光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型(20180724093622)

收稿日期 : 2005 - 01 - 10第 23卷 第 06期 计 算 机 仿 真 2006年 06月 文章编号 : 1006 - 9348( 2006) 06 - 0239 - 05光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型李炜 , 朱新坚( 上海交通大学电子信息与电气工程学院 ,上海 200030)摘要 :介绍了一种简单实用的光伏系统计算机仿真软件设计方法 。 通过对太阳能电池的物理模型和电特性的分析计算 ,建立了 太阳能电池的数学模型 ,并结合 S函数的编写 ,在 M atlab /Sim u link环境下建立其动态仿真模型 。 考虑到太阳能的波动性和随机性对太阳电池阵列的影响 , 该模型具有最大功率点跟踪 ( M PPT) 功能 。 文中还给出了光伏系统仿真所使用 的详细参数 。仿真结果表明 , 利用该模型不需要精确的系统内部特性和结构参数 , 就可以实时模拟任何功率 、 电压组合的光伏阵列 。关键词 :太阳能 ;光伏发电 ;最大功率点跟踪中图分类号 : TP331 文献标识码 : AThe M ax im um Pow er Po int T rack ing C on tro lof a Photovolta ic Pow er SystemL IW ei, ZHU X in - jian( Institu te of Fuel C ell, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)AB STRACT : B ased on the simu lation software, a sim p le and prac tical photovoltaic energy system is designed.By analy zing the phy sicalm odel and electrical characteristic of solar cell, a photovoltaic system simu la tionm odelis in troduced. T he m odel is tested by u sing M atlab /simu link softw are. Conside ring the solar fluctua tion andrandom ness, them odel possessestheM PPT func tion. A lso the artic le providesdetail param eters for the design ofthe photovoltaic energy system. Sim ulation results demonstrate excellent tracking perform ance.K EYW ORDS : Solar energy; Photovoltaic; M PPT1 引言太阳能丰富 、 清 洁 、 安全 、 方 便 , 是目前 广泛 探索并 得到一定发展的一种可再 生能 源 。 然而 , 由 于太 阳能 的波动 性和随机性 , 联合发电系统 输出的 电能 波动很 大 。 随 着这种 分布式并网电站的容量越来越大 , 太阳辐射的 波动引起 的系统运行状态的瞬态变化 以及这 种变 化对网 络内 部和 对电网 的影响不容忽视 。所有光伏系统都希望太阳 能光伏阵在同样 日照 、 温度的条件下输出尽可能多的电能 , 这也就在理 论上和实 践上提出太阳能 光伏 阵 的最 大 功 率 点跟 踪 ( M PPT, M aximum PowerPoin t T racking) 问题 。 M PPT的实 现实质上是一个寻优 过程 ,即通过控制光伏阵端电压 , 使光伏阵能在 各种不同 的日照和温度环境下智能化地 输出最大功率 。 