性是電壓、隔離水平和溫度的函數(shù)[37-39]。從這些特性出發(fā)，MPPT控制器設(shè)計(jì)的一些重要性質(zhì)可以解釋如下：光伏陣列包括兩個工作段。在IV特性曲線中，有一段是恒定電壓段，另一段是恒定電流段。因此，每一段的IV特性均可近似為一個線性函數(shù)，即有（1.27）式中m光伏陣列的輸出電導(dǎo)。m在恒定電流段很小，因此光伏陣列表現(xiàn)為高負(fù)輸出阻抗。另一方面，它在恒定電壓段表現(xiàn)為低負(fù)輸出阻抗。使用不同的系數(shù)m和b可以實(shí)現(xiàn)同樣的線性化。圖1.22所示為一個具有兩段近似線性的典型I-V曲線。（線性化函數(shù)）高負(fù)阻抗低負(fù)阻抗（實(shí)際函數(shù)）電壓電流圖（線性化函數(shù)）高負(fù)阻抗低負(fù)阻抗（實(shí)際函數(shù)）電壓電流MPP出現(xiàn)在特性曲線的拐點(diǎn)處，即VP=VPM。斜率在恒定電流段為正（VP<VPM），在恒定電壓段為負(fù)（VP>VPM）。使用式（1.27），dPPV/dVP變?yōu)椋?.28）為了將工作點(diǎn)移動至零斜率點(diǎn)處，如果光伏陣列是由電流控制的，在正斜率時IP應(yīng)該減小，在負(fù)斜率時IP應(yīng)該增大。因此，可以通過將工作點(diǎn)移動到零斜率點(diǎn)來跟蹤MPP。為了實(shí)現(xiàn)電流控制，可以采用DC-DC變換器，即一個升壓變換器。從升壓變換器的輸入端可得（1.29）IP等于處于穩(wěn)定狀態(tài)的變換器電流（IC）。因此，IC可以將工作點(diǎn)移到MPP處。123給出了一種采用電流模式控制跟蹤MPPMPPT控制器。MPPT控制器和電流控制器是以上述特性與式（.29）為基礎(chǔ)的。在這個控制器中，首先要測量光伏陣列的電壓和電流，隨后再計(jì)算功率和斜率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，光伏電流等于變換器的電流。因此，根據(jù)斜率（dPPV/dVP）的符號，令參考電流IMPP增大或者減小，以便將工作點(diǎn)移動至零斜率點(diǎn)。1.54 基于比例開路電壓的MPPT光伏陣列的VMPP和VOC在不同的輻照度和溫度水平下的近似線性關(guān)系，是比例VOC方法的基礎(chǔ)[0-7]： （1.30）式中k1取決于光伏陣列特性的一個常數(shù)，不過它必須事先通過經(jīng)驗(yàn)性地確定不同的輻照度和溫度水平下的具體光伏VMPP和VOC來計(jì)算，其值通常071～078之間[33。利用式（1.2）并測量一個空載光伏陣列的VOC，使用已知的k1，可以計(jì)算出光伏陣列Icap升壓光伏陣列Icap升壓DC-DC變換器通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)占空比ε PI控制器電壓電流圖1.23基于線性化I-V特性的MPPT控制器VMPP。光伏陣列的輸出端應(yīng)斷開與電力變換器的連接，其結(jié)果會導(dǎo)致功率的暫時損耗，這是該技術(shù)的主要缺點(diǎn)。為了克服這個缺點(diǎn)，可以使用指示電池來測量VOC[42]。這些指示電池應(yīng)該具有相同的輻照度和溫度以及與主要光伏陣列近似相同的特性，以便更好地模擬開路電壓。pn結(jié)二極管產(chǎn)生的電壓大約是VOC的75[46。因此，這樣就不需要測量VOC。在用于逆變器輸入電壓調(diào)節(jié)的MPPTDCDC變換器之后，可以進(jìn)行閉環(huán)電壓控制。圖1.24顯示了基于開路電壓的MPPT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)從指示電池測量到的開路電壓和式（1.32），可以求得VMPP，然后再可以將測量電壓（V*）與這個值進(jìn)行比較。占空比由PI控制器確定，并通過柵極驅(qū)動器應(yīng)用于電力電子開關(guān)。因此，DC-DC變換器會強(qiáng)制光伏輸出電壓達(dá)到VMPP。變換器光伏陣列 變換器

