太阳能光伏发电最大功率跟踪系统研究概要Word文件下载.docx
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Research
on
Photovoltaic
Maximum
P0werPointTracl【ingSystem
HEWei.weil,YANGJin—min92
(1.历。
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Abstmct:
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(MPflr)system,whichiscontmlledbya
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microcontrolle卜basedunit.Thesystemu8e8
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Matlab,Simulinksofhare,andthe
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can
trackthe
ma】【imumpowerpointe雎ctively锄daccurately.
Keywords:
solarenergygenemtion;
convener/maximumpowerpointtracking
Fo岫dationProject:
Suppomd
byNationalNaturaJScienceFoundation(No.60534040)
l
引言
太阳能具有无污染、无噪音及维护简单的优点,在解决航天飞行器及无电网地区的用电问题上更显其独特的优势。
但太阳能发电与气候条件有关,光伏电池的输出特性受外界环境的影响大.温度和光照
辐射强度的变化均可导致输出特性发生较大的变
化:
另外。
光伏电通常需要配备储能装置,而且其安装费用高,发电效率较低,已成为限制其发展的主要因素之一。
通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏
发电的最大功率点跟踪(MP胛)。
是提高光伏发电系
统发电量、降低发电成本。
进而广泛推广光伏发电技术的有效措施。
目前已研究出多种方法,常用的有扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)翻。
前者的算法结构简单.检测参数少,应用较普遍,但在最大功率点时。
其扰动较大;
后者的算法扰动较小,但较为复杂.跟踪过程需花费相当长的时间去执行ⅣD转换。
这会给微处理器实施控制带来相当大的困难。
针对太阳能阵列的特点.采用最优梯度法。
将光伏电池板和MPPrr控制系统作为一个整体。
直接根据光伏电池的输出功率及电压变化来控制Boost变
基金项目:
国家自然基金重点项目(60534040)定稿日期:
2008-03一lO
作者简介:
何薇薇(1984一),女,广西钦州人,硕士研究
生。
研究方向为电力电子技术。
30换器的占空比,调节光伏电池的输出电压,达到实现光伏电池最大功率跟踪的目的。
2光伏电池的工作特性
光伏电池的输出特性方程为:
,_kLH南(¨
刖…一半(1)
式中:
,,U分别为光伏电池的输出电压和输出电流;
A为光伏电池板特性常数;
,幢为暗饱和电流;
r为光伏电池的表面温度;
K为玻尔兹曼常数;
尺。
为电池的并联电阻;
R。
为光伏电池的串
联电阻;
g为单位电荷;
k为光电流,,Ld,鼢+K,(弘25)】A,100;
岛。
为短路电流;
K。
为短路电流温度系数;
A为辐射强度。
图l示出一定温度和光强下光伏电池的厶U曲
线.实直线为负载电阻线,虚曲线为等功率线。
1f氏,_‘
如
R为光伏电池的最大功率点;
玩,,皿为光伏电池运行于PⅢ时的电压和电流图l一定温度和光强下厶U曲线
由图可知,当只考虑光伏电池时,其最大功率运行点为Pm(“,L)。
若将光伏电池通过变换器与负载连接.其工作点则由负载限定。
当负载不可调节时,
光伏电池运行在A点.该点的输出功率小于最大功
万方数据
率点(MPP)的输出功率。
当负载可调节时,通过单片机检测光伏电池的输出电压和电流.并计算光伏电
池输出功率,根据d叫d%调整Boost变换器的占
空比.调节光伏电池的输出电压,进而将负载电压调节至以处,使负载功率从A点移到B点。
而曰点与光伏电池的MPP在同一条等功率线上,此时光伏电池的输出功率最大。
3三重Boost变换器分析
在光伏发电系统中.变换器除了进行电压变换外。
还可进行功率调节。
将Boost变换器引入光伏电池阵列的输出回路,根据光伏电池阵列的输出功率及电压的变化量,调节开关管的占空比.从而使光伏电池阵列工作于MPPI现。
在大功率光伏发电MP盯系统中.若采用单重
Boost电路,则其开关器件的电流应力较大.输入电流的谐波也大.因此该控制方案中采用三重Boost电路(见图5),该电路在提高系统容量的同时可有效减小输入电流的谐波含量。
三重互差1200。
变换器的输入输出电压关系取决于占空比D,三重Boost
变换器的输入电压巩在0。
“之间变化,只要光伏
电池具有合适的开路电压.通过改变Boost变换器的D就能找到与光伏电池MPP对应的以。
值。
4最优梯度法
最优梯度法是一种以梯度法【4J为基础的多维无约束最优化数值计算法.其基本思想是选取目标函
数的负梯度方向作为每步迭代的搜索方向。
且逐步
逼近函数的最小值。
对于光伏发电系统.应选择正梯度方向,且逐步逼近函数的最大值。
如图2所示,光
伏电池P-U特性曲线为一非线性函数。
