光伏发电系统最大功率追踪算法及其仿真概要.docx

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光伏发电系统最大功率追踪算法及其仿真概要

・建筑节能・

低压电器（2009№4）

现代建筑电气篇

光伏发电系统最大功率追踪

算法及其仿真

安　伟,　赵剑峰

（东南大学,江苏南京　210010）

摘　要:

针对普通的最大功率算法在最大功率点振荡、追踪速度不高等缺点,提出了一种新的最大功率点跟踪控制方法———直线近似法结合变步长扰动观察法的最大功率追踪方法。

仿真结果表明,该方法可有效消除传统方法在最大功率点处的功率振荡。

关键词:

光伏发电系统;最大功率点追踪;直线近似法;变步长扰动观察法中图分类号:

TK514　文献标识码:

A　文章编号:

100125531（2009）0420053204

安　伟（1982—）,

男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

MaximumPowerPointTrackerAlgorithmandSimulink

ofPhotovoltaicPowerSystem

ANWei,　ZHAOJ（SoutheastUniversity,）

　　Abstract:

Aimingatthenor（MPPT）algorithm’ssomedeficienciesinlow

tracingrateandmaxiupoint,anewMPPTmethods—beelineapproximationmethodcombinedwithandonmethodwithchangingperturbationstepwaspresented.SimulinkresultindicatedthattheMmethodcouldeliminatethepoweroscillationatmaximumpowerpoint.

Keywords:

photovoltaicpowersystem;maximumpowerpointtracker（MPPT）;beelineapproxima2tionmethod;perturbationandobservationmethodwithchangingperturbationstep

0　引　言

最大功率跟踪器（MaximumPowerPointTracker,MPPT）是太阳能电池发电系统中的重要部件。

在确定的外部条件下,随着负载的变化,太阳能电池阵列输出功率也会变化,但是存在一个最大功率点Pm以及与最大功率点相对应的电压

UMP和电流I当工作环境变化时,特别是日光MD。

照度和环境温度变化时,太阳能电池阵列的输出特性曲线也随之变化,与之相对应的最大功率点也随之改变。

通常而言,太阳能电池输出特性曲线的变化与日光照度的变化是成比例的。

但在实际应用中,日光照度的变化再加上工作温度的变化,使得太阳能电池输出特性的变化很复杂。

太阳能电池的最大功率点追踪法大致上可归

类为恒电压跟踪（CVT）、功率反馈法、扰动观察

法、增量电导法、直线近似法、开路电压法、短路电流法、模糊控制及神经网络控制等。

模糊控制及神经网络控制存在控制算法复杂等问题,而其他算法存在准确度不高等问题,或者在最大功率点有功率振荡。

本文针对光伏器件的特点提出一种新的最大功率点跟踪控制方法———直线近似法结合变步长扰动观察法的最大功率追踪方法。

系统能快速跟踪外部环境的变化,可有效消除光伏器件输出功率在最大功率点的振荡现象,从而提高系统效率。

1　太阳能电池特性

在太阳能板的电气特性方面,由于太阳能板由很多的太阳能电池板组成,而每一个太阳能电池都是一个P2N截面的半导体,并且直接将光能

赵剑峰（1972—）,男,教授,博士生导师,研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用,电能质量监测、分析及

其治理方案,电力节能技术及设备的研制。

—53—

低压电器（2009№4）现代建筑电气篇

・建筑节能・

转换成电能输出,因此可以假设太阳能板经由光

照射之后,自己产生一独立电流源供给负载。

图1所示为太阳能板的等效电路,其中电流源Iph表示太阳能电板经由光照射所产生的电流,VD表示P2N截面的二极管,Rsh和Rs分别表示材料内部的等效并联及串联电阻。

一般在分析时Rsh的值很大,而Rs的值很小,因此,为简化分析过程,可将Rsh和Rs忽略不计。

R0表示外接电阻,I和U则表示太阳能板的输出电流及电压

。

式中　Ia———太阳能电池输出电流

Iph———太阳能电池产生的电流

q———电子电量,为1.6×10Uc———太阳能电池输出电压

Rs———材料内部的等效串联及并联电阻n———太阳能电池理想因数K———波兹曼常数,为1.38×10

-23-19

J/K

a———太阳能电池短路电流的温度系数

（mA/k）

TaK———太阳能电池表面温度（K,绝对温

度）

TrK———太阳能电池参考温度（K,绝对温

图1　太阳能板等效电路

度）

G———太阳的日照强度（kW/m）Isc|TrK———太阳能池

参考温度下和

1kg　　根据图1所示的等效电路,并依照半导体P2

N截面的特性,可以用式

（1）～（3）来表示太阳能板输出电压与电流的关系:

Ia=Iph-IrIph=

qUc-（1

（2）（3）

25°C,

其输出电流、输出电压及输出功率之间的关系图。

由图中可以看出,当日照强度改变时,对太阳能板的开关电压并不会有太大的影响,但其所能提供的最大电流值有着相当大的变化,因此日照强度是影响太阳能板输出功率大小的重要因素。