太阳 电池阵列 的开路电压和短路电流在很大 程度上受日照强度和温 度的影响 , 系统工作点也会因此飘忽 不定 , 这 必然 导致系 统效 率的 降低 。 为此 , 太阳电池阵列必须 实现最 大功 率点跟 踪控 制 , 以便 阵列在任何当前日照下不断 获得最大功率输出 。 太阳能光 伏应用的日益普及 、 太阳电池的高度非线性和价 格相对昂贵 更加速了人们对这一问题的研 究 。近年来 , 国外已相继开发出一些模拟 光伏发电系 统性能的大型工 具软件 包 , 例如 TRN SYS( 瞬态系 统仿真 软件 )。 然而这样的工具软件包价格不匪 , 大部分光 伏系统设计 人员无法使用到这样的软件工 具 ;另一方面 , 作为商 业机密 , 模拟光伏系统所使用的模型和 参数也未被公开 。本文介绍一种 简单实 用的 光伏系 统计 算机 仿真软 件设计方法 。 首先通过对太阳能电池的物理模 型和电特性 的分析计算 , 建立了太阳能电池的数学模型 , 并结合 S函数的编 写 ,在 M atlab /Sim ulink 环境下建立其动态仿 真模型 。 考虑到太阳能的波动性和随机性对 太阳电池阵列的影响 , 该模型 具有最大功率点跟踪 ( M PPT) 功能 。 通过 对各 种算 法的 比较 , 最大功率点的跟踪采用干 扰观 测法 。 模 型还考 虑了 工作温 度 、 太阳辐射强度 、 太阳电池 串并联 数 、 太阳 电池 模块 参数对 太阳电池阵列的影响 。 仿真 结果表 明利 用该模 型 , 不 需要精 确的—239—系统内部特性和结构 参数 , 就 可以 实时模 拟任 何功 率 、 电压组合的光伏阵列 。2 太阳电池的伏安特性分析太阳电池的伏 安特性 是指 在某一 确定 的日 照强度 和温度下 , 太阳电池的输出电压和输出电流之间的关系 , 简称 V -I特性 。 图 1为太阳电池伏安特性曲线 。 从 V - I特性曲线上可以看出 , 太阳电池既非恒压源 ,也非 恒流源 , 也不可 能为负载提供任意大的功率 , 是 一种非 线性 直流电 源 。 其 输出电 流在大部分工作电压范围 内近 似恒定 , 在接近 开路 电压 时 , 电流下降很大 。 在一定的太阳光照射下 , 该曲线完全由电池的 P -N 结特性和电阻分散参数确定 。图 1 太阳电池 V /I特性曲线图中 Isc、 Voc、 Im 、 Vm 和 Pm 分别为太 阳电池的 短路电 流 、开路电压 、 最大功率点 电流 、 最 大功率 点电 压和 最大功 率点功率 。太阳电池的 V - I特性除了与太阳电池模块本身非线性特性及其串并联方式 有关 以外 , 还 与环境 温度 , 太阳辐 射强度有关 。 通过对 太阳 电 池的 输 出特 性的 分 析可 得出 以 下特点 :1) 太阳电池的输出 特性 近似 为矩 形 , 即 低压 段近 似为恒流源 , 接近开路电压时近似为恒压源 ;2) 开路电压近似同 温度 成反 比 , 短 路电 流近 似同 日照强度成正比 ;3) 最大功率点电压约为开路电压的 80%。4) 输出功率在某一 点达 到最 大值 , 该点 即为 太阳 电池的最大功 率点 (M PP, M ax imum Power Poin t) , 且 随着外 界环境的变化而变化 ;3 太阳电池数学模型根据太阳电池的伏安特性 曲线的分析 , 以及太 阳电池的物理模型 , 建立其数学模型 :I = Iph - Io exp q( V + IR s)AK T - 1 -V + IR sRsh ( 1)当 Rsh >> Rs 时 ,I = Iph - Io exp q( V + IR s)AK T - 1 ( 2)其中 ,Io = Ior TTr3exp qEGKA1Tr -1T( 3)Iph ={ Iscr + k i ( T - Tr )} λ100 ( 4)在等式 ( 4) 中 ,相电流 Iph 与 太阳日照 λ 成正比 。 Io 是反相饱和电流 , 随温度 T的变化而变化 。 R s是串联电 阻 。 