太阳能光伏发电系统控制问题探究吴佺

太阳能光伏发电系统控制问题探究吴佺

吴佺张雪婧赵小乐

（西安天虹电气有限公司陕西西安710075）

摘要：自20世纪80年代以来，随着工业化进程的加快，以及全球经济的迅速发展，对能源的需求量也急剧增大，因此人们所需要的燃料总量也快速增加。有限的化石能源已经越来越不能满足人们的需求，全球能源危机和环境污染使得开发新能源成为了必然趋势，潮汐能、核能、太阳能等新兴能源应运而生，作为新兴的能源领域，相关方面得到了社会各界的广泛重视，因此专业人士对它们的研究力度也逐步加强。下面文章将会有关的内容进行了简要分析，以供参考。

关键词：太阳能；光伏发电系统；控制问题

随着现代工业的急剧快速发展，环境的污染和能源问题成为制约工业发展的问题之一，在面临着化石能源危机情况下，对于可再生能源的进一步寻找以及开发，是目前解决能源危机的主要方法。可再生新能源，就目前来说主要包含有风能、潮汐能、核能、生物质能以及太阳能等，其中太阳能具有较大的优势，其独特的性质慢慢的受到世界各国的高度重视。世界各国在上世纪末和本世纪初纷纷把充分利用和开发太阳能，作为本国的能源发展和解决化石能源日益匮乏的重要战略之一。

1光伏发电系统的概述

就目前来说，太阳能光伏发电系统一般分为三种，一种为独立光伏发电系统，另一种为并网光伏发电系统，还有一种为分布式光伏发电系统。独立光伏发电系统又称为太阳能发电的原型系统，一般是指供用户单独使用的光伏发电系统，这种系统多用于偏远地区用电，以及一些山顶的用电和在大海上的一些灯塔的用电；并网光伏发电系统是指其所产生的电能可以输入电网，一般是相对大型的发电网站，这种系统多用于把电输入大规模的电网中；分布式光伏发电系统，也可叫做分散式发电或分布式供能，一般来说，指的是靠光伏发电较近配置较小的光伏发电供电系统，一般这种系统多用于用户现场使用或靠近用电现场使用。

2光伏发电系统控制技术

2.1光伏电池技术

以光伏电池为核心的发电系统具有极其明显的优势，而光伏电池也是分门别类得具有很多种，本文所分类的方法是按照构造或者研制材料来进行划分。根据材料不同，太阳能光伏电池分为以下几类：纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、纳米晶太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、硅太阳能电池，其中，硅太阳能电池就目前来说技术比较纯熟，市场占有率也是居于主导。

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光敏特性，在其光电效应的影响下，其载流子数量随之变化，半导体的导电能力也随之变化。当太阳光照射半导体的PN结时，就会在PN结上产生可输出功率的电势差的现象。其过程为电子吸收光子能量产生电子空穴对，在内建电场的作用下电子空穴分离，即电子流入N区，空穴流入P区，这样使P区带正电，N区带负电，即在薄层之间就产生电动势。

当把电动势加到实物纯硅中时，它会导致电子脱离其共价键并离开原子，同时这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。将纯硅与磷原子混合起来，只需很少的能量即可使磷原子的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型，太阳能电池只有一部分是N型；另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅；P型硅中没有自由电子。

2.2光伏阵列MPPT控制方法

随着社会经济的发展，在实际生活中为了实现在任何温度和光照下光能的利用率最大，实现光能转换成电能的最佳效果，对光伏阵列的转换效率的研究较为重要。光伏发电系统的核心部件之一是光伏阵列，同时其具有将光能转换为电能的功效。但是由于器件本身的复杂特性以及环境温度和光照等一些其它的外部和内部的影响，光伏阵列的实际应中的转换效率一直不高，而且由上一章可以知道光伏阵列的输出特性具有非线性和不稳定性。因此，为了使转换效率提高和输出稳定，同时对光伏电池最大的能量利用率，这时较大功率点的控制是很有必要的。而光伏电池最大的能量利用率的工作点称为光伏阵列的最大功率点，由于受外部和内部的影响，最大功率点一直在变化，为了提高光伏发电的效率，需要实时的保持这种状态，使光伏阵列的输出的功率在最大功率点，这一过程称为最大功率点跟踪。由于伏发电系统中，使之输出的最大功率，就要找到对应的电压和电流，因此对最大功率点跟踪，必须对光伏阵列模块的工作点进行实施调整。

2.3DC/DC变换器的控制

滑模控制其实质上是一类比较特殊的、不连续的非线性控制，同时这种非线性控制也可以称变结构控制，系统的“结构”并不固定是滑模控制策略与其它控制方法的最大的区别，当系统动态过程地不断变化时，滑膜控制也可以随之不停得变化，最后其会迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，继而被控的系统的动态行为可由其滑模面来规范。

首先，滑模控制对一般系统的不确定性具有克制的作用，对与一个系统带有外部干扰以及一些没有建模的复杂系统的动态性能具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。其次，高阶滑动模态控制与一般的滑膜控制最大的区别为其对抖振现象的作用比较明显，在研究的理论上说甚至可以达到完全消除，而且滑模控制器的其它方面没有什么影响。滑模控制方法的缺点在用了该方法后一般会使系统从而产生抖动，影响被控系统的稳定性。由于变结构控制系统算法简单，响应速度快，另外一个重要的研究分支是抑制切换振颤。很多不同的滑模控制方法在工业中虽然大部分得到了应用，但是良好效率和易于实现的控制效果，在实际中并不容易。

2.4DC/DC变换器的混沌控制

混沌是指确定性动力学系统因对初值敏感而表现出的不可预测的、类似随机性的运动，这样的运动称为混沌。同样是指现实世界中存在的一种貌似无规律的复杂运动形态，其实这其中也是有规律的只是这种规律包含在复杂的无规律之中，人们需要通过复杂的数学推倒找到这种规律的系统。混沌研究的实际意义是多方面，混沌运动对确定性系统本身就存在着内秉随机性的揭示，无疑会使人们更加深入的了解世界，更加全面地认识自然界的统一性。同时也为人打开了认识自然的另一种途径，使人们理性的理解大自然。同时混沌控制方式可以分为两类：反馈控制和非反馈控制。

单管不隔离DC/DC变换器中的一种基本结构是Buck变换器，其根据电感L的大小，其工作过程可分为电感电流连续导通即CCM和电感电流断续导通即DCM两种模式；每种导通模式下，其工作状态可分为两种：开关管导通和开关管闭合。电流反馈控制的buck变换器，其主电路包括两个电阻RS和电阻RL，一个电容C0，一个电感L，一个开关K，一个二极管D；期辅助电路包括：放大器A1及其电容C1，电阻R1和电阻R2；与一个比较器A2。Buck变换器工作于连续导通模式（CCM），则在一个开关周期内分两种工作状态。工作模态1：当开关K导通，输入电压Vin与电感L、电阻RS和RL及电容C0相串联，并且电感中的电流Li增加，由于二极管单向导通，因此二极管D截止；工作状态2：当开关K截止时，二极管D导通，电感L放电，电感L与电阻RS和RL及电容C0相串联，由于电感L放电，因此电感中的电流Li减少。

总之，太阳能光伏发电技术和产业是以后和将来，人类能源发展的最主要方向之一。本文以光伏发电系统的为研究方向，对其中的关键控制问题，包括光伏阵列模型、变换器的控制策略、系统中的混沌控制等关键问题。

参考文献：

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[2]李玲.太阳能光伏发电系统的控制问题研究[J].才智，2015（15）：375.

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