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1、基于微机控制的太阳能最大功率跟踪控制及其仿真基于微机控制的太阳能最大功率跟踪控制及其仿真_ _小论文小论文本文由 ouyanglu1987 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。1基于微机控制的太阳能最大功率跟踪控制及其仿真学 生：柳玲指导老师：陈刚 （三峡大学 电气与新能源学院）摘要： 摘要：在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青 睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电 转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需 要对光伏发电系统加以有效的控制。首先
2、，本文对光伏发电系统的组成进行了分 析，光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。然 后，分析了独立运行光伏发电系统最大功率点跟踪的原理和现有的跟踪算法，并 对比了这些算法的优缺点， 证明了采用最大功率点跟踪技术可以提高太阳电池的 输出功率。最大功率点跟踪实时调整太阳电池的输出电压和电流，使其工作在最 大功率点上。建立其仿真模型,该模型具有最大功率点跟踪(MPPT)功能，基于脉 宽调制(PWM)的升压变换器(Boost Converter)实现了最大功率点的跟踪控制。 关键词： 关键词：光伏发电系统；最大功率点跟踪；升压变换器；PWM；MATLAB 仿真 Abstract
3、: With the green and renewable energy be widely used, solar energy is accepted commonly because of its unusual advantages. But the output of photovoltaic (PV) array is influenced by the environmental factors, and PV array have relatively low conversion efficiency and is expensive. In order to reduce
4、 the overall system cost and extract the maximum possible solar energy, we should control the PV system effectively. Firstly, this paper analyses the composing of the PV system. It is composed by PV array, power electronics converters、 power storage system and loads. We can divide the PV system into
5、 two types: stand-alone PV system and grid-connected PV system by the relationship with the grid. Secondly, we analyze t he stand-alone Photovoltaic maximum Power Point tracking system theory and the existing tracking algorithm, compare the advantages and disadvantages of these algorithms，and Prove
6、that the use of maximum Power Point tracking technology can increases solar cell output Power. The Tracking device real-time adjust the output voltage and current of the solar cell，so that the solar cell works,at the maximum Power Point. ： Keywords：Photovoltaic system; MPPT; boost converter; MATLAB
7、simulation2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
8、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：q (V + R SI ) AKTI = I L ? I 0 e1 ?V + RSI R sh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.610-19C；k 是玻耳兹曼 常数，其值为 l.3810-25J/K；A 为二极管理想常数，其值常在 12 之间变化； Rsh 为阵列等值并联阻抗，；Rs 为阵列等值串联阻抗；V 和 I
9、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。3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
10、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 最大功率点（MPPT）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
11、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(Maximum Power Point Tracking 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4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
12、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
13、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
14、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。53 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 .1 带有 MPPT 功能的光伏发电系统的基本组成 带有 MPPT 功能的光伏发电系统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
15、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 升压变换器的工作原理及 Simulink 建模 升压变换器的工作原理及 Simulink3.2.1 升压变化器的工作原理 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 Vo
16、n 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6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 其中，D= =，0D1,0D1，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 升压变化器（ Boost） Simulink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
