【《光伏电池最大功率点跟踪技术研究》3800字】

光伏电池最大功率点跟踪技术研究目录TOC\o"1-3"\h\u8012第一章光伏电池最大功率点跟踪技术研究 1165831.1光伏电池特性 1116811.1.1光伏电池阵列等效模型 1270411.1.2光伏电池输出特性 227241.2光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)研究 4211251.2.1MPPT电路拓扑 4154421.2.2MPPT工作原理 5133251.3常见MPPT控制方法 62961.3.1定电压跟踪法 6168671.3.2扰动观察法 7309141.3.3电导增量法 7218581.4改进变步长扰动MPPT控制算法 813941第2章新能源并网逆变器仿真研究 9323402.1MPPT控制算法仿真研究 9137312.2单相并网逆变电源仿真研究 11128942.2.1仿真模块分析 1197002.2.2仿真波形分析 13太阳能电池板的输出电压电流，会随着环境的不稳定而产生波动，功率变化较为频繁，很难长时间的工作在最大功率输出状态下。因此，为了提高太阳能的使用效率，常用的措施是针对太阳能光伏板的输出功率，进行最大功率点跟踪(MPPT)。1.1光伏电池特性1.1.1光伏电池阵列等效模型如图1.1所示，为太阳能电池板的等效模型。图1.1太阳能电池板的等效电路模型图1.1中，输入端的二极管等效为光伏电池板内部的PN结，用IVD表示光伏电池板初始时刻的扩散电流，在初始时刻光伏板内部的PN结工作特性与普通二极管类似；太阳能电池在光照条件下产生的电流，用来表示，其大小正比于光的强度以及光伏电池板的有效面积，的值大约为16～30mA/cm2，此电流的大小还与环境的温度成正比；光伏电池内部等效并联电阻，用表示，阻值比较适中；等效并联电阻上流过的电流，用Ish表示；为光伏板内部等效的串联电阻，用表示，该电阻阻值极小。从图中可以得出：（1.1）（1.2）（1.3）将式(1.2)和(1.3)代入式(1.1)可以得出：（1.4）式中，代表光伏板的开路电压，为等效二极管的饱和电流，这两个参数与光伏板内部的半导体材料有关，大小几乎不受环境的影响。n为二极管的品质因子。1.1.2光伏电池输出特性光伏板的输出是由光子转化为电能而来的，光伏电池的输出电压与电流之间没有固定的关系。温度与光照的变化使得光伏板的输出量之间的非线性关系越来越明显。光伏电池输出在不同温度与光照条件下的变化曲线如图1.2所示。(a)光照不同时U-I曲线(b)光照不同时U-P曲线(c)温度不同时的U-I曲线(d)温度下不同时的U-P曲线图1.2光伏板输出随光照与温度的变化曲线从图1.2中可看出光伏板的输出电流与电压之间是非线性的关系，光伏板的输出功率随着温度和光照强度的变强而升高；在输出电压较低时，功率随温度的变化是两个方向的，低压时功率随温度升高而变大，而高压时输出相反的趋势，即功率随温度的升高而变小。1.2光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)研究1.2.1MPPT电路拓扑MPPT的控制通过开关变换器实现。在MPPT控制中常用的开关变换器主要包括Buck、Boost、Buck-Boost。电路拓扑如图1.3所示。图1.3(a)Buck电路拓扑1.3(b)Boost电路拓扑图1.3(c)Buck-Boost电路拓扑图1.3几种常见的DC-DC变换拓扑图1.3中的Buck和Buck-Boost电路功率开关管连接在输入端，因此开关管的电流是不连续的，光伏电池在电流不连续的情况下实现最大功率点跟踪相当困难，输入端必须通过大的电解电容来实现稳流，而输入电容在电路工作的初始时刻会产生极大的冲击电流，不利于电路的稳定性。而前面介绍的Boost电路输入端是通过电感与电源连接的，而电感电流可以工作在连续模式，选择较大的电感可以减小电感电流的波动，克服了加大容量电解电容引起的弊端。另外Boost电路开关管驱动比BUCK容易实现。因此，本设计选择Boost电路作为MPPT控制电路。1.2.2MPPT工作原理当利用太阳能给负载供电时，电路如图1.4所示。图1.4光伏电池等效工作电路负载的功率为： （1.5）式中，负载为一变量，将式对求导可得：（1.6）当时输出功率最大，此时。从以上分析可以看出，只要使得负载的电阻与光伏板的电阻相等，光伏板就可以输出最大功率。在DC-DC电路中通过调整开关管的占空比来调节DC/DC电路的等效内阻与光伏板的内阻相等，进而实现MPPT控制。1.3常见MPPT控制方法MPPT的控制方法有很多，常用的有：定电压跟踪法、扰动观测法以及电导增量法。1.3.1定电压跟踪法从图1.5可看出，光伏电池的最大功率输出，在某一垂直线的两侧变化。因此，只要设法将光伏电池输出电压保持在这一垂直线上，电压附近光伏电池的输出功率就会达到最大值，这种方法称为定电压跟踪法。有研究表明光伏电池最大功率点电压与光伏板的开路电压接近呈正比例关系，即（1.7）其中，比例系数k的决定因素在于光伏板的特性，一般取0.8左右。