光伏发电系统最大功率追踪算法及其仿真

# 建筑节能 # 低压电器 ( 2009l 4)现代建筑电气篇安 伟 ( 1982) ),男 , 硕 士研 究生 , 研究方向为 电力 电子技术在电 力系 统中的应用。光伏发电系统最大功率追踪算法及其仿真安 伟 , 赵剑峰(东南大学 , 江苏 南京 210010)摘 要 : 针对普通的最大功率算法在 最大功率点振荡、 追踪速度不 高等缺点 , 提出了一种新的最大功率点跟踪控制方法 ) ) ) 直线近似法结合变步长扰动观察法的最大 功率追踪方法。仿真结果表明 , 该方法可有效消除传 统方法在最大功率点处的功率振荡。关键词 : 光伏发电系统 ; 最大功率点追踪 ; 直 线近似法 ; 变步长扰动观察法中图分类号 : TK 514 文献标识码 : A 文章编号 : 1001-5531( 2009) 04-0053-04M axim um Pow er Poi nt Tracker A lgorith m and Sim uli nkof Photovoltaic Power SystemAN Wei, ZHAO J ianfeng( SoutheastUniversity, N anjing 210010, China)Abstract : A im ing at the normalm aximum power poin t tracker (M PPT) algorithm. s some deficiencies in lowtracing rate and concussion near the maxim um power point, a new M PPT m ethods) beeline approxim ation m ethodcombined w ith perturbation andobservationm ethod w ith changing perturbation stepwas presented. Sim uli nk resultindicated that theM PPTm ethod could elim inate the power oscillation at m axim um power point.K ey words: photovo ltaic pow er system; m axim um power point tracker(M PPT ); beeline app roxim a-tion m ethod; per turbation and observation m ethod w ith changing perturbation step赵剑峰 ( 1972) ), 男 , 教授 , 博士生导师 , 研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用 , 电能质量监测、 分析及其治理方案 , 电力节能技术及设备的研制。0 引 言最 大 功 率 跟 踪 器 ( M aximum Pow er PointTracker, M PPT)是太阳能电池发电系统中的重要部件。在确定的外部条件下 , 随着负载的变化 , 太阳能电池阵列输出功率也会变化 , 但是存在一个最大功率点 Pm 以及与最大功率点相对应的电压UMP和电流 IM D。当工作环境变化时 , 特别是日光照度和环境温度变化时 , 太阳能电池阵列的输出特性曲线也随之变化 , 与之相对应的最大功率点也随之改变。通常而言 , 太阳能电池输出特性曲线的变化与日光照度的变化是成比例的。但在实际应用中 , 日光照度的变化再加上工作温度的变化 , 使得太阳能电池输出特性的变化很复杂。太阳能电池的最大功率点追踪法大致上可归类为恒电压跟 踪 ( CVT) 、 功率反馈法、 扰动观察法、 增量电导法、 直线近似法、 开路电压法、 短路电流法、 模糊控制及神经网络控制等。模糊控制及神经网络控制存在控制算法复杂等问题 , 而其他算法存在准确度不高等问题 , 或者在最大功率点有功率振荡。本文针对光伏器件的特点提出一种新的最大功率点跟踪控制方法 ) )) 直线近似法结合变步长扰动观察法的最大功率追踪方法。系统能快速跟踪外部环境的变化 , 可有效消除光伏器件输出功率在最大功率点的振荡现象 , 从而提高系统效率。1 太阳能电池特性在太阳能板的电气特性方面 , 由于太阳能板由很多的太阳能电池板组成 , 而每一个太阳能电池都是一个 P-N 截面的半导体 , 并且直接将光能)53)低压电器 ( 2009l 4)现代建筑电气篇 # 建筑节能 #转换成电能输出 , 因此可以假设太阳能板经由光照射之后 , 自己产生一独立电流源供给负载。图1所示为太阳能板的等效电路 , 其中电流源 I ph表示太阳能电板经由光照射所产 生的电流 , VD 表示 P-N 截面的二极管 , R sh和 R s 分别表示材料内部的等效并联及串联电阻。一般在分析时 R sh的值很大 , 而 R s 的值很小 , 因此 , 为简化分析过程 ,可将 R sh和 R s 忽略不计。 