通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)占空比ε PI控制器圖1.24基于比例開路電壓的MPPT的實(shí)現(xiàn)由于式（1.32）為近似式，所以光伏陣列技術(shù)從未真正在MPP上工作過。對于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用來說，這種近似可以做到足夠逼近。因?yàn)樵摷夹g(shù)不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，所以它容易實(shí)現(xiàn)、成本較低，但它不是一種真正的MPPT技術(shù)。此外，k1在局部遮陰條件下無效，而且它還依賴掃描光伏陣列電壓來實(shí)現(xiàn)更新[47]。因此，在有陰影的環(huán)境下使用這種方法，實(shí)施過程就會變得更加復(fù)雜，而且會產(chǎn)生更多的功率損耗。1.55 基于比例短路電流的MPPT與開路電壓類似，光伏陣列的短路電流與IMPP近似成正比，對應(yīng)于光伏陣列P的電流為 （1.31）式中k2線性比例常數(shù)。k2取決于光伏陣列的特性，該常數(shù)通常在0.78～0.92之間變化。圖1.25所示為基于短路電流的MPPT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)示例。根據(jù)從指示電池測量到的短路電流和式（1.33），可以求得IMPP。可以從該值中減去測得的電流以求出誤差，并將誤差反饋給PI控制器。占空比由PI控制器確定，并通過柵極驅(qū)動器應(yīng)用于電力電子開關(guān)。因此，DC-DC變換器將會強(qiáng)制從光伏輸出中抽取電流以達(dá)到IMPP。變換器光伏陣列 變換器

通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)占空比ε PI控制器圖1.25基于比例短路電流的MPPT的實(shí)現(xiàn)因?yàn)楣夥嚵袘?yīng)被短路，所以在運(yùn)行中測量ISC非常困難。在電力變換器中使用一個電流傳感器和一個額外的開關(guān)，可將光伏陣列短路以測量ISC[48]，這樣一來就增加了元器件數(shù)量和成本。此外，它還會因?yàn)槎搪穾眍~外的功率損耗。可以使用額外的指示電池來進(jìn)行短路電流測量，它具有與主要光伏陣列相同的特性。如式（1.36）所示，P永遠(yuǎn)不會完全匹配，因?yàn)樗荘電流的近似值。光伏陣列可以定期從開路掃描至短路來更新k2，以確保在多個局部極值存在時得MPPT[47。通常使用一個數(shù)字信號處理器（DSP）來實(shí)現(xiàn)用于光伏系統(tǒng)MPPT的比例ISC。另外，也可以使用一個更簡單的電流反饋控制回路來實(shí)現(xiàn)比例ISC[48。1.56 基于模糊邏輯控制的MPPT隨著微控制器和DSP技術(shù)的發(fā)展，模糊邏輯控制[49-58]已經(jīng)在MPPT應(yīng)用領(lǐng)域引起廣泛興趣。參考文獻(xiàn)[57]指出，模糊邏輯控制器對于非線性系統(tǒng)來說很有優(yōu)勢，它不需要精確的動態(tài)模型，而且還可以處理不精確的輸入。模糊邏輯控制根據(jù)三個階段。模糊化階段根據(jù)圖1.26所示的隸屬函數(shù)，將輸入變量轉(zhuǎn)換成語言變量。這個例子中有五個模糊等級，分別為NB（負(fù)大）、NS（負(fù)小）、ZE（零）、PS（正小）和PB（正大）。為了提高精度，可以使用更多的模糊等級。a和b是以圖1.26中數(shù)值變量的取值范圍為基礎(chǔ)的。在隸屬函數(shù)中，可以將某些指定的模糊等級設(shè)計(jì)為不對稱狀態(tài)，使它們更占優(yōu)勢，換句話說，給它們賦予更高的重要程度[49，53，57，58]。圖1.26模糊邏輯控制器輸入和輸出的隸屬函數(shù)誤差E及其變化ΔE是基于模糊邏輯的MPPT控制器的輸入。E和ΔE可以根據(jù)用戶的偏好而計(jì)算得到。由于dP/dV在MPP處更接近于零，因此可以使用近似的式（1.34）[59]：另外，誤差信號可以根據(jù)下式求得：

