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

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

《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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ

Ｍａｘｉｍｕｍ

Ｐ０ｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｌ【ｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ＨＥＷｅｉ．ｗｅｉｌ，ＹＡＮＧＪｉｎ—ｍｉｎ９２

（１．历。

咿＾册乃”＾死ｃ＾凡如越Ｃｂ如矿，Ｚ孙够＾∞５２８４３６，吼ｉ舭；

２Ｓ０“胁ｍｉ舢‰西ｅｒｓ酊旷死ｃ，ｌ，ｌｏ肠移。

Ｇ唧够如ｕ５１０６４０，饥讹）

Ａｂｓｔｍｃｔ：

ｎｅｗ

ｓｃｈｅｍｅｉｓ

ｐｒｏｐｏｓｅｄ

ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｊｃｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎ￡ｔｒａｃｋｉｎｇ

（ＭＰｆｌｒ）ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｔｍｌｌｅｄｂｙａ

ＡＶＲ

ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅ卜ｂａｓｅｄｕｎｉｔ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕ８ｅ８

ｔｈｒｅｅｐｌｉｅｓＢ００ｓｔＤＣ—ＤＣ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｔｏ

ｅｍｃｉｅｎｔｌｙａｄｊｕｓｔ

ｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｌｌｅｓｙｓｔｅｍ．０ｐｔｉｍａｌ舻埘ｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｆｏｒ∞ａｒｃｈｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ．，Ｉ＇Ｉｌｅｍｏｄｅｌｉｓｔｅｓｔｅｄｂｙ

ｕｓｉｎｇ

Ｍａｔｌａｂ，Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｏｆｈａｒｅ，ａｎｄｔｈｅ

ｔｅ８ｔ

ｈａｓ１）ｅｅｎｄｏｎｅ

ｔｈｅ

ｈａｒｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

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！

旦

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。

－１

Ｉ生

。

ｌ匕

工３

％。

６Ｉｌ‰＝｝ｑｓ式ｓ拳ｓ

罐

｜莹矗卜＿—丽嘲；

ｉ控镪电路

ｌ竺竺！

￡！

ｉ

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。

参考文献

【１】

Ｓ

ＪＣｈｉａｎｇ，ＫＴＣｈ龃ｇ，ＣＹＹｅｎ．ＲｅｓｉｄｅｎｔｉａｌＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒ—

ａｇｅ

Ｓｙｓｔｅｍ【Ｊ】．ＩＥＥＥ

Ｔｍｎｓ．ｏｎ

Ｉｎｄ．ＥｌｅｃｔｌＤｎ．，１９９８（６）：

５４８—

５５３．

【２】

ＨａｄｊＡｒａｂ，Ｂ

Ａｉｔ

Ｄｒｉｓ８，ＲＡｍｉｎｅｕｒ，ＰｈｏｍｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍ

Ｓｉｚｉｎｇ

ｆｏｒＡｌｇｅｒｉａ【Ｊ】．Ｓ０ｌａｒ

Ｅｎｅ唧，１９９５，５４（２）：

９９一１０４．

【３】

Ｃ

Ｈｕａ，ＪＩｊｎ，ＣＳｈｅｎ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ

ａ

ＤＳＰ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ

ＳｙｓｔｅｍｗｉｔＩｌ

Ｐｅａｋ

Ｐｏｗｅｒ

１ｈｃｋｉｎｇ【Ｊ】．ＩＥＥＥ

，Ｔｍｎｓ．ｏｎ

Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｍｎ．１９９８，４５（２）：

９９—１０７．

【４】

Ｐ

Ｈｕｙｎｈ，ＢＨＣｈｏ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｎａｌｙ８ｉｓｏｆ

Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏ卜

ｃｏｎｔｒ０１ｌｅｄＰｅａｋｐｏｗｅｒＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ【Ｊ】．ＩＥＥＥ

Ｔ啪ｓ．ｏｎ

Ａｅｍｓｐ．Ｅｌｅｃｔｍｎ．Ｓｙｓｔ．，１９９６，３２（１）：

１８２一１８９．ｆ５】

ＭＧ

Ｊａｂｏｏｒｉ．ＭＭＳａｉｅｄ．ＡＣｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｔｏ

ｔｌｌｅＳｉｍｕｌｉｔａｔｉ伽

ａｎｄＤｅｓｉｇｎ

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ

Ｐｈ咖ｖｏｌｔａ地Ｓｙｓｔｅｍｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ

７ｒｍｎｓ．ｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖ．，１９８７，２（６）：

２２７—２３１．

（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。

【ｌ】

０９ａｓａｗａｒａ

Ｓ，Ａｋ晤Ｈ．Ａｎ

Ａｐｐｒｏａｃｈ

ｔｏＰｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ—ｌｅｓｓＤＴｉｖｅｆｂｒＢｎＩｓｈｌｅｓｓＤＣ

Ｍｏｔｏｒｓ【Ｊ１－ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎ

Ｉｎｄ．Ａｐ．

ｐ１．，１９９ｌ，２７（５）：

９２８—９３３．脚

ＢｍｎｓｂａｃｈＢＪ，ＨｅｎｎｅｂｅｒｇｅｒＧ，ｌ（１ｅｐｓｃｈＴ．Ｐ０ｓｉｔｉｏｎ

ｃｏｎ．

ｔｒｏｌｌｅｄＰｅ珊锄ｅｎｔｅｘｃｉｔｅｄＳｙｎｃｈｒｏｎｏｌｌｓＭｏｔｏｒｗｉｔｈｏｕｔＭｅ—ｃｈａｎｉｃａｌＳｅｎｓｏｒｓ【Ａ】．ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏ以ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

【Ｃ】．ＢｒｉｇｈｔｏｎＵ．Ｋ．，１９９３：

３８—－４３．

【３】ＷｕＲ，ＳｋｍｏｎＧＲ．ＡＰｅ咖粕ｅｎｔ

ＭａｇＩｌｅｔＭ０ｔｏｒＤｒｉｖｅｗｉｔｈ—

ｏｕｔ

Ｓｈ撕ｓｅｎｓｏｒⅢ．ｊＥＥＥ

７ｒｍｎｓ．ｏｎ

Ｉｎｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔ．，１９９ｌ，

２７（５）：

１００５—１叭１．【４】

ＷａｎＪｕｎ．ＲｏｂｕｓｔＭａ】【ｉｍｕｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＣｏｎｔｍｌｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎ

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・

ｎｏｌｏｇ）ｒ，ａｃｃｅｐｔｅｄ．

秽＆万方数据