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Abstract:
Withthegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic(PV)arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayhaverelativelylowconversionefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,weshouldcontrolthePVsystemeffectively.Firstly,thispaperanalysesthecomposingofthePVsystem.ItiscomposedbyPVarray,powerelectronicsconverters、powerstoragesystemandloads.WecandividethePVsystemintotwotypes:
stand-alonePVsystemandgrid-connectedPVsystembytherelationshipwiththegrid.Secondly,weanalyzethestand-alonePhotovoltaicmaximumPowerPointtrackingsystemtheoryandtheexistingtrackingalgorithm,comparetheadvantagesanddisadvantagesofthesealgorithms,andProvethattheuseofmaximumPowerPointtrackingtechnologycanincreasessolarcelloutputPower.TheTrackingdevicereal-timeadjusttheoutputvoltageandcurrentofthesolarcell,sothatthesolarcellworks,atthemaximumPowerPoint.
Keywords:
Photovoltaicsystem;
MPPT;
boostconverter;
MATLABsimulation
前言
随着人类社会的发展,能源和环境成了人们面对的紧要问题。
如何充分有效利用可再生能源成为人们关注的焦点。
太阳能作为一种丰富、清洁、安全、方便的新能源,已经引起许多国家的关注及研究,是目前广泛探索并得到一定发展的一种可再生能源。
然而,光伏阵列输出特性具有非线性特征,受光照强度和环境温度影响。
随着光照强度和环境温度的不同,使输出功率也产生很大的变化,即光伏电池是一种极其不稳定的电源。
如何在不同温度或环境温度下输出尽可能多的电能,提高系统的效率,这就需要我们对光伏电池最大功率输出进行跟踪控制,以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
1光伏电池等效模型及输出特性
1.1光伏电池等效模型
光伏电池是将太阳能转换成电能的器件。
光伏电池等效电路图如图1-1所示,光伏电池的等效数学模型为:
图1-1光伏电池等效电路图
式中:
I为光伏电池的输出电流;
IL为光生电流;
Io为二极管的反向饱和电流;
V为输出电压;
T为绝对温度(K);
q是单位电荷,为为l.6×
10-19C;
k是玻耳兹曼常数,其值为l.38×
10-25J/K;
A为二极管理想常数,其值常在1~2之间变化;
Rsh为阵列等值并联阻抗,Ω;
Rs为阵列等值串联阻抗;
V和I分别为光伏阵列输出电压和电流。
通常情况下式
(1)中的(V+RsI)/RSh项远远小于光伏电池输出电流,因此该项可以忽略.
1.2光伏电池输出特性
图1-2a,1-2b分别为光伏电池在相同温度不同光照和相同光照不同温度下的I-V及P-V曲线。
图1.2a光伏电池在相同光照不同温度条件下的I-V及P-V曲线
图1.2b光伏电池在相同温度不同光照条件下的I-V及P-V曲线
光伏电池起着能源转换的作用,它将太阳能转换为电能。
当光伏电池组件短路时,即V=0时,此时的电流为短路电流Isc;
当电路开路时,I=0,此时的电压为开路电压Voc。
从图1.2b可得,当光照强度一定时,随着温度的增大,光伏电池阵列开路电压减小,短路电流几乎不变,从P-V曲线可以得出,最大功率随温度增加呈线性变化,温度越高,其最大输出功率越小。
