【《光伏电池建模和最大功率跟踪综述》2900字】

光伏电池建模和最大功率跟踪综述目录TOC\o"1-2"\h\u14083光伏电池建模和最大功率跟踪综述 1236271.1光伏电池工作原理 112121.2光伏电池数学模型与建模仿真 1293041.3最大功率点跟踪技术 492911.4扰动观察法建模与仿真 5197631.5改进与展望 81.1光伏电池工作原理太阳能发电系统的组成微元是光伏电池，光伏电池将照射到其上面的太阳能转化为电能的基本原理被称为光生伏打效应。光生伏打效应的基本内容是：当光伏电池受到光照的时候，光伏电池吸收一部分辐射能量，内部PN结将产生电子空穴对，此时在电池内部内建电场作用下，电子与空穴将分别等效向着N区与P区移动，继而使得N区带有负电荷，P区带有正电荷，也就是PN结外部表现出与内部内建电场相反方向的电压。这时如果将光伏电池PN结通过导线连向外电路，就能输出电功率，实现太阳能到电能的转换[9]。图1.1光伏电池工作原理1.2光伏电池数学模型与建模仿真目前光伏电池的主要建模方法分为两种：一种是物理建模，这种建模方式倾向于以实际理想电路为基础，以光伏半导体单元的物理基础建立等效数学模型，这样子建立的等效模型仿真与实际差别较小，精度相对较高，然而模型中涉及与对外等效电路无关的许多难以获取和实测的内部内部半导体单元参数，使得该模型不方便直接利用于工程实际与仿真模拟验证；另一种建模方法是仿真建模，这种建模方法忽略掉了与内部物理本质，而是对其外特性进行模拟建模，建模时通过电池的实测参数如端电压、输出功率、端电流、光强及温度等进行数学函数上的拟合。基于建模的准确性以及方便性，本文采用的建模方法为仿真建模。太阳能电池的模拟电路如下图1.2。 图1.2光伏电池等效电路文献[12]对上述模型进行了简化，并且因为光伏外特性受主要受温度和光照影响，只有对其拟合才可以十分确切地模拟光伏电池的外特性，由此到得出光伏电池工程数学模型如下:I=CCDT=T−DI=aDV=b×DT−其中，C1和C2为修正系数；T为温度参考值，取为25；Sref为光照参考值，取为1000；Uoc和Isc分别为开路电压和短路电流；Um和Im分别为最大功率点电压电流；a为短路电流温度系数，b为开路电压温度系数；Rs为光伏组件的串联电阻。根据这个四参数模型以及光伏工程简化模型，在Matlab/Simulink里进行建模，建模如图1.3。图1.3Simulink光伏建模在环境温度为额定温度25摄氏度时，设置光伏板不同强度光照，对其输入输出特性测试得到：图1.4.1光强400图1.4.2光强600图1.4.3光强800图1.4.4光强1000从测试结果来看，该模型与理想光伏模型比较符合，且从中可以看出：在相同的温度和光照强度下，光伏电池的外电压和输出电流之间并不是线性的，而且存在一个最大功率输出点；另外当光伏外部参数如温度和日照强度发生变化后，其输出特性包括最大功率点都会发生变化。在光伏实际工作场景中，外部条件如温度和光照不恒定并处于时刻的不可预测变化中，因此，在时刻变化的外部条件下，怎样提高效率，尽可能利用太阳能也就是使光伏电池时刻工作在最大功率点，输出当前条件下的最大功率，是光伏系统中一个必须解决的问题。1.3最大功率点跟踪技术最大功率跟踪技术，在光伏发电系统中是指使光伏在复杂条件下始终工作于最大输出功率状态的技术。其基本控制原理是：在光伏阵列和负载之间通过特定技术加入一个阻抗变换器，通过dc/dc变换电路，调整变换器占空比，占空比变化相当于负载阻抗变化，当占空比变化至负载阻抗接近于光伏最大功率输出阻抗时，这时光伏将输出最大功率。图1.5MPPT控制基本原理图近些年来，相关学者对最大功率跟踪算法进行了非常多的研究以及改进，并在其中运用了许多先进算法，其中作为经典控制算法被广泛采用的有恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等。