独立光伏系统最大功率跟踪控制器的实现.doc

本文由lishijun3736贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电源技术 研 究 与 设 计 独立光伏系统最大功率跟踪控制器的实现 张瑞宁， 石新春 （ 华 北 电 力 大 学 电 气 工 程 学 院 ， 河 北 保 定 ） 摘 要 ： 介 绍 了 在 小 型 独 立 光 伏 系 统 中 一 种 最 大 功 率 跟 踪 器 的 实 现 。控 制 器 的 主 电 路 采 用 了 降 压 斩 波 电 路 ， 结 构 简 单 ， 硬 件实现方便。控制部分在经典干扰观测方法的基础上对控制方法进行改进， 采用变步长跟踪， 克服了跟踪速度和跟踪 寿 工 精 度 之 间 的 矛 盾 。采 用 超 级 电 容 器 作 为 储 能 装 置 ， 从 根 本 上 解 决 了 蓄 电 池 储 能 的 二 次 污 染 严 重 、 命 短 、 作 温 度 范 围 窄 等 问 题 。应 用 仿 真 软 件 搭 建 光 伏 电 池 模 块 ， 并 根 据 改 进 的 干 扰 观 测 法 建 立 最 大 功 率 跟 踪 控 制 器 ， 对 超 级 电 容器进行充电。仿真结果表明此控制器跟踪快速有效。 关 键 词 ： 光 伏 阵 列 特 性 ； 降 压 斩 波 电 路 ； 超 级 电 容 器 ； 最 大 功 率 跟 踪 （ ） ； 改 进 干 扰 观 测 法 ； 仿 真 中 图 分 类 号 ： 文献标识码： 文 章 编 号 ： （） ， （ ， ， ） ： ， ， ： ； ； ； ； ； 跨 入 世 纪 ， 能 源 问 题 越 来 越 突 出 ， 具 体 表 现 在 ： 常 规 能 源的匮乏不足； 化石能源的开发利用带来了一系列问题， 如环 境污染、 室效应都与化石燃料的燃烧有关。 类要解决上述 温 人 能源问题， 实现可持续发展， 只能依靠科技进步， 大规模地开 发利用可再生洁净能源。 阳能以其独具的优势， 其开发利用 太 必 将 在 世 纪 得 到 长 足 的 发 展 ， 并 终 将 在 世 界 能 源 结 构 转 移 中 担 当 重 任 ， 成 为 世 纪 后 期 的 主 导 能 源 。 前 ， 太 阳 电 池 板 目 还面临着造价高的问题， 所以如何提高电池板的利用效率成 为 研 究 的 热 点 。 最 大 功 率 跟 踪 （） 是 继 恒 定 电 压 跟 踪 进行了验证。 光伏阵列输出特性 目前， 用得最多的是硅电池， 本文以硅电池为例介绍光伏 阵列的输出伏安特性。光照、 度、 载都会影响光伏阵列的 温 负 输出特性。 温度和光照影响 图 是 光 伏 电 池 在 标 准 温 度 时 的 特 性 ， 温 度 恒 定光照变化。 以看出在此种情况下， 随着光照的减小最大功 可 率减小， 但是最大功率处电压基本不变。 用恒电压控制基本 采 可以满足最大功率跟踪要求。 图 是 光 伏 电 池 在 标 准 光 照 时 的 特 性 。 可以看出随着光伏电池温度的升高最大输出功率下降并且最 大 功 率 点 的 电 压 发 生 偏 移， 这 时 若 仍 然 用 恒 定 电 压 跟 踪 则 输 出 功 率 的 损 失 很 大 。 我 们 用 曲 线 和 曲 线 为 例 说 明 。 当 光 伏 电 池 的 温 度 为 时 ， 端 电 压 相 对 值 为 时 输 出 功 率 最 大 。 光 伏 电 池 的 温 度 变 为 时 若 仍 以 端 电 压 相 对 值 当 在 为 输 出 ， 则 输 出 的 功 率 几 乎 为 ， 造 成 了 大 量 功 率 浪 费 。 实际中， 需要同时考虑光照和温度的变化， 这样恒定电压法跟 踪就存在弊端， 不能满足最大功率点跟踪。 （） 之 后 更 有 效 的 最 大 功 率 跟 踪 方 法 。 