太阳能发电模拟仿真技术论文

基于扰动法的太阳能发电系统最大功率点跟踪仿真研究专业电气工程及其自动化 学生姓名田明 指导老师周波[ 摘要 ] 本文详细描述了分布式发电中的太阳能发电系统，了解了系统的必要的组成部分，其中包括电源部分、控制电路部分、直流变换部分和逆变部分等等。并分别在 MATLAB 中的SIMULINK 下搭建了它们的仿真模型，仿真结果表明所搭模型的正确性。在太阳能发电系统中，通过对现今常用的最大功率跟踪控制方法（ MPPT）的分析研究，介绍了开路电压法、短路电流法、 扰动观察法等方法的优缺点。 通过仿真可以看出扰动法能稳定快速的进行最大功率跟踪，为太阳能发电找到了一种很好的控制方法。[ 关键词 ] 分布式发电；光伏发电系统；最大功率点跟踪；扰动观察法Tracking simulation based on perturbation method of the maximum power point of solar power system Abstract This article describes solar power generation system in the application of distributed generation （ DG） in detail and we know the systems essential components. DG is composed of the power、 the control circuit、 DC transformation、 the inverter section and so on. The article builds these parts in MATLAB/SIMULINK respectively and simulation results show that these models are correct. By analyzing the advantages and disadvantages of the open-circuit voltage and short-circuit current method disturbance observation method. Simulation results show that the entire system can correctly reflect the actual operation of the system. So, it provides convenience for the research of distributed generation.Key Word Distributed Generation ;Photovoltaic Power Generation Systems;Maximum Power Point Tracking; Perturbation And Observation Method前言自从十八世纪以来生产力有了很大的发展， 期间的工业革命更是使得人类的经济水平有了空前的提高。 人们的生活已得到大大的改善，同时人们对煤、石油、 天然气等不可再生能源的需求也不断增加， 传统能源正日渐枯竭。 环境也受到了很大的污染， 灾害性天气不断的发生使得人们对大电网的弱点认识不断加深。 于是分布式发电日益被人们所重视， 加之经济危机等问题的出现 , 使得利用太阳能发电成了当今热点。大家知道太阳能电池板发电系统的价格虽有所下降但依然较高， 如果直接拿它们做研究成本太高， 且还存在现场很多不确定因素等等，因而对它们进行仿真就很必要了。一、 太阳能电池建模在恒定光照下，光生电流 不会随太阳能电池的工作状态变化而变化，因此在对太阳能电池板进行等效的电路中可以被认为是一个恒流源 。当太阳能电池接入负载后，光生电流就会流过负载而形成回路，此时在负载上就会产生电压 U（这个电压也就是光伏的电池输出电压）。太阳能光伏电池的等效电路如图 1所示。图 1 太阳能电池等效电路由太阳能电池等效电路可以得出 （ 1）（ 2）（ 3）综合上式可以的到（ 4）式中 （ 5）（ 6）式中 光伏电池输出电流（既负载电流）； 电池光伏电流； 二极管的饱和电流； q 为电荷常数（ 1.6 10-19 C ）； K 为波尔滋曼常数（ 1.38 10-23 J/K ）； T 为绝对温度； U为光伏电池输出电压； 由日照强度决定； S 代表光照强度； 绝对温度； A二极管品质因子； 二极管反向电流； 短路电流； 为温度系数； T 电池温度； Eg 能带系能量。这是基于物理原理的最基本的解析表达式， 已被广泛应用于太阳电池的理论分析中， 但由于表达式中的 5个参数，包括 、 、 、 和 ，它们不仅与电池温度和日射强度有关，而且确定十分困难， 因此不便于工程应用。 针对上述太阳能电池理论数学模型精度不高， 方法不够简化， 容易出错的缺点， 本文在其物理数学模型的基础上进行工程简化， 建立了工程数学模型。