（1.32）（1.33）（1.34）式（1.35）一中的誤差變化也可以應(yīng)用到式（1.36）中。式（1.36）中的誤差是瞬時電導(dǎo)和增量電導(dǎo)之和，在接近MPP時為零。一般來說，模糊邏輯控制器的輸出是電力變換器占空比ΔD的變化。占空比的這種變化可以在類似于表1.3的一個查找表中查找[0]，之后計(jì)算E和ΔE，并轉(zhuǎn)換成語言變量。誤差E及其變化ΔE的不同組合可作為分配給ΔD的語言變量。對于升壓變換器來說，表1.3就可以用于這一目的。例如，如果工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP右側(cè)，E為NB，且ΔE為ZE，占空比就需要幅度更大一些的下降，以降低電壓，也就是說，ΔD應(yīng)該為NB，以達(dá)到MPP。一此處公式號似有誤，似應(yīng)為式（.3），本章之后的文字中也有一些公式號原書似有誤，請讀者注意，這里不再注釋了。譯者注表1.3模糊規(guī)則庫ΔENBNSZEPSPBENBZEZENBNBNBNSZEZENSNSNSZENSZEZEZEPSPSPSPSPSZEZEPBPBPBPBZEZE在去模糊化階段，模糊邏輯控制器的輸出使用圖1.27所示的隸屬函數(shù)，從一種語言變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字變量。通過去模糊化，控制器產(chǎn)生一個模擬輸出信號，該信號可以被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并控制MPPT系統(tǒng)的電力變換器。圖1.27所示為基于模糊邏輯控制器的MPPT的實(shí)現(xiàn)示例。測量電壓和功率來計(jì)算式（1.34）和式（1.35）中的E和ΔE，然后使用類似于表1.3的一個模糊規(guī)則庫表來評估這些值。模糊規(guī)則庫表的輸出就是在占空比中所需的改變。在去模糊化階段，占空比的數(shù)值通過語言值的轉(zhuǎn)換來確定。最后，通過一個模擬-數(shù)字（A-D）轉(zhuǎn)換器和柵極驅(qū)動器，將必需的開關(guān)信號施加到MPPT的電力變換器上。光伏陣列光伏陣列DC-DC變換器通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)占空比柵極驅(qū)動器A-D轉(zhuǎn)換器電壓和功率測量E和?E計(jì)算模糊規(guī)則庫表去模糊化階段圖1.27基于模糊邏輯控制器的MPPT實(shí)現(xiàn)在不同的大氣條件下，模糊邏輯控制器均能在MPPT應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能。另一方面，模糊邏輯控制器的有效性取決于誤差及其變化的計(jì)算和用戶開發(fā)的規(guī)則庫表的準(zhǔn)確性。為了獲得更高的效率，隸屬函數(shù)和規(guī)則庫表可以不斷更新或者調(diào)整，以達(dá)到類似于自適應(yīng)模糊邏輯控制器的最佳性能[55]。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)MPP的快速收斂，以及在MPP周圍的最小波動[52]。此外，跟蹤性能取決于隸屬函數(shù)的類型[57]。1.57 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT另一種智能MPPT控制技術(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）[60-65]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通常是通過微控制器或DSP來實(shí)現(xiàn)的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常包括三層：輸入層、隱層和輸出層，如圖1.28所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由應(yīng)用人員構(gòu)建的，其中要考慮到每一層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入通常是大氣參數(shù)及光伏陣列參數(shù)，比如輻照度、溫度、VOC以及ISC等。通過對這些輸入信息的處理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器就可以確定電力變換器的占空比，并作為自身的輸出[60，62]?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制器的性能取決于如何對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效訓(xùn)練以及在隱層中使用的算法。