目 前 国 内 外 越 来 越 多的太阳能研究工作者对其方法不断进行改进完善， 以提高 光伏电池的利用率。 文对传统的爬山法进行改进， 得到一种 本 跟 踪 快 速 、 率 高 的 方 法 ， 用 仿 真 软 件 实 现 效 了 精 度 在 工 程 要 求 范 围 内 的 光 伏 阵 列 ， 并 对 改 进 方 法 收 稿 日 期 ： 作 者 简 介 ： 张 瑞 宁（ ） ， 女 ， 河 北 省 人 ， 硕 士 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 光 伏 发 电 系 统 控 制 技 术 ； 导 师 ： 石 新 春（ ） ， 男 ， 河 北 省 人 ， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为电力电子在电力系统中的应用。 ： （ ）， ， ； ： （ ） ， ， 负 载 为 时 才 可 以 保 证 光 伏 电 池 以 最 大 功 率 输 出 。当 外 界 环 的交点为 点， 从图中可以看出光伏电池不再以最大功率输 境 发 生 变 化 ， 光 伏 电 池 的 伏 安 特 性 移 至 （） ， 和 （） 出， 等效电阻不能与光伏电池相匹配。 望通过改变等效电阻 希 的大小来和光伏电池匹配使其输出功率最大。等效电阻变为 时 ， 光 伏 电 池 的 工 作 点 变 到 点 ， 保 证 了 最 大 功 率 输 出 。不 在最大功率点工作。 断改变等效负载的大小即可实现负载的端电压满足光伏电池 光伏阵列模型 图 光照变化温度恒定时光伏阵列的 特性 光伏阵列数学模型 在 文 献 中 作 者 建 立 了 在 工 程 精 度 允 许 的 条 件 下 光 伏 电 池 的 简 化 模 型 ， 如 式 （） ： （ （） ） 其 中 ， （ ） （ ） （ ）（ ） 下 列 参 数 为 厂 家 提 供 的 参 数 ： 短 路 电 流 、 开 路 电 压 ， 标 准 环 境 （ 通 常 取 光 照 ， 光 伏 电 池 温 度 功 率 。 ） 时 的 最 大 输 出 电 流 、 大 输 出 电 压 、 大 输 出 最 最 当 光 照 （） 及 电 池 温 度 （） 变 化 时 光 伏 电 池 的 输 出 功 率 会 变 化 。 为 了 方 便，电 池 温 度 可 由 大 气 温 度 和 光 照 拟 合 ： （） （） （） （） （） S S = 1 S 图 光照恒定温度变化时光伏阵列的 曲线 下 面 一 组 公 式 得 到 任 意 时 刻 光 伏 电 池 的 特 性 ： 负载特性影响 光伏电池的伏安特性及等效负载特性如图 所示。可以 看出在较低电压区域内光伏电池具有高内阻特性， 可视为电 流源。 较高电压区域内可视为电压源。 大输出功率点在电 在 最 压源和电流源的交点处。把光伏电池的所有负载在每一个微 小 的 时 间 段 里 等 效 成 电 阻 。 第 一 时 刻， 光 伏 电 池 的 输 出 特 性 在 为 （） ， 这 一 时 刻 光 伏 电 池 的 最 大 功 率 点 在 点 ， 则 等 效 V = V (1 c )ln(e + b ) S (1 + a ) I = I S Vm = Vm (1 c ) ln(e + b ) 、 、 典 型 值 ： ， ， 。 式 中 ： 为 任 意 时 刻 光 伏 电 池 的 温 度 ； 为 任 意 时 刻 与 标 准 环 境 下 光 伏 电 池 的 温 度 差 ； 为 任 意 时 刻 的 光 照 ； 为 任 意 时 刻 与 标 准 环 境 下 光 照 差 ； 为 任 意 时 刻 的 短 路 电 流 ； 为 任 意 时 刻 的 开 路 电 压 ； 为 任 意 时 刻 输 出 最 大 功 率 对 应 的 最 大 输 出 电 流； 为 任 意 时 刻 输 出 最 大 功 率 对 应 的 最 大 输 出 电 压 。 