R sh 是并联电阻 , 表明电子穿过 P - N 结时产生的电流损失 。由于 一个光 伏阵通 常由几 组太阳 电池串联 和 /或并联连接而成 , 因此一个光伏阵等效的数学模型通常表示为 :I( 1 + R sRsh) = np Iph - np Io exp q( V + IR s)AK T - 1 -( V /n s + IR s)R sh( 5)其中 , n s表示太 阳电池串联的数目 。 np 为并联的数目 。光伏阵的输出功率是电流与 终端电压的乘 积 ,其 数学表达式为 :P = np Iph V - n p Io exp q( V + IRs )AKT- 1 V -( V /n s + IR s) VRsh ( 6)4 最大功率点跟踪算法介绍最大功率 点 跟踪 ( M PPT) 的 算法 有 [ 1 ] : ① 增 量 电导 法( inc remental conductance, 简称 IncCond 法 ), ② 曲线 拟合法( curve - fitti ng), ③ 神经网络 ( neural network), ④ 干扰观测法 ( perturbation and ob servation,简称 P＆ O法 ) 等 。增 量电导法常用于 PV能量系统中 , 通过比较 PV模块增加的电导率和瞬时电导 率来跟踪最大功率点 。 太阳能 方阵的电压和电流的谐波组成 部分需要测量 ,并 用于调整方 阵的参考电压 , 因此 ,系统需要更多的转化 时间 , 并且还会导 致大量功率流失 。 另外 , 系统还需要实施 额外的硬件电路 。曲线拟合法使 用数字 分析 寻找最 大功 率点 的电流 与相电流之间的近似关系 , 其中相 电流 与日照 水平 成正比 。 这种方法只用于温度变化相 对小的地区 。神经网络法需要给定数据进 行训练 , 从而辨识出 最优的操作点和估计出太阳能 方阵的最大功率 。 这种方法的 缺点是① 需要离线训练 ; ② 数据必须是 充分并且精确的 ; ③ 需要额外的硬件电路来获取训 练数据 ; ④ 程序设计是 耗时的 ; ⑤ 当光伏模块变化时需要重 新训练数据 。干扰观测法 , 通过成比例的增加或者 减少变换器 的输入电压 , 移动操作点向最 大功率 点靠 近 。 这种 方法 常用于 光伏能量系统中 。 当日照随时间变化不快时 , 是非 常有效 。 虽然这种方法不能迅速跟 踪最大 功率 点 , 但是 如果 增加采 样时 间 ,可以减少系统损失 , 而 且使用 该方 法只需 要两 个传感 器 , 减—240—少了硬件个数和成本 费用 。本文实现的算法采用干扰 观测法 ( P＆ O)。 图 2 是该算法控制流程图 。图 2 M PPT 算法控制流程图干扰光测法的 实质是 基于 光伏输 出功 率的 计算和 采样电压和电流值计算的功率变化 。 比较前一 个和当前 的电压值来检测功率变化 , 计算出参考电 压 V ref 用于 产生 PWM ( 脉宽调制 ) 的控制信号 。图 2中 V( k)、 I( k) 是新测量的 值 ,根据这两个值计算功率 P( k) = V( k)* I( k)。 比较 ( k) 点与 ( k - 1) 点功率值的变化 。 功率值的变化决定下一步变化的方 向 。 如 果功率增加 , 在搜索方向不变 , 如果功率减小 ,在搜 索方向相 反 。 搜 索方向由V( k) 是否大于 V( k - 1) 决定 。 Cp 为占 空比间隔 , 决 定功率变化的步长 。 如果 步长值 较大 , 则 系统响应 快 , 但不 准确 ; 相反地 , 如果步长小 ,则系统反应 慢 , 但相对精确 。 通过对 V re f的不断调整 , 最终可以搜索到最大功率点 。5 光伏系统 M PPT 控制的仿真模型利 用 M atlab /Sim ulink中 Sim PowerSystems[ 6 ] 工具箱建立系统仿真模型非常直观 、 方便 ,只需 将模块连 接起来即可 。 整个系统包括 : 光伏模块 、 M PPT模块 、 PWM 模块以及升压转换器 ( Boo st Converter) 模块 。