独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究

欢迎引用：[5]黄克亚.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究[J].电工电气,2011,(2):22-25.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究黄克亚121苏州大学电子信息学院江苏苏州2150212南京铁道职业技术学院江苏苏州215137【摘要】：本论文以太阳能光伏发电系统为研究对象，以获取太阳能电池的最大功率为目标。论文通过分析光伏电池特性，推导Boost电路阻抗变换关系，在Matlab中对光伏电池、Boost电路建模，改变Boost占空比寻找最大功率点。论文最后给出光伏发电系统最大功率点跟踪方案即改变Boost占空比使得负载的等效阻抗与光伏电池阵列内部阻抗相匹配。【关键词】：太阳能电池、最大功率点跟踪、升压电路、仿真PrincipleanalyzeandsimulationresearchofthemaximumpowerpointtrackingStand-alonePhotovoltaicSystemHuangkeya121SchoolofElectronicsandInformation，SuzhouUniversity，SuzhouJiangsu215022NanjingInstituteofRailwayTechnology，SuzhouJiangsu215137【Abstract】：Inthispaper,inordertoobtainthemaximumpowerofsolarcells,photovoltaicsystemswerediscussedandanalyzed.Thecharacteristicsofphotovoltaiccellswereanalyzed.Besides,therelationsImpedancetransformationofBoostCircuitwasderivedinthispaper.WeattempttochangeBoostcircuitdutycycle,Inordertosearchforthemaximumpowerpointofphotovoltaicsystems.ThelastprogramselectedforphotovoltaicsystemsmaximumpowerpointtracingthatischangingtheBoostdutycyclemakestheequivalentimpedanceofexternalloadtomatchthephotovoltaicsystemsinternalimpedance.【Keywords】：solarcell、maximumpowerpointtracking、Boost、simulation引言：随着能源问题和环境问题的日益突出，作为清洁能源的太阳能越来越受到重视。近年来，太阳能光伏发电的研究和应用有了突飞猛进的增长，成为新能源的研究热点之一。目前制约太阳能光伏发电系统进一步发展因素主要有高昴的制造成本和较低的转换效率。众所周知，光伏系统有一个最大功率点，为有效地利用太阳能，必须进行最大功率点跟踪(MPPTmaximumpowerpointtracking)。1光伏电池特性光伏电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系:0()exp1ssphshqVRIVRIIIInKTR(1)式中:I—光伏电池板的输出电流(A)；V：光伏电池板的输出电压(V)；q：一个电子所含的电荷量(l.6x10-19C)；K：波尔兹曼常数(l.38×10－23J/K)；T：光伏电池板表面温度(K)；n：光伏电池板的理想因数(n=1-5)；I0：表示光伏电池板的逆向饱和电流。在Matlab中建立光伏电池数学模型[1]，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的I-V、P-V曲线如图1所示。其中图(a)、图(c)标注为辐照度，单位为W/m2;图(b)、图(d)标注为阵列表面温度，单位为℃。图1光照和温度对太阳能电池的影响从图1四组特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下光伏系统存在单峰值最大功率，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。2光伏阵列MPPT原理2.1MPPT原理分析光伏组件的输出存在着功率最大点，在特定的温度和光照条件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小，图2是用图解法得出光伏组件的工作点的示意图。其中a图是光伏组件工作时的等效电路图，b图中曲线为太阳能光伏组件输出的电流电压（I-V）曲线，直线表示负载电阻的I-V特性，二者的交点即为光伏组件的工作点，工作点的电压电流既要符合光伏组件的I-V特性又符合负载自身的I-V特性。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负载和光伏组件就处于失配状态，光伏组件所产生的电能就没有被充分利用。外界的环境因素，通常是无法人为改变的，温度和光照在一天中是变化的，方阵的输出特性也随之变化，要使光伏方阵始终能够输出最大功率，必须适变其所接的负载。通常的光伏系统最大功率跟踪器，是一个DC-DC变换器，因此可以把光伏阵列等效看成直流电源，DC-DC变换电路看成外部负载。光伏方阵所接的等效负载是DC-DC变换器占空比D和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏方阵等效负载的目的，使之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时就可以获得光伏阵列组件的最大输出功率，从而实现最大功率跟踪。