mppt算法研究的目的及意义

开 题 报 告光伏发电是有效利用太阳能资源的途径之一 ,近年来受到了世界各国的高度重视并得到了快速的发展。目前 ,光伏发电面临的主要问题之一就是转换效率低。 解决这一问题的途径之一就是在光伏发电过程中进行最大功率点跟踪。 目前 ,国内外许多文献资料已提出了各种各样的光伏最大功率点跟踪算法 ,在提高光伏发电效率方面取得了显著的成效。其中 ,扰动观测法由于其控制思路简单、算法不复杂、对硬件要求低等优点而得到了广泛的应用。 但是 ,扰动观测法存在扰动步长很难选择的问题 ,导致其较难兼顾提高动态响应速度和稳态跟踪精度。 针对这一问题 ,本文提出了一种基于自适应神经模糊推理的变步长 MPPT 算法。 本文的主要工作和成果如下 :1.在分析光伏电池输出特性和扰动观测法等最大功率点跟踪算法的基本原理基础上 ,提出了一种基于自适应神经模糊推理的变步长 MPPT 算法。 该算法采用一个变步长因子 k 与前次扰动的功率差和电压差的比值求积的结果作为下一次扰动的步长 ,这里的变步长因子 k 随光伏短路电流 Isc 的变化而变化 ,k和 Isc 之间的关系通过 MATLAB 的自适应神经模糊推理系统训练得到。 2.在 MATLAB 中建立光伏电池的仿真模型和光伏最大功率点跟踪模型并进行具体仿真分析。通过仿真分析验证了基于自适应神经模糊推理的变步长 MPPT 算法的可行性与有效性。 3. 进行了光伏 MPPT 控制系统的设计。分别完成功率电路模块和控制电路模块中的各类硬件电路的设计。同时 ,根据系统功能的要求完成了光伏 MPPT 控制系统的软件设计。4.建立光伏最大功率点跟踪实验平台并进行具体实验分析。通过实验分析验证了光伏 MPPT 控制系统能够精确、稳定地工作和基于自适应神经模糊推理的变步长 MPPT 算法能够有效地进行光伏最大功率点跟踪。5.最后 ,对全文进行总结 ,并对今后进一步的研究提出一些展望。随着化石燃料的日渐枯竭及生态环境的日益恶化 ,开发利用无污染或少污染的新型可替代能源已经是大势所趋。太阳能作为取之不尽用之不竭、近乎无污染的优点受到世界各国的关注和支持。太阳能有多种利用方式 ,其中光伏发电是太阳能利用的主流 ,代表着太阳能利用的发展方向。 本文以单相光伏并网逆变系统为研究对象 ,着重研究了能量变换环节 DC/DC 、 DC/AC 控制策略 ,从系统拓扑结构、系统参数选择、最大功率跟踪、逆变控制等方面做了详细的分析和仿真。论文从光伏系统组成、系统分类、主电路拓扑、滤波电路和并网控制方面进行了总体研究 ,选择双级式单相全桥电路和 LCL 滤波电路作为系统主电路进行了重点分析。对各种最大功率点跟踪 (MPPT) 算法进行了详细的分析 ,选用电导增量法作为最大功率跟踪算法研究的基础。基于最大功率跟踪的一般原理 ,提出一种直接功率检测的自适应变步长的电导增量算法。搭建电路仿真模型 ,仿真实验结果显示了该改进算法的正确性和先进性。 基于内模原理的重复控制方法对抑制周期性干扰有先天的优势 ,本文进行了重点研究和设计。由于 LCL 滤波器本身的增益特性 ,在设计重复控制器时一般需要设置梳状滤波器消除尖峰。通过在 L 或 C 上串并联电阻的方式可以改善 LCL 滤波器的增益特性 ,但电阻的存在无疑增加了功率损耗 ,这在大功率系统中尤其不适用。 针对这个问题 ,采用并提出了一种基于虚拟电阻的重复控制算法。该算法只需要在简化的重复控制滤波器之后、调制产生 PWM 波之前放置一个 PD+ 二阶低通滤波环节 ,算法简单 ,没有实际电阻功率损耗。搭建模块进行系统仿真 ,通过仿真对比验证了仿真算法的可行性。