计及功率器件主动热控制技术的光伏发电系统MPPT方法研究文献综述

学 生 姓 名：

张 竞 文

学 号：

916108260115

专 业：

新能源科学与工程

设计(论文)题目：

计及功率器件主动热控制技术的

光伏发电系统MPPT方法研究

指 导 教 师:

应展烽

摘要：作为一种绿色清洁无污染的新能源发电方式，光伏发电具有较大的发展潜力。最大功率点跟踪（MPPT）算法作为光伏发电系统中的关键技术，可以实现能量收集的最大化。然而，在追求系统高功率输出的同时，光伏发电系统中功率器件的结温会迅速上升，给系统的稳定和安全运行带来隐患。工程中，通常采用被动热管理手段来解决功率器件过温问题。但这种温度保护方法通常较为保守，无法充分发挥MPPT算法的最大功率点跟踪能力。为此，本课题提出计及功率器件主动热控制技术的光伏发电系统MPPT方法，克服由温度限制导致系统输出相对保守的缺陷，在保证功率器件安全的前提下，充分发挥MPPT算法的最大功率点跟踪能力。

关键词： 功率器件；光伏发电系统；最大功率点跟踪（MPPT）；主动热控制

1.课题研究意义

随着化石能源的枯竭，以及其使用过程中带来的环境污染问题,可再生清洁能源引起了全球的热议。太阳能作为可再生能源之一，有着清洁、储量丰富等诸多优点，因此倍受人们的关注^[1]。但光伏发电在实际应用中还存在大量问题，亟待解决。例如，太阳能电池输出功率易受光照强度、环境温度等环境因素影响。如何提高光伏发电系统中的太阳能电池的效率，是光伏发电系统中的关键问题。MPPT算法策略在跟踪速度和输出性能等方面具有较大的优势，因此被广泛应用于光伏发电系统之中，用来充分实现能量收集的最大化^[2][3]。

在光伏发电系统中，功率器件是最易失效的元件。在追求系统高功率输出的同时，会使功率器件内部结温迅速上升，为其可靠运行带来安全隐患。在此背景下，功率器件的结温管理尤为重要。目前，结温管理方法主要分为被动热管理和主动热控制。常用的被动热管理手段包括功率器件散热和过温关断保护。功率器件散热的方式虽然可以有效降低器件以及整个装置的平均温度，但在环境条件恶劣的情况下，功率器件仍有超温的可能，并且这种方式也会增加整个系统的成本。而过温关断保护的方式较为保守，与MPPT实现能量收集最大化的理念背道而驰。与此相比，主动热控制方法的控制手段更加灵活，控制精度更高，可更加有效避免功率器件的潜在破坏应力，同时使整个系统能够在最大允许温度和温度周期内连续安全地工作^[4]。

本研究将主动热控制技术与MPPT算法相结合，提出计及功率器件主动热控制的光伏发电系统MPPT方法。通过相关仿真进行验证，该方法在保证功率器件安全可靠的前提下可以充分挖掘光伏发电系统的输出功率。该方法不仅可以为整个光伏系统的运行提供可靠保障，还可以在保证功率器件安全运行的条件下提高光伏发电系统的输出功率。

2.研究现状

随着人类文明的迅速发展、社会的不断进步,以化石原料为主的传统能源已不能满足人类日益增长的需求, 大力开发利用新能源成为了保护人类赖以生存的环境、实现可持续发展的有效途径。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命、免维护性和资源的充足性，在长期的能源战略中具有重要地位。太阳能发电是新兴的可再生能源技术，其具有电池组件模块化、安装维护方便、使用方式灵活等特点，是我国未来能源发展的方向。预计到2050年前后，中国将形成以可再生能源为主的能源体系，可再生能源在能源消费中的比例达到60％以上、占总发电量的比例达到85％以上，太阳能在综合能源的消耗和利用中的比例达到15%，完全实现能源生产和消费革命^[5][6]。