R0 表示外接电 阻 , I 和U 则表示太阳能板的输出电流及电压。图 1 太阳能板等效电路根据图 1所示的等效电路 , 并依照半导体 P-N 截面的特性 , 可以用式 ( 1) ~ ( 3)来表示太阳能板输出电压与电流的关系 :Ia = Iph - I r exp qUc + qIaR snKTaK- 1 ( 1)Iph = 1 + a1 000(T aK - T rK ) GI sc |T rK ( 2)I r = I r |T rK T aKTrK3 /nexp qE gnK 1T rK -QT aK( 3)式中 I a) ) ) 太阳能电池输出电流I ph) ) ) 太阳能电池产生的电流q) ) ) 电子电量 , 为 1. 6 @10- 19 CUc ) ) ) 太阳能电池输出电压R s) ) ) 材料内部的等效串联及并联电阻n) ) ) 太阳能电池理想因数K ) ) ) 波兹曼常数 , 为 1. 38 @10- 23 J/Ka) ) ) 太阳 能电 池 短路 电流 的温 度系 数(mA /k)TaK ) ) ) 太 阳能 电 池表 面 温 度 ( K, 绝 对 温度 )T rK ) ) ) 太 阳能 电 池参 考 温 度 ( K, 绝 对 温度 )G) ) ) 太阳的日照强度 ( kW /m2 )I sc |T rK ) ) ) 太 阳 能 电 池 在 参 考 温 度 下 和1 kW /m 2日照下的短路电流E g) ) ) 材料跨越能阶所需能量图 2所示为模拟太阳能板在环境温度 25 bC下 , 当日照强度改变时 , 其输出电流、 输出电压及输出功率之间的关系图。由图中可以看出 , 当日照强度改变时 , 对太阳能板的开关电压并不会有太 大的影响 , 但其所能提供的最大电流值有着相当大的变化 , 因此日照强度是影响太阳能板输出功率大小的重要因素。( a) T aC = 25 e , 光照为 0. 2、 0. 4、 0. 6、 0. 8、1 时的 I-U 关系曲线( b) T aC = 25 e , 光照为 0. 2、 0. 4、 0. 6、 0. 8、1时的 P-U 图( c) TaC = 25 e , 光照为 0. 2、 0. 4、 0. 6、 0. 8、1时的 P-I 图图 2 日照强度改变时模拟太阳能板输出电流、 输出电 压及输出功率之间的关系图2 M PPT 最大功率点追踪软件设计由于光电转换过程的物理方程难以在实际应用中准确获取参数 , 同时太阳能电池阵列的工作条件是不断变化的 , 因此 , 太阳能电池阵列的输出特性方程在太阳能发电的应用中成为一个存在极大值的约束不确定方程。M PPT的跟踪策略为 :( 1) 启动测量 开路电压 , 调节电压为 80 %Uoc, 作为变步长电压扰动法的起点。)54)# 建筑节能 # 低压电器 ( 2009l 4)现代建筑电气篇( 2) 运行变步长电压扰动法 , 当扰动小于特定值时 , 停止扰动 , 记录此时的 k = P /I 和电压值 ,作为下一步直线近似法的起点。( 3) 如果光照发生变化 , 则运行直线近似法。当扰动小于特定值时 , 停止扰动 , 记录此时的电压值 , 作为下一步变步长电压扰动法的起点。( 4) 重复步骤 (1) 、 ( 2) 、 ( 3)。首先 , 在启动或重启的时候采用开路电压法进行全局寻优 , 找到当前最大功率点的近似范围 ,根据开路电压法得出功率最大点电压约为开路电压的 80 % , 在系统开始启动时 , D = 0, 测量出此时的开路电压 , 调节 D, 使太阳能板输出电压 U =80 % Uoc; 然后 , 在以后的工作过程中采用变步长电压扰动法跟踪最大功率点 , 当步长小于特定值时 , 停止扰动。基本思想是每一次搜索都改变步长 , 若第 k 次搜索中沿某一方向搜索成功 , 则阵列输出功率增大 , 则第 k + 1次仍沿这一方向搜索 ,并扩大步长 ; 若第 k次搜索失败 , 则第 k+ 1次应沿反方向搜索 , 并缩小步长 , 缩小的步长大于扩大的步长。变步长电压扰动法跟踪最大功率点由于当步长小于特定值时 , 认为当前点即为最大功率点 , 保持稳定 , 因此相对于电压扰动法 , 变步长电压扰动法减少了最大功率点由于继续扰动造成的功率损耗。当变步长电压扰动法追踪最大功率点达到稳定时 , 重 新建立直 线 P = kI, 根据 直线近似 法原理 , 在一定的温度下 , 当光照变化时 , 最大功率点沿着一条近似直线变化 , 因此 k 为近似定值。调整 D 值 , 使 I 发生变化 , 根据 I 值算出 P 值 , 再与太阳能板实际的输出 功率 P 0 相比较 , 当 P [ 1] 梁才浩 , 段献忠 . 分布 式发 电及 其对 电力 系统 的影响 [ J]. 电力系统自动化 , 2001, 25( 12): 53-56.[ 2] Billy M T H o, H enry S H Chung. 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