光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究百度概要.docx
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光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究XX概要
第31卷第9期2009年9月
华电技术HuadianTechnology
Vo.l31No.9Sep.2009
光伏发电系统最大功率点跟踪的
占空比扰动法仿真研究
蔡晓峰
1,2
张鸿博
3
（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009;2.河南工程学院机械工程系,
河南新郑451191;3.华北水利水电学院电力学院,河南郑州450011
摘要:
介绍了一种光伏电池的仿真模型,分析了占空比扰动法实现最大功率点跟踪的原理。
为进一步简化算法,分析了基于输出电流检测实现最大功率跟踪的可行性,说明了算法的原理和实现思路,建立了Matlab仿真模型并进行了仿真验证,仿真结果证明了算法的正确性。
关键词:
光伏发电系统;光伏电池;最大功率点跟踪;占空比;扰动观察法;仿真模型
中图分类号:
TM914文献标志码:
A文章编号:
1674-1951（200909-0019-03
0引言
光伏发电技术是新能源领域最近10多年发展起来的一个重要方向。
由于光伏电池的输出电压和输出电流随着太阳辐照度和电池结温的变化具有强
烈的非线性,因此,在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点（MPP。
为了尽可能多的利用太阳能,所有光伏系统都希望太阳能光伏阵列工作在最大功率点上,这就在理论上和实践上提出了太阳能光伏阵的最大功率点跟踪MPPT（MaximumPowerPointTracking问题。
式中:
Id=I0{exp[
q（U+IRs
]-1}为二极管结电
AKT
-4
流,A;IL为光伏电流,A;I0为反向饱和电流（对于光伏单元而言,其数量级为10A;q为电子电荷（1.610
-19
C;K为玻耳兹曼常数（1.3810
-23
J/K;T为热力学温度;A为二极管品质因子（当T=330K时,为2.80.15;Rs为串联电阻（为低阻值,小于1;Rsh为并联电阻（为高阻值,数量级为k;U为等效电压。
为计算方便,取参数=
则式（1变为
AKT
1光伏电池的数学模型
光伏电池利用半导体材料的光伏效应制成,所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能,由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象。
光伏电池组件的I-U特性随太阳辐照度E（W/m和电池温度T（K而变化,即I=F（U,E,T。
根据电子学理论,光伏电池的实际等效电路如图1所示
[1-3]
2
I=IL-I0{exp[（U+IRs]-1}-U+IRs
Rsh
（2
根据以上公式建立了光伏电池的Matlab仿真模型,如图2所示。
通过对光伏电池模型的仿真分析,得到某温度下太阳能电池板的输出电压、电流和功率特性曲线如图3所示,图中MPP为太阳能电池最大功率点。
对应的I-U函数为I=IL-Iexp[
q（U+IRs
]--AKTU+IRs
Rsh
（1
图1光伏电池等效电路
:
05
图2光伏电池仿真模型
从图3中可以看出,光伏电池具有一个最大功,
图5光伏系统结构
这时,可以采用PWM信号占空比D作为控制
[5-6]
变量,二者的关系示意图如图6所示,对比图4、图6可以看出,干扰观测法同样适用于对占空比的扰动。
相对于干扰观测法,占空比扰动法由于直接把占空比作为控制变量,只需要控制一个参数,从而使控制器简单化,降低了成本。
图6P-D关系示意图
图3光伏电池输出特性曲线
2.3基于输出电流检测的占空比扰动法
文献[6]、文献[7]证明了光伏发电系统输出电流和输出功率以及输出电压和输出功率的关系为单调函数关系。
当输出功率达到最大时输出电压或者输出电流也达到最大,此时可以认为输入功率也达到最大值。
因此,在MPPT的算法中无需为了计算功率而同时检测输入电流和输入电压,只要检测输出电压或者输出电流之一,通过软件算法判断是否达到最大值即可,笔者采用基于输出电流检测的占空比扰动法。
会发生改变。
在一定的太阳辐照度和环境温度下,只有使其工作在特定的电压（电流下,才能使其输出最大功率。
2最大功率点跟踪算法
2.1干扰观测法
图4所示为光伏电池的P-U特性曲线,其基本工作原理为:
周期性的给光伏阵列的输出电压加扰动,比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小,如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动,否则改变扰动的方向,以达到逼近最大功率点