为获得最大输出功率，目前所采用的方法一般是在太阳能电池和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器功率开关的导通率，来改变负载对光伏电池的输入阻抗，实现最大功率点的跟踪^[7]。光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)技术在国内外的研究和开发已经比较成熟。光伏阵列最大功率点跟踪算法有很多，其中典型的有扰动观察法（Pamp;O），电导增量法（INC）^[8]。MPPT算法的优势体现在跟踪速度和输出性能等方面，因此被广泛应用于光伏发电系统之中。通过最大功率点跟踪（MPPT）算法可以将光伏电池板输出的电压变换成稳定的直流电压，从而供给后端负载或进行后续逆变。该算法通过实时监测太阳能板的输出电压和电流，根据其状态的变化，不断调节电器模块的工作状态，控制输出功率始终保持在最大功率点处^[9]。研究人员已经开始对传统方式的MPPT算法进行改进。文献^[10]提出的对微逆变器输出电流直接控制法，通过光伏侧与输出侧电流的比例关系，控制输出侧电流，进而控制光伏侧电流，以此完成最大功率点跟踪。这个控制法不仅省去了光伏侧电压电流传感器以及输出电压传感器，而且控制量为单一变量，简单易操作，减少了芯片的运算量使得系统成本得以降低。文献^[11]用双向BUCK．BOOST变换器作为蓄电池的充放电控制电路，进行充放电控制算法的研究。

近年来，主动热管理控制逐渐被运用到电力电子器件控制中，相对于被动热管理控制，主动热控可以充分提高输出功率，又可能减少由于过温而引起的功率损失。对功率器件进行主动热控制，首先需要获得其温度。功率器件的结温是衡量功率器件运行可靠性的一个重要参量^[12]。功率器件的结温估测方法可归纳为两类：结温测量和结温估算^[13]。结温测量方法主要有物理测量法、光学法、温敏电参数法等。但结温测量的方法经济型普遍不高，并且物理测量法，光学法对于器件会造成破坏，所以结温测量并未普遍使用。结温估算方法利用器件的电损耗模型和热网络模型来实时推算出结温。这种方法虽然精度上有所欠缺，但是可操作性和经济性较高，因此在工程场合中被广为应用。

根据研究表明，功率器件结温每升高10℃，其失效概率将翻1倍^[14]。功率器件主动热控制中可调节的因素主要包括：直流电压、负载电流、开关频率、开关调制方式、开关驱动波形等。国内外学者已对热管理技术进行了深入研究。文献^[15]针对海上风电变流器的并联拓扑结构，提出了一种基于无功环流的主动热控制方法，调节其最冷点温度始终高于凝露温度。文献^[16]基于有限元分析的方法对IGBT功率模块进行主动热控制方法研究，通过对开关频率的划分与调制控制，实现了IGBT功率模块温度的主动热控制。文献^[17]也提出了一种通过降低开关频率来减缓结温变化的主动热控制方法，它在电机低速高转矩运行条件下降低PWM频率，可以有效降低功率器件平均失效时间。文献^[18]通过对比不同调制方法对器件结温的影响，提出了在变流器输出频率较大的情况下采用60°平顶（FT60）调制法来替代SPWM调制来减小结温。

有一些文献近年来开始研究如何通过主动热控制思想来提高光伏发电系统DC/DC变换器中功率器件的可靠性。文献^[19]权衡了功率器件的发热量以及年发电量之间的关系，选择了一个固定的功率限制值，使MPPT输出的功率不得大于此限制值。文献^[20]将主动热控制与现有的扰动观察法进行结合，提出了一种“寿命最优”的MPPT算法来控制DC/DC变换器上的功率器件，目标为通过控制占空比来限制温度梯度的剧烈变化，从而提高功率器件的寿命。

3.研究内容

1.光伏发电系统中DC/DC变换器模型及传统MPPT算法控制策略仿真研究；

2.光伏发电系统中功率器件的热网络模型与损耗模型研究；

3.计及功率器件主动热控制的MPPT方法仿真研究。

4.拟采用的研究手段

1. 基于相关参考文献，对光伏发电系统DC/DC变换器模型及传统MPPT算法控制策略进行研究，建立光伏发电系统DC/DC变换器仿真模型，分析不同的传统MPPT算法原理，并将其应用于仿真之中。

2. 利用实验室中的功率器件主动热控制平台，完成功率器件损耗模型的建立。在仿真中，基于热平衡与热电类比理论建立适用于光伏发电系统中功率器件的热网络模型，并对其结温进行计算。

3. 仿真验证不同占空比及不同开关频率条件下的功率器件温升情况，研究计及功率器件主动热控制的光伏发电系统MPPT方法，并在仿真中验证不同环境条件下该方法的正确性。

参考文献：

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指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对“开题报告”（课题的深度、广度及工作量）的评语和对设计（论文）结果的预测：

成 绩

指导教师

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所在专业审查意见：

负责人：

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