節(jié)點(diǎn)之間的連接通過增益系數(shù)賦以權(quán)值。如圖128所示，ij之間的連接權(quán)值為wij。為了實(shí)現(xiàn)一個高性能的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT，節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值應(yīng)在訓(xùn)練過程中認(rèn)真確定。圖1.28神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例此外，應(yīng)將所有季節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出數(shù)據(jù)記錄下來，以便有足夠的訓(xùn)練模式可供訓(xùn)練。另一方面，由于不同的光伏陣列具有不同的特性，應(yīng)該針對具體的光伏陣列進(jìn)行專門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。由于老化因素的影響，光伏陣列的特性也會隨著時間而改變，因此需要對控制器進(jìn)行訓(xùn)練和更新，以便準(zhǔn)確地跟蹤MPP。圖1.29給出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT方法的具體實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該使用由經(jīng)驗(yàn)獲得或者計(jì)算而得的輸入/輸出數(shù)據(jù)表對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)先訓(xùn)練。如此一來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器應(yīng)該能夠根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集當(dāng)中相關(guān)的瞬時測量輸入來準(zhǔn)確地確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。然后，使用必要的設(shè)備單元來處理通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的占空比，以便為光伏陣列的電力變換器提供適當(dāng)?shù)拈_關(guān)信號。1.58 基于紋波相關(guān)控制的MPPT由于所連接的電力電子變換器存在開關(guān)過程，光伏陣列上就會出現(xiàn)電壓紋波和電流紋波。因此，光伏陣列的輸出功率也可能會帶有波動。在紋波相關(guān)控制光伏陣列光伏陣列DC-DC變換器通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)柵極驅(qū)動器A-D轉(zhuǎn)換器輻照度溫度開路電壓短路電流預(yù)先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器占空比瞬時測量

圖1.29基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT實(shí)現(xiàn)（CC）中使用這些波動[6]來實(shí)現(xiàn)T。CC將時變光伏陣列功率的時間導(dǎo)數(shù)p與驅(qū)動功率梯度為零的時變光伏陣列電流或者電壓的時間導(dǎo)數(shù)i以便跟蹤MPP。

或者■v相關(guān)聯(lián)，如果v或者i在變大（v>0或者i>0），p也在變大（p>0），工作點(diǎn)位于P之下（V<VMPP或者I<IMPP）。相反，如果v或者i在變大，而p在變小（p<0），MPP之上（VVMPPIIMPP）。根據(jù)這些觀察，可以得到：pv或者pi在P右側(cè)時為負(fù)，在P左側(cè)時為正，在P處則為零。如果升壓變換器的占空比增大，電感電流也會增大，不過它降低了光伏陣列電壓[66]。這個電感電流也是光伏陣列的輸出電流，因此占空比控制輸入可以表示為（1.35） （1.36）式中k3一個正的常數(shù)。在RCC技術(shù)中，如果占空比依靠式（1.37）或者式（1.38）來調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)對MPP的持續(xù)跟蹤。