的目的。
[4]
3占空比扰动法的Matlab仿真研究
光伏电池仿真模型已在前面介绍,这里不再赘述。
MPPT模块如图7所示。
MPPT模块设计的基本思想是:
输出电流值的变化决定下一步占空比的变化方向。
如果电流增加,在搜索方向不变,如果电流减小,则搜索方向相反。
该模型采用了Matlab自定义函数EmbededMatlabFunction编写了Fsign函数,它的功能是对输入信号进行符号判别,当输入信号大于等于0时输出1,否则输出-1。
模型中3个零阶保持器的采样
图4P-U特性曲线
扰动观察法是一种结构简单、被测参数少、容易
实现的最大功率跟踪方法,因而经常被采用。
2.2占空比扰动法
在光伏系统的应用中,光伏阵列和负载之间的接口通常采用PWM型变换器,拓扑结构如图5
时间取0.005s,每次占空比变化0.05,当然可以将该值取得更小一点以达到更好的跟踪效果,但那会延长跟踪时间。
初始占空比取0.4。
综合仿真场景如图8所示,图8中引入的Clock模块配合SWITCH实现一定的延时,即只有当系统在初始占空比下运行一段时间达到稳态后,才开始9
流变化曲线,从图中可以看出,该算法仍然可以很好地实现最大功率点的跟踪,证明了算法的有效性。
4结束语
在分析光伏电池特性、数学模型及功率关系的基础上,重点研究了基于输出电流检测的占空比扰动法,该方法以占空比为控制变量,以输出电流最大为目标,不依赖光伏电池输出特性,结构简单、控制方便、成本低、效率高。
通过Matlab仿真实验结果验证了该方案的可行性和正确性,有一定应用价值。
参考文献:
[1]禹华军,潘俊民.光伏电池输出特性与最大功率跟踪的
图9仿真结果
仿真分析[J].计算机仿真,2005,22（6:
248-252.
2
图9a为针对太阳辐照度为1kW/m保持不变时,利用文中算法进行MPPT时得到的输出电流变化曲线,从图中可以看出,该算法可以很好地实现最大功率点的跟踪,并最终将输出电流达到最大电流值,但正如文献中指出的那样,扰动法不能使输出电流准确地稳定在最大功率点处,而是在最大功率点处摆动。
图9b是当太阳辐照度从0.8kW/m突变到[2]雷元超,陈春根,沈骏,等.光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究[J].电工电能新技术,2004,23（3:
76-80.[3]冯海峰,马德林,许良军.单级式光伏并网发电系统的仿真分析[J].计算机仿真,2008,25（3:
245-250.[4]周林,武剑,栗秋华,等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术,2008,34（6:
1145-1154.[5]乔兴宏,吴必军,王坤林,等.基于模糊控制的光伏发电系统MPPT[J].可再生能源,2008,26（5:
13-16.[,陈鸣,等.（
图3GCM装置输出轨迹示意图
机里的过热会有不同的特征,从而引起GCM装置的响应也不同。
过热的例子有:
（1短期（存在过热。
引起GCM装置输出轨迹尖峰。
如图3中08:
20左右所示轨迹。
（2间歇（存在过热。
引起GCM装置输出轨迹下降,然后返回到正常值,这个过程可能发生数天、数周、数月。
如图3中09:
30∀10:
00所示轨迹。
（3缓慢发展中（过热。
GCM装置输出轨迹下降超过一个延伸的时间周期。
如图3中10:
30∀13:
30所示轨迹。
（4剧烈的（过热。
GCM装置输出轨迹快速下降,在过热被核实后,可采取一定的预防措施。
如图3中13:
50左右所示轨迹。
（5灾难性的（过热。
GCM装置输出轨迹快速下降,但由于时间太短,来不及采取措施预防事故的恶化。
在图3中,左边的上升曲线表明发电机转速上、下波动直到额定转速（r/min。
在到达操作转速后,GCM装置输出在90%振荡。
在02:
30时,GCM装置被重新校准到80%,即它的正常操作设定。
02:
30∀07:
30的轨迹表明GCM装置输出轨迹向上漂动,从正常设定的80%向上漂动到86%。
这可能是发电机操作特性变化的结果,如压力、氢气纯度或氢气温度变化等。
这时,可通过修正氢气流,也可通过电学重校,使GCM装置的输出调整到正常操作设定,即80%位置
08:
20左右的轨迹尖峰表明:
存在短期过热。
09:
30∀10:
00的轨迹表明:
存在间歇过热。
10:
30∀13:
30的轨迹表明:
这段时间存在缓慢发展中的过热。
13:
30GCM装置被重新校准到80%。
13:
50左右的轨迹表明:
发生剧烈的过热。
另外,要注意的是GCM装置必须被设置成与系（上接第21页的光伏电池最大功率点控制[J].电工技
术学报,2007,22（2:
148-152.