把 、 、 、 代 入 （）（）（） 就 可 以 得 到 任 意 环 境 条 件 下 光 伏 电 池 的 特 性 。 光伏阵列 仿真模型 根 据 中 的 光 伏 电 池 的 数 学 模 型 在 的 中搭建光伏电池仿真模型， 封装后的模型如图 所示。 入不 输 图 光伏电池伏安特性及等效负载特性 同的温度、 照和输出电压， 可以得到不同的输出电流。在此 光 光伏电池模型的内部封装了 模拟。 研 究 与 设 计 电源技术 （） （） （） （） （） （） （） S I = I (1+ a) S （） （） （） （） 、 、 、 、 、 、 、 等 参 数， 只要修改这些参数即可实现对不同规格的光伏电池进行 电源技术 研 究 与 设 计 流控制电压源实现了光伏阵列模块等价于实际光伏阵列的两 个输出端子。 控制算法实现 常 用 的 算 法 有 干 扰 观 测 法 、 导 增 量 法 、 糊 逻 电 模 图 光伏阵列封装模型 辑控制法等， 除此之外还有其他多种方法可以实现光伏阵列 的最大功率点跟踪， 包括滞环比较法、 经元网络控制法、 神 最 优 梯 度 法 等 ， 它 们 实 现 控 制 的 原 理 都 是 类 似 的 ， 但 具 体 实现方法各有差别。 由于干扰观测法算法简单且易于硬件实现， 所以被广泛 的应用。经典干扰控制法的原理是每隔一定的时间增加或减 小 电 压， 每 个 周 期 的 改 变 步 长 是 一 定 的 ， 观 测 其 后 的 功 率 变 化 方向， 若功率变大则继续此扰动方向， 否则改变方向。但是步 长不易确定， 如果步长大可以较快跟踪到最大功率， 但在最大 功率附近振动较大。 果步长较小， 虽然在最大功率点附近振 如 荡较小， 但跟踪的速度又太慢。 针对以上缺点对经典干扰法自寻优算法进行改进。 通过改变降压斩波电路的占空比 来调节光伏电池输 出 电 压 。 可 以 看 出 要 使 向 着 理 想 的 方 向 变 化 则 由 需 要 把 向 相 反 的 方 向 调 节 。 比 如 ， 假 设 增 大 的 时 候 可 以 增 大 功 率 输 出 ， 由 于 不 能 控 制 的 大 小 ， 只 有 减 小 才 可 以 实 现 增 大 。 若 把 和 变 化 量 的 比 （ 即 ） 的 倍 数 最大功率跟踪控制器的实现 小型独立光伏系统如太阳能灯具， 和并网的光伏系统不 同之处在于， 光伏电池发出的直流电不需要逆变成交流电和 电 网 连 接， 只 需 用 光 伏 电 池 经 过 控 制 器 给 储 能 装 置 充 电， 以备给后继负载供电。 在传统的小型独立光伏系统中人们多以蓄电池作为储能 装 置， 但 蓄 电 池 的 二 次 污 染 越 来 越 突 出 ， 并 且 蓄 电 池 的 工 作 温 度窄、 命短， 也给蓄电池的使用带来了障碍。目前各国科研 寿 工作者都在尝试用超级电容器代替蓄电池作为光伏电池的储 能装置。超级电容器具有以下优势： 具有较高的功率密度； 放 电电流大； 有很高的充放电速率； 使用寿命长； 控制方便； 转换 效 率 高 ； 工 作 温 度 范 围 宽 ； 无 污 染 等 。 在 文 献 中 都 用 超 级 电 容 器 作 为 了 光 伏 电 池 的 储 能 装 置 。文 献 中 用 大 篇 幅 介 绍 了超级电容器的恒压、 流、 功率充电方法， 但小型光伏系 恒 恒 统中光伏电池的充电电流远小于超级电容器的最大充电电 流， 根据实际情况对超级电容器任意进行充电也不会对超级 电 容 器 的 使 用 造 成 影 响， 在 此 不 对 其 进 行 详 述 。 （） 作 为 变 化 量 的 步 长 ， 在 采 样 时 间 很 短 的 情 况 下 可 以 把 看 做 曲 线 上 各 个 工 作 点 的 斜 率 。