5. 1 光伏阵的 Simu link 建模光伏 模块用 于模拟 太阳能 电池板 的非线 性电压 /电流特性 , 如图 3所示 。其中 , 由于太阳能光伏阵的电压与电 流随太阳 日照强度和电池 温度 的变 化 而变 化 。 完 全采 用 Sim ulink 画出 仿 真框图 , 不但结构框图非常 复杂 , 而 且难以 查出 画图 操作中 的失误 。 因 此 , 在 光 伏 模 块 中 使 用 S - func tion, 它 是 systemfunction的简称 , 其功能是通过 M atlab或 c语言程序 ,建立一个能和 Simu link模块库中模块一 起使用的功能模块 。 将其与Sim u link有机的结合 , 不 但仿 真模 型简 单 , 而 且大 大降 低了图 3 光伏模块执行时间 。 其中 S函数 的输入 为太 阳日照 和电 池温度 , 输出为太阳能方阵的输出电 压 。公式 ( 2) - ( 6) 中 的超 越 方程 , 采 用牛 顿 - 拉 福 生法( N ewton - RaphsonMethod) 。 所谓的牛顿 - 拉福生法是指求解方程式 f( x) = o的根的迭代法 ,通常称为 “ 牛顿 法 ”。 利用牛顿法可以求出太阳能 电池方阵电流数值近似解 。5. 2 最大功率点跟踪的 Simu link 建模M PPT模块主要基于 P＆ O 法 ,通过成比例的增加 或者减少变换器的输入电压 , 移动操作点 向 M PP靠近 , 同时 计算升压变换器所需要的占空 比 ,见图 4。图 4 M PPT 模块M PPT模块设计的基本思想 是 : 功率值 的变 化决定 下一步变化的方向 。 如果功率增加 , 在搜 索方向不 变 ,如果 功率减小 , 在搜索方向相反 。 搜索方向由 V( k) 是否大于 V( k - 1) 决定 。 比较前一个和当前 的功率 值来 检测功 率变 化 , 计算 出用于产生 PWM的控制信号 。其中 , 值得注意 的是 三 个保 持器 的 采样 周期 , 即 M PPT控制的采样周期相同 , 最好取 [ 0. 01 - 0. 001] 之间 ,这样仿真效果更为精确 。 由于决定功率变化的步 长 , 如 果步长值较 大 ,则系统响应快 , 但 不准确 ; 如果步 长小 , 则系 统反应 慢 , 但相对精确 。 仿真图中取 C p为 0. 01可以取 得较满意的效果 。5. 3 脉宽调制的 Simu link 建模PWM 模块基于占空 比为升 压式 变换 器产 生脉 冲信 号 。见图 5。其中 , 零阶保持器的采样周期与 M PPT仿真模块 周期相同 , 取在 [ 0. 01 - 0. 001] 之间 。 可从示波器观测仿真结果 。—241—图 5 PWM 模块5. 4 升压式转换器的 Simu link 建模DC - DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流 输出 的一种 变换 电路 。 在 太阳能 发电 中 ,变换器的作用是从 太阳能 方阵 中吸收 最大 电流 并且提 升电压 。 文献 [ 5] 中 , 作者 对升压 式变换 器与降 压式 变换器 的进行了比较性研究 , 研究结果表明升压式变 换器比降 压式变换器效率高 , 而且 降压 式 转换 器 对占 空比 的 控制 能力 是 有限的 ; 升压式转换器的能量效率可以随占空比的变化而变化 。当变换器在稳态运行时 , 感应电压在 一个开关 周期内的平均值为零 。 因此可求出输出电压 [ 5 ] :Vout = Vg 11 - D ( 7)基于开关闭合期的能量存 储和能量释放 , 以及 电压电流波动 , 计算变换器所需要的电容电感值为 :C = Vout2Δ Vout RDT ( 8)L = 2CVoutΔ Vout2Δ Iin Iin( 9)输入和输出电压的关系取 决于占空比 。 假定变 换器的效率为 η= 100%, 即改该变换器是一个 POPI型 ( 输出功率 =输入功率 )。 