7 8 9 10 11 12 13 式中 ， ， ， 为 4个标准参考技术值； 为太阳光强参考值为 ； 为电池参考温度，为 25℃； ， 为任意太阳光强和电池温度； ， ， ， , 均为中间变量； a、 b为补偿系数， a 0.0054 ， b0.21 。图 2为光伏电池 MATLAB仿真模块内部结构，其中， T表示实时环境温度 ℃ ， S表示光照强度 ， U表示光伏电池工作电压 V ， I 表示对应 U的光伏电池输出电流 A 。图 2 太阳能电池模型图仿真结果如图 3、图 4所示图 3 S1000 电流 I 和功率 P的曲线 图 4 S400 电流 I 和功率 P的曲线二、最大功率跟踪控制方法扰动观察法（ Perturb ﹠ Observe Algorithms ）是当前进行 MPPT 控制的比较常用的方法之一。其工作原理是周期性地改变光伏阵列的工作电压值（ UΔ U），然后比较工作电压改变后电池输出功率的变化情况， 如果功率增大， 就表明扰动的方向是朝最大功率点靠近的方向，如果电池输出功率值减小，就表明扰动的方向是正在远离最大功率点。MPPT 跟踪控制方法模型如下根据扰动法的原理可以搭建出其控制模块内部结构图，如图 5所示图 5 扰动观察法控制模块三、 最大功率控制系统的 M atlab 仿真本文基于 MATLAB／ SimPowerSystcms环境，搭建了具有 MPPT控制模块的独立光伏系统仿真模型。该系统由四个模块构成，即光伏电池 PV 模块、 MPPT控制模块、 PWM模块以及 DC-DC变换器模块 。 如图 6所示。假定光伏电池温度为 25℃，光照度为 为 ，稳定情况下太阳能电池的输出最大功率理论值为 78.5W， 短路电流 、 开路电压 。当光伏电池输出最大功率 78.5W 时，它的工作电压为 。 DC/DC 升压电路中的电感电容分别为 50μ H,0.22mF。 仿真结果如图 7所示图 6 太阳能电池最大功率跟踪控制仿真图图 7 扰动观察法仿真结果当温度一定 T25 ℃ ，光照强度由 1000W/m2下降至 400W/m2，系统输出功率曲线如图 8所示。从仿真曲线可看出，温度不变，光照强度减弱，输出功率变小，系统能迅速跟踪上最大功率点。当光照强度一定 S1000W/m2 ，温度由 25℃上升至 35℃，系统输出功率曲线如图 9所示。从仿真曲线可看出，光照强度不变，温度增加，输出功率变小，系统能迅速跟踪上最大功率点。图 8 光照减弱时扰动观察法仿真结果 图 9 温度升高时仿真结果从以上的仿真结果可以看出， 扰动观察法能简单、 迅速的实现太阳能电池输出最大功率，在最大功率点附近几乎没有波动， 能稳定的工作在最大功率点附近， 从而较好的达到了要求。四、 结论根据太阳能电池特性发现可在线测得电池的开路电流和电压， 从而避免了在实际中开路电压和短路电流难于得到的缺点， 使得该方法能够被应用到实际控制中。 为电池更有效地应用找到了一种比较理想的控制方法扰动观察法。 该方法在理论上克服了开路电压和短路电流法存在搜索时间长的问题，并能快速搜索到最大功率点附近来进行 MPPT 控制，从而使太阳能电池能尽可能的提高利用率。通过 M atlab 仿真结果可以看出这种方法达到了理论分析的效果。参考文献[1] 赵争鸣 , 刘建政 , 孙晓瑛 , 袁立强 . 太阳能光伏发电及其应用 . 北京 科学出版社 ,2005 ．[2] Bimal K. Bose.Energy, Environment, and Advances in Power,IEEE. Trans.Power Electron, 200015688-701. [3] 沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术．化学工业出版社， 2005． 11-15 [4] 王飞，余世杰，苏建徽，沈玉梁．采用最大功率点跟踪的光伏并网逆变器研究．电力电子技术， 2004， i0 ． 21-22 [5] 赵玉文．太阳能利用的发展概况和未来趋势．中国电力， 2003， 09． 110 112 [6] 苏建徽， 余世杰， 赵为， 吴敏达， 沈玉梁． 硅太阳能电池工程用数学模型． 太阳能学报，2001， 10． 54-59 [7] 王长贵 , 王斯成 . 太阳能光伏发电实用技术 . 北京 化学工业出版社 ,2005,6. [8] 汪海宁，苏建徽，丁明．光伏并网发电系统中的最大功率跟踪控制．电工技术， 2004，09． 49-52 [9] 张超，何湘宁．短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用[J] ．中国电机工程学报， 2006， 2620 98-102 ．[10] 张兴，张崇巍， 孙本新．采用电流寻优的 MPPT光伏阵列并网逆变器的研究 [J] ．太阳能学报， 2001， 22． 55 57