發(fā)布時(shí)間：2021-06-23所屬分類：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 計(jì)算機(jī)仿真
《光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的研究與設(shè)計(jì)》論文發(fā)表期刊：《計(jì)算機(jī)仿真》；發(fā)表周期：2021年02期
《光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的研究與設(shè)計(jì)》論文作者信息：申舒琪（1994-），女（漢族），山西省忻州市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Ｐ皖A(yù)測(cè)控制。 李國(guó)勇（1963-），男（漢族），山西省運(yùn)城市人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂疲ㄍㄓ嵶髡撸?/p>
摘要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用何種前級(jí)升壓電路以及光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法始終是究熱點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)Bost電路輸入電流紋波大、功率因數(shù)低等問(wèn)題，提出采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路作為前級(jí)電路，并對(duì)其進(jìn)行研究;針對(duì)傳統(tǒng)跟蹤方法時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題，改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，能夠兼顧動(dòng)態(tài)速度和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。搭建仿真模型，結(jié)果驗(yàn)證了交錯(cuò)并聯(lián)Bost電路可有效減小輸入電流紋波，而改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法跟蹤速度更快，穩(wěn)定性更好。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果驗(yàn)證了兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的可行性。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);最大功率點(diǎn)跟蹤;交錯(cuò)并聯(lián)電路;電導(dǎo)增量法
ABSTRACT: Adopting the suitable pre -stage boost circuit and the maximum power point tracking technology are always research hotspots in photovoltaic systems. To address the input current ripple and low power factor of traditional boost chopper, interleaved boost chopper was adopted as the pre -stage circuit and researched. And a variable step size incremental conductance algorithm was improved to solve the ppoblem of traditional methods, which combines the dynamic speed and steady state precision to realize the maximum power point tracking technology. The simulation model was built and the results show that the interleaved boost circuit can effectively reduce input current ripple, and the improved incremental conductance method with variable step size has faster tracking speed and better stability.The experimental platform was built and the results verified the feasibility of the combination to achieve maximum power point tracking.
KEYWORDS: Photovoltaic system; Maximum power point tracking; Interleaved chopper; Ineremental conductance
1引言
光伏發(fā)電技術(shù)是將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣泛。而光伏電池的輸出功率受溫度、光照強(qiáng)度等諸多因素的影響不斷變化，如何保證光伏電池輸出最大功率，即光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤maximum power point tracking，MPPT)始終是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。常規(guī)方法是采用Boost電路作為載體，通過(guò)擾動(dòng)觀察法或電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT[1]。本文針對(duì)此傳統(tǒng)方法存在的諸多不足，采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，旨在解決輸入電流紋波大、輸出電壓不穩(wěn)定、功率因數(shù)低等問(wèn)題;同時(shí)改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量控制方法，以實(shí)現(xiàn)MPPT，提升使用效率，保證跟蹤過(guò)程的快速性和穩(wěn)定性。
2光伏電池模型及特性
光伏電池的工作原理是利用光伏效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能，其電流-電壓數(shù)學(xué)模型可表示為[2]
式中，1為光生電流，1，為PN結(jié)反向飽和電流，R，為串聯(lián)電阻，R為旁漏電阻，A為二極管品質(zhì)因子，K為波耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為單位電荷數(shù)。
通過(guò)分析光伏電池的數(shù)學(xué)模型，選取表1中參數(shù)，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建仿真模型，可以得到圖1(a)中所示的光伏電池輸出P-U特性曲線以及圖1(b)中所示的1-U特性曲線。
觀察兩條特性曲線，可以得到不同條件下光伏電池的最大功率點(diǎn)有且僅有一個(gè)，溫度越低，光照越強(qiáng)，則光伏電池的輸出功率越大[3] 。
3交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路
3.1電路拓?fù)?/p>
本文設(shè)計(jì)交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路以實(shí)現(xiàn)提升光伏電池輸出電壓和最大功率點(diǎn)跟蹤的功能，其較傳統(tǒng)Bost電路具有輸入電流紋波小、輸出電壓穩(wěn)定和可靠性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[1。電路由兩個(gè)開關(guān)管s，和S2、兩個(gè)二極管D，和D2、兩個(gè)量值相等的電感1，和1，和一個(gè)電容C組成，在一個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)兩個(gè)開關(guān)管的觸發(fā)脈沖周期相同，且相位相差18003.2工作模態(tài)分析
在電感連續(xù)模式下，對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)Bost電路的工作模態(tài)進(jìn)行分析[5]。當(dāng)占空比d小于50%時(shí)，等效電路共三種工作模態(tài)如圖3所示。
模態(tài)1：5，和D2導(dǎo)通，52和D，關(guān)斷，電感電流 線性增加，n線性減小，1，存儲(chǔ)電能，12和C釋放電能為負(fù)載供電，輸入電流增加。