式（1.37）和式（1.38）中電流、電壓與功率的導(dǎo)數(shù)通常很難計(jì)算，因此可以使用另一種光伏陣列電流和電壓交流耦合測量方案。交流耦合電流和電壓導(dǎo)數(shù)將會很容易計(jì)算，因?yàn)樗鼈兙哂斜匾南辔恍畔?。在另一種方案中，可以使用具有比紋波頻率更高的截止頻率的高通濾波器來估計(jì)導(dǎo)數(shù)。電感電壓可用于計(jì)算式（1.38）給出的導(dǎo)數(shù)，因?yàn)樗c電流導(dǎo)數(shù)成正比。電感的內(nèi)阻和磁心損耗并無顯著影響，因?yàn)殡姼械臅r間常數(shù)要大于電力變換器的開關(guān)時間間隔。由于相位移動是由光伏陣列在高開關(guān)頻率處的固有電容所引起的，式（1.37）可能無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效MPPT。不過，式（1.37）中的關(guān)聯(lián)功率和電壓幾乎沒有受到固有電容的影響。即使在不同的輻照度水平下，RCC也能快速響應(yīng)、準(zhǔn)確地跟蹤MPP。電力變換器的開關(guān)頻率和RCC電路的增益是限制MPPT時間響應(yīng)的主要因素。RCC的實(shí)現(xiàn)很簡單，因?yàn)樗鼘夥嚵刑匦詻]有任何要求。許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究了RCC技術(shù)在跟蹤MPP方面的應(yīng)用。功率的時間導(dǎo)數(shù)和占空比符號之積用于積分[67]。參考文獻(xiàn)[68，69]中提出了一種滯后型RCC。參考文獻(xiàn)[70]中使用了一種低頻易變（fickle）信號來干擾光伏陣列的功率。在這種方法中，考慮了與MPP處功率相關(guān)的電壓或電流的90°相移。這種RCC方法的不同之處在于，它使用額外的低頻信號取代了固有的變換器紋波信號[70]。130所示為基于RCC的MPPT方法的具體實(shí)現(xiàn)示例。在圖130中，對從光伏陣列輸出測量而得的電壓和電流進(jìn)行處理，計(jì)算出功率以及功率和電壓的導(dǎo)數(shù)。功率和電壓導(dǎo)數(shù)的乘積被積分，并乘以比例因子k3，由此可以確定占空比值。此外，還可以使用功率和電流導(dǎo)數(shù)之積的積分來確定占空比，乘以基于式（138）的正比例因子k3。變換器光伏陣列 變換器

通過到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器柵極驅(qū)動器 D轉(zhuǎn)換器電壓和圖1.30基于RCC的MPPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)1.59 基于電流掃描的MPPT

占空比用于光伏陣列電流的掃描波形可以通過使用光伏陣列的I-V特性來求得。在這種方法中，掃描波形按照固定的時間間隔進(jìn)行更新[71]。根據(jù)相同時間間隔的特性曲線，可以計(jì)算出VMPP。應(yīng)為電流掃描波形選擇一個函數(shù)，該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)應(yīng)與原函數(shù)本身直接成正比：（1.37）式中 k4—一個常數(shù)。因此，光伏陣列的功率可以表示為 （1.38）在MPP處有利用式（1.1）和式（1.43）有式（1.39）中微分方程的解為

（1.39）（1.40）（1.41）其中，CImax，這是最大的光伏陣列電流。k4應(yīng)該為負(fù)值，生成了一個時間常數(shù)=-k4的遞減指數(shù)函數(shù)。式（1.43）的新形式為（1.42）通過一個電容器釋放一些電流，可以求得式（1.44）中的Imax。在式（1.42）中，由于式（1.1）的導(dǎo)數(shù)非零，式（1.42）可改寫為（1.43）一旦使用電流掃描法來計(jì)算VMPP，求得的MPP的精度可使用式（1.45）進(jìn)行復(fù)核。圖1.31給出了一種掃描型MPPT的實(shí)現(xiàn)示例。MPP模塊采用光伏板電壓來確定MPP處的參考電壓，如式（1.45）所示。