当今世界能源短缺问题非常严重 ,我们一直在努力开发新能源 ,风能、 生物质能、 水能、 太阳能等可再生能源成为新能源主要开发对象。在这当中 ,太阳能成为可再生能源的重要发展方向 ,其资源潜力巨大 ,环境污染低 ,同时具有安装灵活 ,与其他能源资源互补能力强的优点。 在近年的全球可再生能源总量平均年增长率排名中 ,太阳能光伏发电位列第一 ,成为能源的重要发展方向。 本文研究了单相单级式光伏并网发电系统及 MPPT 技术。从基本逆变器结构出发 ,设计电路参数结构 ,在 Matlab 的 Simulink 中搭建仿真模型。同时研究最大功率点跟踪技术 ,将研究的新型 MPPT 算法在仿真模型中验证 ,并最后在实际系统中应用。 首先 ,分析逆变器结构 ,分别设计前级电路储能滤波电容 ,后级滤波电感和 SPWM 预测算法。根据所设计的电路结构与参数 ,在Matlab 的 Simulink 中建立仿真模型 ,完成 DC-AC 逆变功能 ,实现交流逆变电流 THD<5% 。 其次 ,研究最大功率点跟踪技术。分析经典 MPPT 算法 — 恒定电压法、扰动观测法、三点重心法及电导增量法。根据经典算法及光伏电池工作点随环境转移特性 ,设计新型改进的扰动观测法和电压闭环 dp/dv 补偿法。将新型 MPPT算法在仿真模型 Embeded Function 中编程实现 ,并通过示波器检测最大功率点跟踪效果和逆变效率 ,与经典算法进行比较分析 , 得到令人满意的结果。最后设计了硬件系统与软件程序 ,使逆变系统正常工作。在DSP2812 上实现了 MPPT 算法 ,最终交流逆变电流 THD 小于 5%, 最大功率点跟踪效率大于 99% 。本文给出了详细的实验仿真模型和算法 ,搭建的实验软硬件平台可靠性高 ,波形数据可靠 ,逆变功率可达 3000W, 并成功并入电网发电。在 21 世纪 ,随着科技的高速发展 ,不可再生的化石燃料消耗殆尽 ,造成的环境污染也越来越严重。 为了维持经济的可持续发展 ,新能源的开发和利用越来越受到人们的重视 ,其中太阳能凭借其他新能源不可比拟的特点受到人们的青睐。近年来光伏发电系统的广泛应用推动了光伏发电技术的发展。光伏系统的效率 ,既光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术是目前光伏发电领域研究的重点。 本文以光伏阵列为研究对象 ,以光伏阵列的最大功率点跟踪控制为研究主线 ,对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术展开了深入的理论分析和实验研究： (1) 较为系统地综述了课题的研究背景和意义 ,以及国内外最大功率点跟踪技术的研究现状。 (2) 介绍了光伏发电系统的优点和分类 ,分析光伏电池的工作原理和数学模型 ,在此基础上 ,利用 MATLAB 仿真软件建立光伏阵列仿真模型 ,并对其输出特性进行仿真 ,结合 TH110(17) 型号阵列的实际测量所得输出特性曲线 ,验证了该模型的准确性。 (3) 概述了最大功率点跟踪控制的原理及目前常用的最大功率点跟踪控制方法 ,在此基础上提出粒子群优化算法在光伏发电系统中的应用。详细介绍了粒子群优化算法的设计流程、参数设置 ,并利用 MATLAB 对扰动观察法和粒子群算法分别进行了仿真 ,验证了算法的可行性。随着经济发展，有限的煤、石油、天然气等化石能源已经无法满足人类的发展需要，为了避免能源危机出现，必须大力开发可再生的新能源。太阳能是可再生新能源之一，干净绿色，取之不尽，因此光伏发电也成为科学研究的热点。光伏电池的最大输出功率会随外部环境如光照度、温度变化而变化，而在每一种环境条件下都有唯一最大功率输出点。