定电压跟踪法不需要对电路的闭环控制进行设计，这样操作起来就比较，不过定电压控制忽略了环温对系统的影响，控制效果不够理想。图1.5不同光照下的P-V曲线1.3.2扰动观察法所谓扰动观测法，是基于一定的方法方式，对光伏电池的输出电流和电压产生扰动，这种扰动一般是小幅度的。再根据这种扰动，来观察输出功率的变化过程，再根据功率变化的过程，去针对性地改变电压电流的变化，最后，使得光伏板的输出功率落在最大功率点。扰动观测法有定步长扰动观测法和变步长扰动观测法之分。图1.6为定步长扰动法的实现流程。图1.6定步长扰动法流程图扰动观测法控制方式较为简单，实操性强，所需要确定的参数也比较少，因此该方法应用的比较广泛，不过该方法的最大缺点是最大功率点附近的电压电流会产生振荡，引起一定的损耗。1.3.3电导增量法如上文所述，当时，输出功率则达到最大值。所谓电导增量法，正是推导输出最大功率时电导变化率与电导之间的关系的重要方法。光伏电池的输出功率为：（1.8）基于输出电压的动态变化性，对等式两边的求导可得：（1.9）当时，输出功率最大，就可以推导出电导与其变化率的关系：（1.10）实际中近似用代替，则电导增量法的判据为：（1.11）电导增量法比较稳定，系统可以稳定的跟踪因环境变化而引起的参数变化。但电导增量法控制精度要求较高，参数整定比较复杂。1.4改进变步长扰动MPPT控制算法本文基于扰动观察法的应用基础，进一步提出三阶段变步长扰动法，该方法的显著优势在于，能够有效消除最大功率点附近的振荡。光伏电池阵列的功率与电压的关系曲线可分为最大功率点左边、最大功率点和最大功率点右边三个阶段，曲线如图1.6所示。图1.7光伏电池的P-U曲线阶段1和阶段3离最大功率点比较远，因此可以进行大步长扰动，加快系统的跟踪速度使其快速接近最大功率点；在第二阶段接近最大功率点的时候，采用小步长跟踪，如此一来，最大功率点附近的振荡得以减小，系统的稳定性也同步提高。此方法加入步长α的自动调整公式保证系统的动态性能和稳态性能，步长α的自动调整公式为：（1.12）式中，C为某一常数，=P(n)-P(n-1)，α为占空比的调整步长，对应的流程图如图4.8所示。其中β1和β2为常数，m为一变量，常数C根据系统的控制要求取值，变量flag则决定占空比D的变化方向，取+1或-1。图1.8改进后的扰动观察法流程图第六章新能源并网逆变器仿真研究2.1MPPT控制算法仿真研究根据以上变步长扰动MPPT法的理论分析，搭建了系统仿真模型。仿真模型如图2.1所示。仿真参数设置为：开路电压UOC=200V，短路电流ISC=60.58A；温度为设置为3个步长的扰动，最大功率点电压Um=150.7V，最大功率点电流=50.94A。仿真结果如图2.2和图2.3所示。图2.1仿真模型图图2.2输出电压波形图2.3输入功率波形由图2.2可知，MPPT电路输出电压在初始时刻会有比较大的振荡，在此时刻需要用大步长来扰动系统，加快跟踪速度，然后开始小步长搜索最大功率点，最后系统以一固定步长稳定工作在MPPT点。从图中也可以看到系统在0.1秒后即工作于最大功率点，在0.4S后由于环境温度发生了突变系统的输入功率会有一个短暂的下陷，但很快就恢复到最大功率点。仿真结果表明该变步长扰动观测法响应速度很快且稳态性很好，从图中还可以看出稳定后系统的振荡相当小。2.2单相并网逆变电源仿真研究本节将对设计的单相并网逆变器进行控制策略的仿真研究，仿真电路模型如图2.4所示，仿真主电路为单相全桥逆变电路，输出接LCL滤波器。电路参数设置为：输入电压=400V；输出功率Po=2.2KVA；输出LCL滤波器参数为L1=L2=3.3mH，C=6uF；并网电压为=220V；f=50HZ。图2.4单相LCL并网逆变器仿真模型2.2.1仿真模块分析图2.5为闭环控制模块，逆变器的输出电压经过锁相环后输出电压的瞬时值，电压瞬时输出经过正弦函数运算后得到电压频率和相位的信号，该信号与一常数相乘得到一个跟踪逆变器输出电压的信号，这里的常数值大小为设定的输出电流的峰值。逆变器输出电流信号经过采样与乘法器输出的函数信号相比较后得到的误差信号再经过PID调节。输出电流的频率与相位时刻跟踪输出电压的频率和相位，达到了锁相的目的。电容电流反馈信号乘以反馈系数后得到虚拟阻抗，该虚拟阻抗作为逆变器输出电流PID运算后的参考信号，两者相比较后产生误差信号，该误差信号经过增益变换和限幅后作为调制波输入到驱动模块。图2.5电流反馈控制模块图2.6为驱动产生模块，调制波为正弦波，将正弦调制波的占空比限制在1以下，调制波与三角载波相比较后产生四路SPWM信号用来驱动全桥逆变器的4个开关管。将三角载波设置为正负脉冲信号就可以得到双极性调制的SPWM波形。图2.6驱动产生模块2.2.2仿真波形分析图2.7为单相全桥逆变器的驱动波形，从波形当中可以看出该4路驱动信号的占空比不是固定的，证明了该调制方式为SPWM调制非普通的定占空比调制。图2.7SPWM驱动波形图2.8为并网逆变器输出电压和电流波形，可以看出逆变器的输出电压和电流都是正弦波，且电压和电流相位频率都保持一致，电流波形几乎没有振荡。证明了电容电流反馈和并网电流反馈的闭环控制可