模態(tài)2：5，和D2關(guān)斷，52和D，導(dǎo)通，i線性減小，i線性增加，L，和C釋放電能為負(fù)載供電，12存儲(chǔ)電能，輸入電流增加。
模態(tài)3：5，和s2關(guān)斷，D，和D2導(dǎo)通，i和i2線性減小，
4和1，為負(fù)載和C供電，輸入電流減少。
當(dāng)占空比d大于50%時(shí)，等效電路共三種工作模態(tài)如圖4所示。
模態(tài)4：5，和D2導(dǎo)通，52和D，關(guān)斷，i線性增加，n線性減小，1，存儲(chǔ)電能，12釋放電能為負(fù)載和C供電，輸入電流減少。
模態(tài)5：5，和D2關(guān)斷，52和D，導(dǎo)通，i線性減小，in線性增加，1，釋放電能為負(fù)載和C供電，L2存儲(chǔ)電能，輸入電流減少。
模態(tài)6：5，和s2導(dǎo)通，D，和D2關(guān)斷，i和i線性增加，
4，和1，存儲(chǔ)電能，C為負(fù)載供電，輸入電流增加。
3.3紋波分析
交錯(cuò)并聯(lián)Boast電路的總輸入電流等于各相Boost支路電感電流之和。由于導(dǎo)通相位相差1800，因此當(dāng)支路電感電流升降趨勢(shì)相反疊加時(shí)抵消，輸入電流紋波因此減小。通過(guò)定量分析，可得傳統(tǒng)Boost電路和交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的輸入電流紋波表達(dá)式分別為
式中，Ui 為輸入電壓，Uo 為輸出電壓，T 為開關(guān)周期，L 為電感值，且L=12=L比較式(2)和式(3)可知，取占空比0
4改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法
由前面對(duì)光伏電池的分析可以得到，為提高其輸出效率，將光伏電池實(shí)時(shí)地控制在最大功率點(diǎn)尤為重要。由此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)交錯(cuò)并聯(lián)Bost電路的占空比d以實(shí)現(xiàn)MPPT傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的原理是：通過(guò)計(jì)算功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)，判斷工作點(diǎn)的位置進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比。此法憑借控制效果好、穩(wěn)定度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于光伏電池MPPT中[1。其缺點(diǎn)是由于步長(zhǎng)固定，采用大步長(zhǎng)雖動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短但穩(wěn)定性差，采用小步長(zhǎng)雖提高了穩(wěn)定性但響應(yīng)速度慢，均會(huì)導(dǎo)致光伏電池效率降低[8]。文獻(xiàn)[9]中利用功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)越靠近最大功率點(diǎn)越小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，解決了跟蹤過(guò)程中動(dòng)態(tài)速度和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，既保留了上述變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可防止誤判和外界環(huán)境突變，提高系統(tǒng)抗擾性[0]
能更好地滿足實(shí)現(xiàn)MPPT的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)要求。
占空比周期性調(diào)整可表示為
式中，d(t)為 t 時(shí)刻的占空比，Δd 為步長(zhǎng)，P(t)、V( t)和 I( t) 分別為在 t 時(shí)刻的輸出功率、電壓和電流。 且需滿足
式中，IdP/dVlAm是以Adm為固定步長(zhǎng)跟蹤時(shí)的1dP/dVl。
當(dāng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，應(yīng)減小占空比以增大后端等效電阻，式(4)中符號(hào)為負(fù);當(dāng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，應(yīng)增大占空比，式(4)中符號(hào)為正。
改進(jìn)后的變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法控制流程圖如圖5所示。
5結(jié)果與分析
在Matlab/Simulink平臺(tái)中搭建傳統(tǒng)Boost電路和交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的仿真模型，結(jié)合上述理論分析，選取電感L，=
L2=1mH，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)頻率為20kHz，相位差1800，負(fù)載R=502，輸入電壓U，=240V，占空比d=40%時(shí)，總輸入電流如圖6(a)所示;輸入電壓U，= 160V，占空比d=60%時(shí)，總輸輸入電流如圖6(b)所示。
觀察可得：當(dāng)占空比取40%和60%時(shí)，交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路能更好地抑制輸入電流紋波，仿真結(jié)果與理論分析完全一致。
應(yīng)用傳統(tǒng)定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法進(jìn)行光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤，選取表1中光伏電池的參數(shù)，得到兩種方法的輸出功率波形圖如圖7所示。
觀察可得：傳統(tǒng)定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法分別在0.1s和0.04s時(shí)輸出功率基本達(dá)到最大功率點(diǎn)，改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法響應(yīng)速度更快，功率波動(dòng)小，穩(wěn)定性更好。
基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，采用雙CPU控制，搭建功率為250W的兩級(jí)式微型光伏逆變器測(cè)試平臺(tái)，利用光伏陣列模擬器，在上位機(jī)中測(cè)試逆變器在不同功率下對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤效果。如圖8和圖9所示，分別為逆變器工作在100W和250W功率下的跟蹤情況。1-U特性曲線上的短線段為最大功率點(diǎn)的跟蹤范圍，是由各個(gè)跟蹤點(diǎn)組成。測(cè)試結(jié)果表明，兩種情況下系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，且跟蹤效果理想，波動(dòng)范圍小，進(jìn)一步計(jì)算可得跟蹤效率達(dá)99.4%。
6結(jié)論
為解決傳統(tǒng)Boost電路與電導(dǎo)增量法帶來(lái)的不足，本文基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，和改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，將二者應(yīng)用于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，通過(guò)搭建仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了其可行性。結(jié)果表明，交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路能夠減小輸入電流紋波幅值，穩(wěn)定性和可靠性更強(qiáng)，功率因數(shù)得以提升;而改進(jìn)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，抗擾性好，化解了動(dòng)態(tài)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾，兩者的結(jié)合在光伏MPPT控制領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。
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