为了充分利用电池的发电潜能，提高利用率，减少材料、空间等资源浪费，必须在光伏发电系统中加入控制器，对输出进行最大功率点跟踪，使得光伏电池始终处在最大功率输出的状态，无论环境发生怎样的变化。本文将对光伏发电控制器的软件和硬件进行设计，并重点对最大功率跟踪算法进行研究。首先分析光伏发电的基本原理，用 Matlab/Simulink 软件建立光伏电池仿真模型，绘出电池的输出特性曲线并进行分析。然后对最大功率跟踪常用算法的原理及其优点、缺点进行分析，常用算法包括固定电压法、扰动观测法、增量电导法等。选用固定电压启动结合增量电导法的算法方案，提出跟踪步长与 P-U 曲线斜率成指数变化关系的步长优化方案，以及跟踪周期与跟踪步长成反比关系的变周期优化方案。为了使算法更适应快速变化的环境，提出三点跟踪优化方案。三点跟踪可以判断环境是否在变化，并在环境变化时避免误判，减少输出波动。为了检验算法的有效性，用 Matlab 语言结合仿真模型进行编程，对算法进行仿真分析。在仿真时，对新算法和传统算法、优化前后的算法进行比较。仿真结果表明算法有效可行。分析常用的太阳能控制器的电路原理，设计制作硬件电路，搭建 150W 的光伏发电硬件系统。对提出的新算法进行实验分析，结果表明新算法不但提高了系统最大功率跟踪的速度，也提高了系统的输出稳定性，在环境快速变化时反应灵敏且输出波动小。仿真和实验证明了算法的可行性和实用性，对以后光伏发电控制技术的研究具有参考意义。在全球能源快速消耗和环境污染日益严重的今天 ,太阳能因具有可再生和无污染等优点 ,深受人们的关注 ,光伏发电作为太阳能一种有效的利用方式 ,也得到了迅速的发展。 根据光伏电池输出特性 ,光伏电池输出功率受外界环境和负载的影响 ,为了充分利用太阳能 ,提高光伏发电系统效率 ,需要进行最大功率的跟踪。最大功率点跟踪 (MPPT) 技术应用主要有三个方面 :一是为单独的负载供电时采用 MPPT 技术 ;二是利用 MPPT 技术以最大功率对蓄电池充电 ;三是光伏并网 ,利用 MPPT 技术以最大并网电流对电网馈送能量。针对 MPPT 技术三个方面应用 ,本文所做的工作如下 :(1) 详细介绍了光伏发电系统组成、分类和应用领域 ,在深入了解光伏电池工作原理的基础之上 ,研究了光伏电池的等效电路 ,并根据等效电路建立了光伏电池的数学模型与 Matlab仿真模型 ,并在此基础之上分析了光伏电池的输出特性 ;(2) 介绍了 MPPT 技术的概念和原理 ,在分析几种常用的 MPPT 算法的基础上 ,对电导增量法做了改进 ,并提出了一种带功率前馈的非对称变步长电导增量算法 ;同时介绍了几种实现 MPPT 算法的典型 DC/DC 变换电路 ,并基于 Buck 电路建立了光伏发电系统 Matlab 仿真模型 ,并以此仿真平台验证了变步长电导增量算法 ,仿真结果表明变步长的 MPPT 算法能提高系统动态和稳态性能 ;(3) 在分析了蓄电池充电特性与充电方法的基础上 ,结合光伏电池特性 ,提出了一种三段式的光伏充电方法 ;并根据这一充电过程的要求对光伏充电系统的硬件和软件做了详细的设计 ,建立了光伏充电系统仿真模型和搭建了光伏充电实验平台 ,并在光伏充电系统上实现了这一充电过程 ,并对变步长电导增量算法做了验证性分析 ;实验和仿真结果表明变步长电导增量算法跟踪效果更好。 (4)根据功率变换的级数介绍了光伏并网发电系统的硬件电路 ,分别建立了单级与双极并网电路仿真模型 ,并将变步长电导增量算法分别应用到两个仿真模型上 ,并对仿真结果做了分析 ,仿真结果表明变步长电导增量算法能提高系统跟踪效率。