[7]崔开涌,陈国呈,张翼,等.光伏系统最大功率点直接电流,,42（9:
41.
统操作部分相一致。
因GCM装置设置正常可获得
80%的流量输出,若任何时候输出上升到95%以上或下降到70%以下的话,将会给出一个预警指示。
任何时候GCM装置的流量下降低于一个预先设定的水平,将给出流量故障指示。
如果输出下降到50%以下,将启动报警验证程序。
5结论
目前,GCM装置在大、中型发电机上配置越来越多,从运行经验看,该装置对发电机内部绝缘局部过热的监测作用较为重要,能在早期预测发电机故障。
虽然装置自身及电厂运行、维护管理等方面还存在报警误报等问题,但建议各运行单位对GCM装置只能加强综合判断,不能放弃监测。
因为发电机内部各部件过热点的持续与发展与发电机本身所带的负荷和其内部冷却介质有关,在实际运行中,应结合历史数据,综合判断。
如在某一个负荷、一定冷却条件下,过热报警信号出现,当减小负荷时,报警信号不再出现,证明装置运行是正常的;如在同一工况下,只是时间不一样或加大负荷而报警信号不再出现,这说明装置自身就不正常。
当然,装置自身正常与否,还与装置外接管路、冷却气体压力、油水、以及人员的管理维护有关。
因此,确保GCM装置的正常运行,能尽早发现发电机局部过热的缺陷,为分析过热故障原因、采取相应的对策提供了依据。
（编辑:
王书平
作者简介:
王齐钦（1958∀,男,浙江嵊州人,生产技术部电气专业主管,工程师,从事电厂生产技术管理方面的工作。
（编辑:
白银雷
作者简介:
蔡晓峰（1981∀,女,河南永城人,在读硕士研究生,从
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Thegeneralsituationandswitchovermodeofauxiliarypowersystemwereintroduced;theprincipleofauxiliarypowerfastswitchoverdevicewasdiscoursed.Accordingtothedigitalrecordedgraphofauxiliarypowerfastswitchoverdevice,thereasonwhichmakestheswitchovermodeoffastswitchoverdevicetobeunstablewasanalyzedandsummarized,andthemattersneedingattentioninsettingcalculationofauxiliarypowerfastswitchoverdevicewereputforward.Keywords:
auxiliarypowerfastswitchoverdevice;auxiliarypowersystem;switchovermode;protectionmalfunction;recordeddata;setting
lineprotectionwasillustrated.Thefaultscausedbypoorcontact
offunctionalcontactplatewereanalyzed.Themattersneedingattentionandinspectionmethodforthemaintainersandoperatorsintheiroverhaulandoperationwereexpounded.Keywords:
lineprotectiondevice;functionalcontactplateofblockhighfrequencyprotection;malfunction;reasonoffault;analysis
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protectionconfiguration;chargecontrollogic;defectofchargecircuit;reclose;hazard
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undergroundpowerstat
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