可以得到最优负载为 :R = Vg1Iin( 1 - D) 2 ( 10)升压式转换器 ( Boost Converter) 模块用于模拟升压式变换 器特性 ,见图 6。 基于公式 ( 7) - ( 10) 可以求出变换器的电容值和电感值 。 其中 :电感 L = 22. 08μ H, 电容 C = 260. 4μ F。考虑到开关损失和电 感电容的容量 ,变换 器的开关 频率应设计为 50KH z。图 6 Bo sst C onverter 模块5. 5 光伏系统 M PPT 控制的仿真场景整个仿 真场景如图 7所示 , 图中 PV Panel模块 、 M PPT模块 、 PWM模块以及 DC /DC Converter模块分别由以上各个模块封 装 而 成 。 其 中 , 太 阳 能 电 池 方 阵 的 额 定 输 出 功 率 为2240W ; R是负载电阻 , R = 2. 3ohm s; V in为太阳能电 池方阵的输出电压 , V in = 28. 8V; Vo ut 为变换器的输 出电压 , V out =72V。图 7 光伏系统 M PPT 控制的仿真场景6 仿真结果及其分析采用变步长 的 ode23tb( stiff /TR - BDF2) 仿 真 , 最 小步长与最大步长 自动调节 ,相对误差允许范围为 1 × 10-3 ,绝对误差范围为 自动 调节 。 从 0秒 开始 仿真 , 仿真 时间 设为 0. 1秒 。 同时 ,最大功率 点跟踪 控制 模块的 采样 周期 与脉宽 调制模块的采样周期相同 , 都取为 0. 001。 太阳能光伏阵输入日照取 100W /m2, 电池温度为在 25℃。 设置好 各模块仿真参数后 ,即可开始仿真 。光伏阵输出与负载电阻输入 的电压 、 功率和电流 仿真曲线如图 8 - 10所示 。 从图中的电压曲线 、 功率曲线和电流曲线可以看出 , 该系统采用干扰观测法 , 实 现了对 太阳能 电池最大功率点的准确跟踪 。图 8 电压比较7 结论本文根据 太阳电 池的物理 数学模 型 , 并编 写 S函 数 , 建立了带有最大功率点跟 踪功能 的太阳 电池阵 的 M atlab仿真模型 。 该模型综 合了 机 理模 型和 经 验模 型 的建 模方 法 的优点 , 在满足模型精度的前提下 , 忽略 了一些次 要因素 , 简化了建模过程 。 利用以上方 法进行 建模 , 只 需了 解太 阳电池 的外部特性 , 避免了 太阳 电 池内 部相 关 参数 分 析计 算的 繁 琐过程 。 上述的模型是一个动态的 、 完整 的系统模 型 ,可以 描述太—242—图 9 功率比较图 10 电流比较阳电池的负载 、 工作环 境等变 化时 的工作 情况 , 适合于 对太阳电池最大功率点控 制的研究 。符号说明光伏特性A— — — 理想因素 ; EG — — — 能带隙能量 ; Io r— — — 饱和电流 ;I— — — 太阳能电池 的输出电流 ; Iph — — — 相电流 ; Io— — — 反相饱和电流 ; λ — — — 太阳辐射 ; Tr— — — 参考温度 ; Isct— — — 电池短路电流 ; K— — — 玻尔兹 曼常 数 ; q— — — 电 子电 荷 ; k i— — — 短 路电流温度系数 ; Rs— — — 串联电池电阻 ; Rsh — — — 并联电池 电阻 ;T— — — 电池温度 ; V — — — 太 阳能电池的输出电压 ;DC /DC转换器C— — — 输 出 电 容 ; D— — — 占 空 比 ; Iin— — — 输 入 电 流 ;Δ Iin— — — 电流波动 ; L— — — 输 入 电感 ; Vg — — — 太 阳能 方 阵输入电压 ; Vo ut— — — 负载 输出 电 压 ; Δ Vout — — — 输出 电压 波 动 ;R— — — 负载电阻 ; T— — — 开关周 期 ;参考文献 :[ 1] C Hu a and J L in. 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