其中，恒定电压法原理如下：当温度恒定时，通过变动光伏电池接受的光强测试光伏电池最大功率点，其将近似拟合于同一个电压垂直线，经过多次测试，得到这个电压值，并使光伏电池维持工作于这个电压点附近就能输出大致的最大功率。恒定电压法有很多优点，比如：易于实现，系统比较稳定且控制方法简单；但是当给定温度条件变化时，光伏最大功率点电压并不能保持恒定，假使继续采用此算法，会造成设定电压点与最大功率电压出现大范围偏差，进而造成功率大量的损失。因而现在较少采用。扰动观察法是当下最常使用的MPPT算法之一，其原理如下：每隔一定长的时间对占空比进行一个小扰动，同时对光伏电池输出功率采样继而反馈，并将反馈记录到的值与前一次测到的值进行对比，如果这次的功率输出大于前次，则下次向相同方向扰动，否则向反方向扰动。扰动观察法有许多优点，总结如下：基本原理十分简单，参数测量非常之少，易于实际工程实现。然而其在原理性上就存在矛盾点，即控制精度与控制快速性不可兼得：设定大步长可以缩短找到最大功率点时间，但是当找到最大功率点后，输出功率波动较大；而设定小步长虽然可以减少震荡，但是大大加长了找到最大功率点的时长。作为对扰动观察法的改进，电导增量法根据光伏电池瞬时电导和电导变化率的关系，判断当前光伏电池工作点位置，继而确定下次扰动方向。电导增量法相较于扰动观察法功率扰动不再存在，输出功率平稳，并且比扰动观察法能更好地在复杂环境变化条件下跟踪最大功率点。然而电导增量法对于精度要求高，需要由硬件完成反复微分计算，对其性能要求非常之高。综上，从实际成本与效果出发，选择扰动观察法作为本文MPPT算法并进行相关分析改进。1.4扰动观察法建模与仿真本文DC/DC变换电路采用Boost变换器，其电路原理图如图1.6。图1.6Boost变换器电路原理图Boost变换器是一种直流升压电路，通过改变功率开关Q的占空比大小，可以改变负载对于U1的等效电阻大小，这也是光伏最大功率点跟踪的原理之一。MPPT算法采用扰动观察法，其逻辑原理图如图1.7. 图1.7扰动观察法原理在Matlab/Simulink里对其建模，得到如图1.8.图1.8扰动观察法建模在Simulink里建立boost电路模型，并将MPPT扰动观察法接入系统，整体建模如图1.9.图1.9MPPT建模将扰动步长-c-设置为0.001时，得到如图1.10和。 图1.10光强变化时（400，600，800，1000）最大功率跟踪效果图1.11设定扰动步长为0.001输出功率图1.12设定扰动步长为0.005输出功率该测试结果与上文光伏电池测试结果的最大功率点大小基本一致，证明了该电路以及扰动观察法寻找最大功率点的有效性。设立的两次不同扰动精度，再进行仿真结果如同1.11和图1.12表示：当设立较小扰动（0.001）时，光伏输出功率到达稳定点后波动较小，然而追踪到最大功率点所耗费的时间较长；当设立较大扰动（0.005）时，光伏追踪到最大功率点所耗时间较短，然而在稳定工作点附件波动较大。该结果正说明了扰动观察法的缺陷：速度与精度不可得。1.5改进与展望文献[16]针对扰动观察法的缺点，提出了变步长的最大功率控制，其基本内容是：当光伏功率在离最大功率较远时，采用较大步长的扰动来保证速度；当光伏功率离最大功率较近的时候，采用较小步长扰动来保证精度，由此同时实现精度速度。文献[17]提出了一种变步长电导法，其算法更稳定高效、速度更快并且减少了有功损耗，然而建模实现相对复杂且要根据实际情况调制参数。文献[18]提出了一种模糊控制算法，可以根据外界环境计算生成合适的控制步长，再通过输出电压实际值与参考值差值生成占空比，实现最大功率自适应调节，其抗外界条件变化干扰能力强，反应