1000

TaKT3/n

aK-TrK）GIsc|TrK

Ir=Ir|TrK

qEg

nKTrK

T（a）TaC=25℃,

光照为0.2、0.4、0.6、0.8、

1时的I2U关系曲线

（b）TaC=25℃,光照为0.2、0.4、0.6、0.8、

1时的P2U图

（c）TaC=25℃,光照为0.2、0.4、0.6、0.8、

1时的P2I图

图2　日照强度改变时模拟太阳能板输出电流、输出电压及输出功率之间的关系图

2　MPPT最大功率点追踪软件设计

　　由于光电转换过程的物理方程难以在实际应用中准确获取参数,同时太阳能电池阵列的工作条件是不断变化的,因此,太阳能电池阵列的输出—54—

特性方程在太阳能发电的应用中成为一个存在极大值的约束不确定方程。

MPPT的跟踪策略为:

（1）启动测量开路电压,调节电压为80%Uoc,作为变步长电压扰动法的起点。

・建筑节能・

低压电器（2009№4）

现代建筑电气篇

（2）运行变步长电压扰动法,当扰动小于特

定值时,停止扰动,记录此时的k=P/I和电压值,作为下一步直线近似法的起点。

（3）如果光照发生变化,则运行直线近似法。

当扰动小于特定值时,停止扰动,记录此时的电压值,作为下一步变步长电压扰动法的起点。

（4）重复步骤

（1）、

（2）、（3）。

首先,在启动或重启的时候采用开路电压法进行全局寻优,找到当前最大功率点的近似范围,根据开路电压法得出功率最大点电压约为开路电压的80%,在系统开始启动时,D=0,测量出此时的开路电压,调节D,使太阳能板输出电压U=80%Uoc;然后,在以后的工作过程中采用变步长电压扰动法跟踪最大功率点,当步长小于特定值时,停止扰动。

基本思想是每一次搜索都改变步长,若第k次搜索中沿某一方向搜索成功,则阵列输出功率增大,则第k+1次仍沿这一方向搜索,并扩大步长;若第k次搜索失败,则第k+1次应沿反方向搜索,并缩小步长,的步长。

长小于特定值时,,保持稳定,因此相对于电压扰动法,变步长电压扰动法减少了最大功率点由于继续扰动造成的功率损耗。

当变步长电压扰动法追踪最大功率点达到稳定时,重新建立直线P=kI,根据直线近似法原理,在一定的温度下,当光照变化时,最大功率点沿着一条近似直线变化,因此k为近似定值。

调整D值,使I发生变化,根据I值算出P值,再与太阳能板实际的输出功率P0相比较,当P

图3　TaC=25℃,G=1kW/m2时,变步长电压扰动法最

大功率点追踪过程的U2P图像

　　由图3可知,在温度稳定、光照一定的情况下,变步长电压扰动法能有效地追踪到最大功率点,。

其次,对

TaC=25,2kW/m突变到0.2图像进行仿真。

仿真

aC=25℃,光照强度G=0.2kW/m

0.4kW/m。

仿真对象为直线近似法I2P图像。

仿真结果如图4所示

。

图4　TaC=25℃,光照强度G=0.2kW/m2突变到

0.4kW/m直线近似法I2P图像

3　仿真结果

为验证MPPT的工作过程,采用MATLAB软件仿真。

首先对TaC=25℃,G=1kW/m时,变步长电压扰动法最大功率点追踪过程的U2P图像进行仿真。

仿真条件为温度TaC=25℃,光照强度G=1kW/m。

仿真对象为变步长电压扰动法U2P图

　　由图4可知,在温度稳定、光照发生改变的情况下,直线近似法能有效追踪到近似最大功率点,且不会在最大功率点发生振荡问题。

在光照稳定下来后,系统稳定在近似最大功率点上。

最后,采用MATLAB软件仿真分析TaC=25℃,G=1kW/m时,变步长电压扰动法最大功率点追踪过程。

仿真条件为温度TaC=25℃,光照强度从G=0.2kW/m变化到0.4kW/m。

仿真对象为变步长电压扰动法和直线近似法I2P图像和U2P图像。

仿真结果如图5所示。

—55—

像。

仿真结果如图3所示

。

低压电器（2009№4）现代建筑电气篇

・建筑节能

・

（a）I2P

图像

（b）U2P图像

图5　TaC=25℃,G=1kW/m2时,变步长电压扰动法最大功率点追踪过程

　　由图5可知,在温度稳定、光照发生改变的情

况下,变步长电压扰动法结合直线近似法能有效地追踪到最大功率点,且不会在最大功率点发生振荡问题。

改进方法的思路是通过与变步长电压扰动法相结合,当变步长电压扰动法扰动到最大功率点时,计算出最新的K=P/I值,并作为下一个直线近似法的近似直线,可提高算法的精确度。

【参考】

[1].4　结　语

对变步长电压扰动法、直线近似法和本文提

出的改进算法的比较如下:

（1）变步长电压扰动法。

法相比,,若功率变化方向正确,;若功率变化方向错误,,并减小该方向的步长。

因此,搜索的时间较普通电压扰动法短。

通过调整步长可快速达到最大功率点。

变步长电压扰动法扰动到步长小于特定值后,停止扰动,而普通的电压扰动法因为扰动在时刻进行,因此变步长电压扰动法能减小功率的损耗。

变步长电压扰动法也更接近理论的最大功率点。

然而,同普通的电压扰动法一样,变步长电压扰动法不能适应光照剧烈变化时,系统追踪最大功率点,并且可能发生误判。

改进方法的思路是与直线近似法相结合,能克服光照快速变化时系统的最大功率追踪方向判断失误的问题,且反应迅速。

（2）直线近似法。

在功率发生变化时,直线近似法可以较快地跟踪光照的变化,避免一般追踪方法因为光照剧烈变化所引起的方向判断失误问题。

然而,由于直线

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