光伏MPPT仿真报告

南京理工大学科研训练结题报告项目名称：太阳能电池特性及最大功率点跟踪技术研究资助类别：校级普通项目指导教师：项目成员：二零一五年十月二十一日1 摘 要在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青睐。 但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大， 而且， 光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵， 光伏发电系统的初期投入较大， 为有效利用太阳能， 需要对光伏发电系统加以有效的控制。 本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析， 建立了 MATLAB 仿真模型， 提出了相应的控制策略，并进行了实验验证。首先， 本文对光伏发电系统的组成进行了分析， 光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。根据光伏发电系统和电网的关系，还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。然后， 本文对光伏电池的电气特性进行了分析， 并建立了光伏电池的仿真模型。同时，本文对常用的最大功率点跟踪（ MPPT）方法：扰动观测法（ P 升压比的倒数记为 β ，即 β =Tt off 。又因为 α +β =1。所以：U 0 =β1 E=α11 E （ 1-4 ）电压升高得原因： 电感 L 储能使电压泵升的作用， 电容 C可将输出电压保持住。3.2 boost斩波电路3.2.1 boost斩波电路原理图 3.2 用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 , 实际 L 值不可能为无穷大， 因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态电机反电动势相当于图3.2 中的电源，此时直流电源相当于图 3.1 中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。基于“分段线性”的思想进行解析 V 处于通态时，设电动机电枢电流为 i 1，得下式mERitiL11dd （ 3-1 ）式中 R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设 i 1 的初值为 I 10，解上式得tmteREeIi 1101 （ 3-2 ）当 V 处于断态时，设电动机电枢电流为 i 2，得下式：17 EERitiL m22dd （ 3-3 ）设 i 2 的初值为 I 20，解上式得：tmteREEeIi 1202 （ 3-4 ）用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：图 3.3 电流连续升压斩波电路波形图 3.4 电流断续升压斩波电路波形当电流连续时， 从图 3.3 的电流波形可看出， t =t on时刻 i 1=I 20， t =t off 时刻 i 2=I 10，由此可得：REeemREeeREITtmoff111110 （ 3-5 ）18 REeeemREeeeREITTtmon1120（ 3-6 ）把上面两式用泰勒级数线性近似，得REmII2010 （ 3-7 ）该式表示了 L 为无穷大时电枢电流的平均值 I o，即REEREmI mo （ 3-8 ）对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为eem11 （ 3-9 ）根据此式可对电路的工作状态作出判断。3.2.2 boost 斩波电路的应用由于直流斩波器具有调压、调磁等作用，因此它的应用领域之一是直流电机的调速。 直流电机的转速取决于电枢电压及磁场的大小， 通过直流斩波器的调压作用，可以调节电机的电枢电压，达到调速的目的。另外，通过直流斩波器的调磁作用， 可以调节电机的磁场及励磁电流， 也可以达到调速的目的。 直流电机调速在地铁、城市无轨电车、电动汽车等运输车辆上得到了广泛的应用。直流斩波器的另一应用领域是直流供电电源。 在各种应用场合中， 不同用电设备所需要的直流供电电压的等级不同， 采用直流斩波器可以将单一的、 不稳定的直流输入电压变换成负载所需要的稳定的、 不同电压等级的直流供电电压， 因为直流斩波器工作在开关状态，因此这种类型的直流供电电源也称为开关电源。开关电源在计算机、 通信等各个领域也得到了广泛的应用。 总之， 直流斩波器广泛应用于直流电机调速、开关电源、直流电压隔离等各个领域中。3.3 设计内容及要求3.3.1 设计的要求1．直流输入电压： Ud=50V；2．输出功率： 500w；3．直流输入电压： 10-100V 之间3.3.2 输出值的计算由电路原理分析可知：VV 100502DUU d2考虑 10 00 的裕量 : 19 110V1.1UU 0281150110PUR2221.36A81110RUI 220.136A1.360.1I10I 200L3.4 仿真3.4.1 主电路工作原理主电路原理图如图 3.5 所示其工作原理， 前言中已说明， 这里再补充说明电路中的几个模块。 IGBT用理想的方波发生器触发， 周期设为 0.0001s ， 最大值设为 10V，通过调占空比来调输出电压。其保护电路，触发电路将在 protel 中实现。示波器用来观察电感电流，电源电压波形和负载电压输出波形。