而MP盯法
的目的是要在P-u特性曲线上求得功率最大值Pm。
定义正梯度为酿,搜寻函数的最大点总是沿着gk的方向搜寻。
根据光伏电池的电气特性。
若忽略串联电
阻的效应,可得电压‰与功率氐的关系为:
%2{扛L【exp(器…‰
(2)
%是一个连续可微的非线性函数,且以%作为唯一变量,对其求%的梯度:
舻崭如LH络)】
(1+络)(3)
由式(3)可知,电压的迭代计算式为:
U赢=U赢一l+吼甑
(4)
Ⅱk为一非负常数。
利用最优梯度法跟踪MPP.保留了扰动观察法的各种优点。
当工作点位于MPP左侧时。
电压以一较大的幅度增加:
当工作点位于MPP附近时,由于此时斜率较小,则提供一较小的量:
反之.当工作点位于MPP右侧时.电压以一较大的幅度减少.便可改善最大功率输出点附近的振荡问题。
图2
P.£,曲线
MP胛控制算法如图3所示。
通过单片机检测
光伏电池当前时刻的电压巩和电流厶并计算功率只,再与前一时刻的电压仉,R一。
进行比较,比较结果决定电压及D的变化方向。
当(dP/dU)>0时,系统运行在MPP左边。
光伏电池输出电压增大而D减小:
当(dP/dU)<0时,系统运行在MPP右边,光伏电池电压输出减小而D增大;
当(dP/dU)=0时,系统运行在MPP。
根据图2的P.U曲线,有:
铲岳㈤=告㈤=器%
(5)
图3最优梯度算法流程图
5仿真和实验结果分析
根据光伏电池的数学模型151.在Matlab/Simulink
环境中建立了具有MP盯功能的光伏电池阵列仿真
模型。
采用变步长的ode23tb(stiff_TR—BDF)进行仿
真,设定初始条件为标准光照lkw艋z和常温20℃。
图4示出仿真结果。
压蓬二堇毒
…毒……}…|川.…}…
f/ms
(a)光伏电池功率(b)光伏电池电压
图4光照强度变化时仿真结果
由图4可知,在外界条件稳定的情况下,通过最优梯度控制,系统可稳定在MPP附近,且具有很好的稳态输出特性。
当光照强度突变时,在37s处光照量由1kW/m2降至600W/m2.此时光伏电池输出
功率减小。
系统检测到光伏电池端电压和端电流有
变化。
采取最优梯度控制后,即通过减小梯度眼,在
31
电力电子技术V01.42。
No.8
兰!
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丝竺竺曼!
竺!
型坚坠
垒坚墼!
:
兰鲤1
44
s内光伏电池端电压重新建立,系统稳定在新大功率输出点.功率P一43W。
的MPP:
在63s处光照量由600W/m2升高至
800
w/m:
.光伏电池输出功率增加,系统检测到光伏
电池端电压和端电流有变化。
采取最优梯度控制后,
即通过增大矶,系统在68s处快速稳定于新的MPP.实现了自主寻优。
为了验证该系统的有效性.设计了一台MP胛
装置.系统框图如图5所示。
实验中采用可调的真流电源及电阻箱来模拟光伏电池及内阻。
调节可调电阻箱的值。
即可调节直流电源的电压和电流.相当于改变外界环境对光伏电池的影响。
主电路由三重B00st电路连接电源和负载.主开关管采用IGBT。
负载包括蓄电池和可调电阻。
控制电路由接口电路、驱动电路和AVR单片机ATmegal6三大部分组成。
ATmegal6的功耗低,指令运算速度快,具有三通道PWM。
每一路输出分别控制一重Boost电路,该实验采用10位A/D转换。
接口电路主要由精度较高的霍尔电压电流传感器组成。
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i控镪电路
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5系统框图
图6示出实验波形。
直流电源电压玩.=33V,通过最优梯度算法测得三重Boost电路输入电压U。
一
17
V,电流为L一2.5A。
在约20ms处能较快找到最
,/ms,,ms
(a)太剐电池端电nt
(b)太阳电池输出电流
图6模拟光伏电池端电压及输出电流波形
6结束语
介绍了一种新的基于单片机控制的三重Boost变换器光伏发电最大功率跟踪系统。
系统运用最优梯度法,可在各种情况下实现光伏电池的最大功率跟踪,且具有较高的跟踪精度。
该系统效率高,低损耗。
且实现容易,是一种可实现太阳能光伏电池最大功率跟踪的有效方法。
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(上接第22页)5
结论
针对单相感应电动机.提出了新的逆变驱动策
略。
对比传统的逆变驱动。
在新策略的控制下.单相感应电动机具有平滑的控制输入.因此具有更高的控制精度。
在该控制方式下,尽管逆变器的开关切换给系统带来了高频谐波.然而.由于选择了较大的LC值,通过LC的滤波作用。
高频谐波几乎不流入电动机,使系统得到有效控制,并具有良好的性能。
单相感应电动机的驱动由双逆变器控制实现。
滑模控制方法可在低功率应用条件下采用较高的开关频率;
在大功率应用条件下,可应用滑模驱动降低逆变器的开关频率,从而有效降低系统损耗。
在稳态开关频率为5一10kHz时,采用滑模控制.系统仍然能获得较高的性能。
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Machine【J】.1EEETmns.onEnergy
Conversion,accepted.
【5】
w锄Jun-NovelRobust
contml
ofNovel
N-phaseLC.fuu
BridgeAC-DC
converter【J】.IEEE7I’rans.onC伽tr.Sys.Tech・
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