从图1.2b可得当温度一定时,随着光照强度的增大,光伏电池的开路电压几乎不变,短路电流变大,最大功率也随之增大。
从P-V曲线可以看出三条曲线的峰值几乎处于同一垂直的直线上,即当温度一定时,虽然光照强度发生变化,但最大功率点的输出电压基本维持在一恒定点。
2最大功率点(MPPT)跟踪算法
太阳电池的输出是一个随着温度、光照以及负载等因素变化的量,当光照强度逐渐变强时,太阳电池的短路电流将逐渐增大开路电压变化不大;
当外界环境温度升高时,太阳电池的开路电压降低,短路电流变化不大。
从太阳电池的输出U-I,P-V曲线上可以看出:
在某个温度、某个特定的光照条件下,硅太阳电池的最大功率点是变化的,这对最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking简称MPPT)策略提出了要求:
必须实现硅太阳电池在特定光照、温度、负载条件下的最大功率输出。
由以上分析可见,进行最大功率追踪研究是很有必要的。
目前,关于MPPT策略的研究,已经出现了很多方法,主要有恒定电压法、扰动观察法、增量电导法、开路电压法、短路电流法、实际测量法等。
通过比较我们选用扰动观测法来实现最大功率的跟踪控制[15]。
扰动观察法是进行太阳电池最大功率追踪的比较常用的控制策略之一,且控制效果较理想。
其原理是每隔一定的时间增加或者减小电压,并观测其后的功率变化方向,来决定下一步的控制信号。
这种控制算法一般采用功率反馈方式,通过两个传感器对光伏阵列输出电流及输出电压分别采样,并计算获得其输出功率。
它是基于太阳电池的输出功率-电压曲线而形成的一种策略。
扰动观察法的算法如下:
光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出,改变的步长是一定的,方向可以使增加也可以是减小,然后,通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率,如果输出功率增加,那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”,如果检测到输出功率减小,则改变“干扰”的方向。
这样,光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点,但是在达到最大功率点附近后,其扰动并不停止,而会在最大功率点左右振荡。
在此引入一个参考电压VREF,在得出比较结果后,调节参考电压,使它逐渐接近最大功率点电压,在调节光伏电池工作点时,根据这个参考电压进行调节。
图2扰动观测法程序流程图
图中Vk、Ik、Pk是第K次测量和计算出的值,V(k-1),P(k-1)为第k-1时刻的值。
从图中可以看出:
在功率比较之后,经过判断电压的变化,对参考电压VREF一个调整电压△V,然后再进行测量、比较,进入下一个循环。
这就是扰动观测法。
这种方法简单易懂,实现起来比较容易,因此是一种较为常用的方法。
3光伏系统最大功率点跟踪控制实现
3.1带有MPPT功能的光伏发电系统的基本组成
带有最大功率跟踪功能的光伏系统框图如图3.1。
该系统框图主要由太阳电池阵列、最大功率点跟踪器、DC/DC变换器组成。
图3.1带有最大功率跟踪功能的光伏系统框图
其中PWM的输入信号为带有MPPT功能的光伏模块的输出电压,即最大功率点对应的电压值。
该电压作为指令信号,与光伏模块的实际输出电压共同作用在DC/DC变换器的IGBT上,通过改变IGBT的占空比,从而使光伏模块的实际输出电压很好的跟踪指令信号(最大功率点对应的电压值)。
3.2升压变换器的工作原理及Simulink建模
3.2.1升压变化器的工作原理
图3.2升压式变换器电路图
升压式变换器电路如图3.2所示,它由开关管Q、二极管D、储能电感L和滤波电容C组成。
假设升压变换器电路中电感L值很大,电容C值很大。
当开关管Q开通时,其电路如图3.2a所示,输入电压Von向电感L充电,同时电容C上的电压向负载供电,由于电容C值很大,因此输出电压基本保持恒定,记为Vo。
假设开关管Q开通的时间为ton,则此阶段电感L上积蓄的能量为VonI1ton。
当开关管Q截止时,其电路如图3.2b所示,输入电压和电感L一起向电容C充电,并向负载提供能量。