图 3.5 主电路原理图占空比为 30%，电感为 27e 5 H,电容为 375e 6 F, 电阻为 81 ：3.4.2 脉冲、电感电流和负载电压仿真图20 图 3.6 脉冲、电感电流和负载电压仿真图 1 占空比为 40%，电感为 27e 5 H,电容为 375e 6 F, 电阻为 81 ：图 3.7 脉冲、电感电流和负载电压仿真图 2 21 占空比为 50%，电感为 27e 5 H,电容为 375e 6 F, 电阻为 81 ：图 3.8 脉冲、电感电流和负载电压仿真图 3 第四章 最大功率点跟踪算法的研究光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越来受到关注， 在未来的供电系统中占有重要的地位。 在前一章中提到光伏发电存在的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响大， 电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。并且，光伏电池转换效率低、价格昂贵。初期投入较大。 因此， 充分利用光伏电池所产生的能量是光伏发电系统的基本要求。要解决此问题可在光伏电池与负载间加入最大功率点跟踪装置， 使光伏电池始终能够输出其最大功率， 以提高太阳能的利用率。在最大功率点跟踪系统中，确立一个好的算法是其中的关键， 在智能控制发展的如火如茶的今天， 利用智能控制方法上的模糊性， 自适应性来对非线性、 不确定性的太阳能光伏发电系统进行控制，无疑是一个很好的选择。4． 1 光伏系统的最大功率点跟踪根据上一章中光伏电池模型， 给定温度和光照可以得到如图 3． 1光伏电池在一定温度、日照强度下的输出特性示意图， (a) 光伏电池的输出电流与输出电压关系图； (b) 光伏电池的输出功率与输出电压关系图。22 图 4.1 （ a） 光伏电池 I-V 关系图图 4.1 （ b）光伏电池 P-V关系图从图 4． 1可以看出， 在一定的温度和日照强度下， 光伏电池的输出电压和输出电流之间具有非线性的关系，并且具有唯一的最大功率点 MPP(Maximum Power Point) 。 在光伏系统中， 通常要求光伏电池的输出功率保持在最大， 即光伏电池工作在最大功率点， 从而提高光伏电池的转换效率， 达到充分利用太阳能的目的。然而当电池表面温度或日照强度等因素发生变化时，最大功率点也会发生漂移，并且这些外界因素又是因地区而异， 有时甚至是瞬息万变的。 因此， 如何在时刻变化外界环境下， 使光伏电池维持在最大功率点处， 成为光伏系统中一个急需解决而又非常重要的问题。对于电阻型负载，其负载线与 I-V 曲线的交叉点决定了光伏电池的工作点。不同的负载 RL 决定了不同的工作点。因此在不同的温度、日照强度条件下，当最大功率点发生漂移时，可通过调整负载使光伏电池重新工作在最大功率点处。最大功率点跟踪 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 就是完成以上阻抗匹配的任务， 使得变换后的工作点正好和光伏电池的最大功率点重合， 使光伏电池以最大功率输出。23 4.2 MPPT 算法的总体模型上图所示是 MPPT 算法的总体模型，我们通过对 MPPT 模块的替换，就可以实现对不同的 MPPT 算法进行仿真研究。下面是几种常用算法的仿真。4.2.1 开路电压法算法的具体模型其中要把负载处开路24 4.2.2 扰动观察法算法的具体模型4.2.3 恒压控制法算法的具体模型4.2.4 波形比较25 摄氏度下， 3 种方法 MPPT 波形图比较蓝色曲线：扰动法观擦法黄色曲线：开路电压法紫色曲线：恒压控制法25 50 摄氏度下， 3 种方法 MPPT 波形图比较蓝色曲线：扰动法观擦法黄色曲线：开路电压法紫色曲线：恒压控制法4.3 各种方法的优缺点4.3.1 恒定电压法缺点： 实现精度差， 存在严重的功率振荡， 温度对光伏电池开路电压的影响较大，测量开路电压要求光伏阵列断开负载后再测量，对外界条件的适应性差，环境变化时不能自动跟踪到 MPP，造成了能量损失优点：控制方法简单容易实现，初期投入少。4.3.2 开路电压法缺点： 如何选择最佳的比例常数 1k 却很困难， 因为 1k 是由光伏阵列的物理特性所决定的，随太阳能电池板日益老化而变化，而且由于测量开路电压 ocU 需要将负载断开， 导致存在瞬时功率损失问题。 而且系统的功率输出并不是基于对光伏阵列输出功率计算而得，而是假设一旦开路电压 ocU 确定相应的最大功率点电压 MPPU 也就确定了，其功率输出也就是最大。这样如果26 最大功率点的选取不准确， 就会导致输出功率并不是最大的功率 （从图中可以看出，比最大攻略略低）。优点：方法原理简单，结构简单，价格低廉，受温度变化影响较小。4.3.3 扰动观察法缺点：还是存在功率振荡的现象和受温度变化的影响。优点：提高方法不难实现，现在被普遍使用，而且跟踪精度较高，受温度变化的影响程度不大。4.4 扰动观察法的详细分析由于扰动观察法的结构简单， 且需要测量的参数较少， 被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上 , 所以我们使用扰动观察法作为仿真对象。其工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量 ( 或称之为扰动 ) ，其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。 如果功率增大就继续使用原扰动。 如果减小则改变原扰动方向。扰动观察法跟踪情况示意图上图说明了这个动态过程，假设工作点在 V1 处，光伏电池输出功率为 Pl ，如果使工作点移到 V2=V1+△ V，光伏电池输出功率为 P2，然后比较现时功率 P2与记忆功率 Pl 。因为 P2>Pl，说明输入信号差△ V使输出功率变大，工作点位于最大功率值 Pmax的左边， 继续增大电压， 使工作点继续朝右边即 Pmax的方向变化。如果工作点已越过 Pmax到达 V4，此时若再增加△ V，则工作点到达 V5，比较结果： P50,保持原扰动方向 , 若 dP/dU<0,将扰动方向变反 ; 用求得的新步长和扰动方向修正参考电压 Ur 的值 , 并更新输出功率的值 ; 如是循环 , 直至 step 变为零。