光伏板電壓光伏陣列光伏陣列DC-DC變換器通過DC-AC變換器到負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)εMPP計(jì)算PI控制器占空比柵極驅(qū)動器s參考電壓VMPP圖1.31基于電流掃描的MPPT實(shí)現(xiàn)1.510 基于直流母線電容下降控制的MPPT圖1.32所示為直流母線電容下降控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在某些情況下，光伏系統(tǒng)需要與交流系統(tǒng)相連。在這些情況下，可以使用一個專門設(shè)計(jì)的MPPT技術(shù)，也就是所謂的直流母線電容下降控制[72，73]。下式給出了具有穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式的一個理想的升壓變換器占空比： （1.44）圖1.32直流母線電容器下降控制式中V跨接于電力變換器輸入的電壓；Vlink跨接于直流母線的電壓。如果Vlink是固定的，光伏陣列抽取的功率可以通過改變逆變器的輸入電流來控制。在電流增大時，只要逆變器所需功率不超過光伏陣列的最大可用功率，Vlink電壓就可以保持不變，否則Vlink將會下降。逆變器的電流控制指令處于其最大值（電流峰值：Ipeak），而光伏陣列工作在MPP處，剛好在該點(diǎn)之前。為了達(dá)到MPP，d被優(yōu)化，Ipeak達(dá)到其最大值，從而防止Vlink下降。防止這種下降可以通過將交流系統(tǒng)線電流反饋來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算光伏陣列的功率不需要使用這種方法。不過，相對于直接檢測功率，這種方法精度較低[72]，因?yàn)槟孀兤髦绷麟妷嚎刂苹芈返捻憫?yīng)會直接影響到它的響應(yīng)。16 光伏電池的遮蔽效應(yīng)當(dāng)一個光伏陣列或者它的一部分由于遮蔽物的影響而產(chǎn)生不完全輻照時，就會出現(xiàn)遮蔽效應(yīng)。在光伏組件被部分遮蔽時，它的一些電池能夠以反向偏壓方式工作，此時它是作為負(fù)載而不是發(fā)電器。如果反向偏壓超過被遮蔽的太陽電池的擊穿電壓，它可以作為一個開路，并將整個光伏組串損壞[31，74，75]。為了減少遮蔽的影響，大多數(shù)商用光伏組件都含有內(nèi)部旁路二極管。不過光伏組件中二極管數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于串聯(lián)在組件中的電池?cái)?shù)[31]，因此降低了開路風(fēng)險。但是，光伏組件總功率輸出量也相應(yīng)降低了，因?yàn)楫?dāng)一個旁路二極管導(dǎo)通時，很多太陽電池就出現(xiàn)了故障。圖1.33顯示了兩個光伏陣列。在第一個陣列中，每個光伏電池都并聯(lián)有自己的旁路二極管。與圖1.33所示的第二種結(jié)構(gòu)相比，第一種結(jié)構(gòu)更能夠抵抗遮蔽帶來的負(fù)面影響，而且還可以產(chǎn)生更多的功率。當(dāng)一個陣列受局部遮蔽所限，第二種結(jié)構(gòu)中的電池串就會出現(xiàn)故障，而在第一種結(jié)構(gòu)中，只有受影響的電池才會出現(xiàn)故障。圖1.34所示為完全輻照的陣列以及圖1.33中描述的兩種不同結(jié)構(gòu)的陣列的I-V曲線。圖1.33與每個電池連接的旁路二極管和與整個電池串連接的旁路二極管a）與每個電池連接的旁路二極管b）與整個電池串連接的旁路二極管圖1.34遮蔽工況下的光伏串I-V特性為了計(jì)算遮蔽效應(yīng)，可以引入遮蔽因子（S）[75]：（1.45）式中 AS—遮蔽面積；AC光伏組件的總面積；E無遮蔽電池E0上的平均輻照水平。A在不同遮蔽因子下的光伏電池I-V曲線就像圖1.35中給出的不同輻照度條件下的光伏電池一樣。A電壓V圖1.35不同遮蔽因子下的I-V特性功率W此外，在遮蔽工況下，P-V曲線也會受到影響。當(dāng)發(fā)生局部遮蔽時，兩個不同的電壓值就會存在兩個不同的功率峰值，如圖1.36所示。功率W無遮蔽工況下無遮蔽工況下的MP無遮蔽工況遮蔽工況局部峰值電壓V圖1.36在遮蔽條件下的MPP重定位許多MPPT方法會跟蹤局部峰值，因此可能無法找到全局峰值。這在局部遮蔽工況下可能會非常重要。因此，在計(jì)算MPP時應(yīng)該考慮遮蔽效應(yīng)。遮蔽效應(yīng)可以包括在沒有電阻的單二極管模型中。2.3.3節(jié)一中描述單二極管模型的式