图2光伏阵列等效电路及I-V曲线2.2仿真分析选择SolarexMSX6060W电池阵列，其主要参数数为Uoc=21.0V,Isc=3.74A,Um=17.1V,Im=3.5A,Pm=59.9W。在Matlab中建立仿真模型如图3所示，其中光伏电池采用嵌入函数形式。设置仿真时间为1s，仿真算法为变步长ode45，辐照度为1000W/m2，温度为25℃，使其外接电阻的变化范围为0-10Ω，观察输出功率的变化。图3负载电阻改变仿真模型仿真分析发现当负载电阻在4.9Ω左右的时候取得最大功率,由此可以说明该太阳能电池模型的在最佳最佳匹配负载为4.9Ω。对照光伏电池的特性参数Um＝17.1V，Im=3.5A可以计算得到Rm值Rm=Um/Im=4.89。Rm是理论计算得到的当前工作条件下的最佳匹配负载，由此可见当外接负载的阻值等于光伏的电池的最佳匹配负载时系统取得最大功率。和我们2.1理论分析的结论是完全吻合的。3DC-DC变换电路DC-DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。常用的DC-DC变换电路有降压电路(Buck)、升压式(Boost)。我们选择Boost电路作为DC-DC变换路。3.1Boost电路构成图4所示为升压式变换电路，它由开关S、二极管D、储能电感L和滤波电容C等组成。当开关S导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时Vl=Vi。当开关S截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时Vl=Vi-Vo。所以，输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。图4升压式变换器电路图Boost变换器的优点是：①输入电流连续，对电源的电磁干扰相对较小；②开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。其缺点为：①输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。②电压比永远大于1，只能升压。3.2升压变压器工作原理假设升压变换器电路中电感L值很大，电容C值很大，电流连续。Vi表示输入电压，Vo表示输出电压，il为流过电感的电流。设Boost电路开关周期为T，占空比为D，（0-DT）时间内开关S开通时，其电路如图5(a)所示，输入电压Vi向电感L充电，同时电容C上的电压向负载供电。（DT－T）时间内开关S关断时，其电路如图5（b）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。图5升压变换器工作过程等效图在电流连续工作状态下电压关系[2]：在（0－DT）时间内：开关管导通，电感中的电流按照直线规律上升：LLidiivLLdtDT(2)在（DT－T）时间内：开关管关断，电感中的电流线形下降：(1)LLoidiiVVLLdtDT(3)式（2）与式（3）联立可得：1oViVD(4)3.3Boost电路阻抗变换当光伏阵列采用Boost电路作为DC-DC变换电路时，考虑Boost电路输出负载为纯电阻的情况，且变换器的效率为100%，则可以对Boost电路阻抗的进行简单地变换。由式(4)可知Boost电路输入电压和输出电压关系Vi=Vo*(1-D)，又由于变换前后功率守衡，所以Ii=Io/(1-D)，由此可以求出等效电阻为：22*(1)'*(1)*(1)/(1)iooLiooVVDVRDRDIIDI(5)其中:R’：BOOST电路等效输人阻抗，D：开关占空比，RL：负载阻抗。式中不考虑BOOST电路电感的自身电阻。从式(5)可知，开关占空比越大，Boost电路输入阻抗就越小。当改变Boost电路开关占空比，使得其等效输入阻抗与光伏系统阻抗相匹配，则光伏电池将输出最大功率，这也是利用BOOST电路实现最大功率跟踪的理论依据。4Boost电路实现最大功率跟踪仿真建立仿真图形如图6所示，其中光伏电池模型，Boost电路均采用嵌入函数[3]的形式。设置仿真时间为1s，仿真算法为变步长ode45，使占空比在0-1之间变化，观察输出功率的变化。当负载电阻分别100Ω和30Ω得到P-D仿真曲线如图7所示。图6Boost电路实现MPPT仿真模型图7MPPT仿真曲线从两组曲线上可以看出D在0-1之间变化，功率存在一个最大值，观察曲线发现当负载RL＝100Ω时，D在大约0.78时获得最大功率，根据式(5)计算等效电阻为：R’=100*（1-0.78）2＝4.84Ω.当负载RL=30Ω，D在大约0.6时获得最大功率，同样根据式(5)计算等效电阻为：R’=30*（1-0.6）2＝4.8Ω，与前面的理论分析的最佳匹配电阻4.9Ω十分相近。同时也说明完全可以通过调节Boost电路的占空比，达到最大功率跟踪的目的。5结束语论文首先分析了光伏电池的I-V特性，P-V特性，表明太阳能电池确实存在单峰值最大功率点。接着分析了最大功率点跟踪原理，说明当负载阻值等于光伏电池的最佳匹配负载时系统即工作于最大功率点。随后又分析Boost电路结构和电压关系，并推导出Boost阻抗变换关系，得出只要改变Boost电路的占空比即可以改变等效阻抗。最后得出光伏系统最大功率点跟踪方案即改变Boost占空比使得负载的等效阻抗与光伏电池阵列阻抗相匹配。通过Matlab仿真验证理论分析的正确性和方案设计的可行性。【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仿真分析.计算机仿真[J].2005，22(6):248~252[2]曹旭阳.独立光伏路灯系统MPPT控制器设计.[硕士论文]．青岛：中国海洋大学.2007[3]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社,2007