在 离 最 大 功 率 点 较 远 的 地 方 斜 率 较 大 ， 则 较 大 ， 可 以 实 现 大 步 长 改 变 ； 靠 近 最 大 功 率 点 时 斜 率 几 乎 为 零 ， 即 很 小 ， 实 现 了 在 最 大 功 率 点 附 近 振 荡 很 小 。结 合 图 ， 在 离 功 率 最 大 点 较 远 控制器硬件实现 采 用 降 压 斩 波 电 路 做 为 控 制 器 ， 降 压 斩 波 电 路 控 制容易， 相对于其它斩波电路的波形波动小， 并且完全可以实 现 最 大 功 率 跟 踪 功 能 ， 文 献 都 采 用 的 降 压 斩 波 电 路 作 为 主电路， 采用了不同的控制方法， 得到了较好的仿真波形和实 由图 可 际波形。 降压斩波电路的拓扑结构如图 框 所示。 以看出在曲线转折点之前光伏阵列的输出电流基本不随输出 电 压 改 变， 所 以 光 伏 阵 列 可 作 为 电 流 源 使 用 ， 其 输 出 电 压 由 外 界电路决定。 同时从 图 可 以 看 出 在 外 界 环 境 一 定 的 情 况 下 ， 功率最大点对应的电压是一定的， 通过控制输出电压可以控 制输出功率的大小。 真实现如图 的框 所示， 使用一个电 仿 的 、 点 曲 线 的 斜 率 的 绝 对 值 较 大 ， 则 步 长 较 大 ， 可 实 现 快 速跟踪； 到 点的时候比较接近最大功率点则斜率的绝对值 变小， 步长减小， 在最大功率点处步长很小， 越靠近最大功率 点步长越小， 最后实现在其两边以很小的幅度振荡。 图 最大功率点跟踪原理图 功 率 变 化 大 概 分 为 图 所 示 的 、 、 、 四 种 情 况 ， 我 们 希望功率朝 和 方向走， 最终才可达到最大功率。 某一时 若 刻功率朝 和 的方向走则需要马上扭转过来。观察最大功 图 控制器结构图 率 点 左 边 即 、 两 种 情 况 ， 它 们 的 共 同 特 点 是 ， 并 且在最大功率左边的时候减小占空比会增大输出电压， 使功 研 究 与 设 计 电源技术 率 向 增 大 的 方 向 改 变 。 最 大 功 率 点 右 边 即 、 两 种 情 况 的 的 共 同 特 点 是 ， 并 且 在 最 大 功 率 右 边 的 时 候 增 大 占 空 比会减小输出电压， 使功率向增大的方向改变。 据以上规律 根 可 以 实 现 自 寻 优 。自 寻 优 的 流 程 如 图 所 示 。其 中 为 占 空 比 ， 为 占 空 比 的 变 化 步 长 （ ） 。 仿真实现如图 的框 。整个框 部分实现了最大功率点 跟踪。 为这一时刻功率与上一时刻功率的差值， 为这一 时刻光伏电池输出电压与上一时刻电压的差值。把 和 比 值 的 倍 数 （ ） 作 为 占 空 比 的 变 化 量 ， 即 图 框 中 的 果 ： 假 设 在 内 外 界 环 境 变 化 次 ， 观 察 功 率 跟 踪 情 况 。 从 在 图 中可以看出功率跟踪情况。 表 中给出了数字说明， 通 过与理论值的对比可知， 本文中设计的最大功率跟踪器能够 快速准确地跟踪光伏电池的最大输出功率。 和图 中的 为同一值。 模块为根据流程图 （图 ）中的 过程实现光伏电池输出功率的自寻优。 框 的输出和三角 图 波比较后得到相应占空比的脉冲序列来驱动 。 图 功率跟踪曲线 算法流程图 图 结论 本 文 提 出 了 干 扰 观 测 法 的 一 种 改 进 方 法 ， 并 在 中实现了以此方法为基础的最大功率跟踪控制器， 仿真结果 证明此控制器能快速准确地实现最大功率点跟踪。 仿真结果检验 检验仿真模型的可靠性和精确性。 选 择 进 行 仿 真 。 其 标 称 功 率 为 ， 最 佳 工 作 电 压 ， 最 佳 工 作 电 流 ， 短 路 电 流 ， 开 路 电 压 参考文献： 苏 建 辉 ， 余 世 杰 ， 赵 为 硅 电 池 工 程 用 数 学 模 型 太 阳 能 学 报 ， 。 其 上 参 数 为 厂 家 给 定