假设开关管Q关断的时间为toff,则在此期间电感释放的能量为(Vo-Von)I1toff。
当电路工作处于稳态时,一个周期内电感L上储存的能量与释放的能量相等,即
即VonI1ton=(Vo-Von)I1toff,
故
,0<D<1
其中,D=
=
0<
D<
1,称为占空比,当改变占空比时,输出电压也随之改变。
图3.2a开通状态图3.2b关段状态
3.2.2升压变化器(Boost)的Simulink建模
在光伏发电系统中,DC/DC变换器主要有两个作用:
一是太阳能电池板所发出的电能的质量和性能很差,很难直接供给负荷,DC/DC转换器将太阳能电池输出的电能转换成另一种形式的电能,满足不同负载的要求;
二是调节太阳能电池的工作点,使其工作在最大功率点处。
本文着重讨论如何实现调节太阳能电池工作点这一功能。
由于太阳能电池的输出特性曲线受外界环境(如日照强度、温度等)的影响,对于不同的外界环境,太阳能电池的输出特性曲线不同。
而在固定的外界环境下,太阳能电池的I-V输出曲线固定,但是相对于不同的工作点,太阳能电池的输出不同。
因此,只要能够调节外电路的等效电阻,就可以达到调节太阳能电池的工点的功能。
图3.3为与太阳能电池输出相连接的升压变换器的电路图,电路中可利用恒压源串联等效内阻代替光伏电源。
其中,通过改变变换器开关的PWM占空比可以控制功率通量,电路的平均输出电压由下式决定
式中,Vout、Vin是变换器的输出、输入电压,假设变换器是理想的,则其输出功率等于输入功率,因此根据上式可以得
从上式可以看出,当Rout固定不变时,通过调节占空比D就可以调节Rin的值,从而也就实现了调节太阳能电池工作点的功能。
图3.3太阳能电池输出端的Boost变换器电路
PWM模块基于占空比为升压式变换器产生脉冲信号,见图3.4。
其中,零阶保持器的采样周期与MPPT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。
PWM仿真模型如下:
图3.4PWM模块
3.3最大功率点跟踪控制实现
本文选择干扰观测法简单易懂,容易实现,是目前比较常用的方法。
扰动观察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Vref用于产生PWM(脉宽调制)的控制信号。
图2中Vk、Ik是新测量的值,根据这两个值计算功率Pk=Vk*Ik。
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。
C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Vref的不断调整,最终可以搜索到最大功率点。
接下来的工作是利用最大功率跟踪算法跟踪系统的最大功率。
利用扰动观测法对最大功率跟踪实现。
综上所述,将上述几个模块连接起来就实现了太阳能最大功率点的仿真模型,系统地仿真模型如下图3.5。
在电池输出端添加电压检测模块和电流检测模块,检测模块的输出连接到MPPT控制算法模块的输入端,为算法的运行提供数据输入;
把PWM脉冲信号模块的输出信号连接到Boost电路上IGBT的触发端;
在电阻输出端负载R上连接输出电压和电流检测模块,二者输出相乘得到输出功率,接到示波器后就可以实时观察太阳能电池的功率输出。
扰动观测法的MPPT控制算法仿真模型如下图3.5所示:
图3.5带MPPT的系统仿真模型
仿真参数设定如下:
电容C=220μF,电感L=100μH,采用变步长的ode23tb(stiff/TR-BDF2)进行仿真,最大步长与最小步长自动调节;
PWM脉冲信号周期为0.0005s,零阶保持器的采样周期为0.0001s,负载R=0.01Ω。
其仿真结果如图3.6所示。
图3.6带MPPT的扰动观测法仿真结果
从图中可以看出,扰动观测法的仿真输出波形,开始不可避免有些超调量,达到稳定状态时却很平稳,在做有规律的上下震荡,这是因为扰动观测法在运行过程中一直要比较相邻时刻输出功率的变化,而只有相邻时刻输出功率相等了才会停止动作,而这点在理论上和实际系统中都是不可能的。
其中扰动观测法控制的脉冲信号,也在不断的跟踪太阳能板输出的电压电流信号,根据外界的不断变化而在调节脉冲信号以跟踪到最大功率,如图3.7所示。
图3.7扰动观测法控制的PWM不等脉宽脉冲信号
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