光伏-溫差混合發(fā)電控制電路設(shè)計(jì)與仿真分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24598光伏-溫差混合發(fā)電控制電路設(shè)計(jì)與仿真分析案例概述 1247851.1最大功率點(diǎn)跟蹤算法選擇與介紹 1106501.1.1最大功率跟蹤算法概括與選擇 160211.1.2擾動觀察法原理介紹 3146901.2DC/DC變換電路選擇與介紹 49311.3MPPT性能仿真分析 6320671.3.1擾動觀察法模型搭建 639421.3.2MPPT控制器性能仿真分析 61.1最大功率點(diǎn)跟蹤算法選擇與介紹1.1.1最大功率跟蹤算法概括與選擇根據(jù)第三章光伏電池和溫差電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立與仿真分析，可以進(jìn)行系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)。通過對光伏電池的模型建立與仿真分析，可以得出其在工作的時候有一個最大功率點(diǎn)，并且這個最大功率點(diǎn)是唯一的。分析光伏電池在不同外界環(huán)境下的P-U曲線可知，電池在工作時有一個輸出最大功率點(diǎn)的工作狀態(tài)，且這個最大功率點(diǎn)是唯一的。但是，由于溫度、濕度、風(fēng)速、光輻照度等外界環(huán)境條件的不穩(wěn)定性，光伏電池的輸出特性也會變得不穩(wěn)定，在自然狀態(tài)下不能一直保持以最大功率輸出。另外，在第三章對于溫差電池的模型建立與仿真分析中，為探討最大功率工作狀態(tài)下溫差電池的輸出特性，選用匹配負(fù)載進(jìn)行分析說明。即讓溫差電池的外接負(fù)載RL大小等于溫差電池內(nèi)阻R的大小，理論上使得溫差電池恰好時刻工作在最大功率輸出狀態(tài)。而實(shí)際的自然工作條件下，溫差電池的外接負(fù)載不會始終與其內(nèi)阻保持相等，溫差電池冷熱端溫度變化等也會影響其內(nèi)阻的改變，使得溫差電池的輸出特性也變得不穩(wěn)定。根據(jù)前面分析，可以通過工作過程中光伏電池和溫差電池外接負(fù)載的大小，來控制輸出電壓的大小，進(jìn)而控制輸出功率的大小。為保證電池工作在最大功率點(diǎn)處，需要通過控制外加電阻和等效電阻相等來實(shí)現(xiàn)。而最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）指的即是不斷跟蹤最大功率點(diǎn)的過程，以下以光伏電池為例進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤原理的說明，其工作原理如圖4-1所示。B2B1A2A1負(fù)載2負(fù)載1曲線B2B1A2A1負(fù)載2負(fù)載1曲線2曲線1OUI圖4-1最大功率點(diǎn)跟蹤原理圖圖4-1中，若光伏電池在不同光輻照度條件下的I-U特性用曲線1和曲線2表示，則可根據(jù)仿真分析過程中的結(jié)論得知，相同溫度下，曲線1表示的工作環(huán)境光輻照度更高。A1和B1分別表示不同光輻照度下負(fù)載不同時對應(yīng)的最大功率點(diǎn)。若給定一光輻照度，光伏電池I-U特性恰好用曲線1表示，當(dāng)光輻照度下降時，光伏電池輸出特性曲線則會從從曲線1到曲線2移動。當(dāng)光輻照度下降到另一穩(wěn)定數(shù)值時，其輸出特性曲線用曲線2表示，這時的負(fù)載1不再工作在最大功率點(diǎn)A1狀態(tài)，而是工作在新的工作點(diǎn)A2，而A2點(diǎn)并不是此時的最大功率輸出點(diǎn)。這表明，即使當(dāng)負(fù)載保持恒定不變時，光伏電池的輸出特性也會受光輻照度的影響，使其不能一直保持在最大功率點(diǎn)工作。同理，溫度對光伏電池的輸出特性也會有所影響。因此，外界環(huán)境條件的變化對光伏電池和溫差電池的輸出特性都會有影響，不加干預(yù)的情況下二者都將不能保證工作在最大功率點(diǎn)狀態(tài)。因此，為了讓光伏電池持續(xù)輸出最大功率，需要通過調(diào)整外接負(fù)載的大小來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光輻照度減小時，光伏電池的I-U特性曲線由曲線1移向曲線2，原來工作在最大功率點(diǎn)A1的負(fù)載1將工作在A2點(diǎn)，而此時的A2點(diǎn)并不是最大功率輸出點(diǎn)。如果將負(fù)載1換成負(fù)載2，則此時負(fù)載2將工作在B1點(diǎn)，即為此時的最大功率輸出點(diǎn)，達(dá)到最大功率追蹤效果。如果此時負(fù)載2工作在B1點(diǎn)保持不變，則當(dāng)光輻照度增加時，光伏電池的輸出特性又逐漸由曲線2變?yōu)榍€1，此時負(fù)載2工作在B2點(diǎn)，并不是光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)，這就需要將負(fù)載2再次調(diào)整為負(fù)載1，使其工作在A1點(diǎn)，再次實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。通過以上分析，要使光伏電池式中工作在最大功率點(diǎn)，可以通過不斷調(diào)節(jié)負(fù)載來實(shí)現(xiàn)。而溫差電池在實(shí)際工作中輸出特性也與光伏電池類似，受到外界環(huán)境的影響，需要通過負(fù)載的調(diào)節(jié)使其工作在最大功率輸出點(diǎn)。MPPT算法即可現(xiàn)負(fù)載大小的調(diào)節(jié)，因此，人們開始不嘗試不斷地探索和優(yōu)化光伏電池和溫差電池的MPPT算法，來獲得電池的最大輸出功率。目前，常見的傳統(tǒng)算法包括電導(dǎo)增量法、擾動觀察法、恒定電壓法、模糊控制法等，也有相關(guān)研究提出將不同算法結(jié)合在一起的方式來跟蹤最大功率點(diǎn)，并提出一些智能算法并進(jìn)行不斷優(yōu)化。在諸多的算法中，當(dāng)設(shè)置的參考值足夠大，輸入?yún)?shù)相對穩(wěn)定的環(huán)境下，傳統(tǒng)算法即可實(shí)現(xiàn)電池的MPPT控制。在諸多的算法中，擾動觀察法操控簡單，容易實(shí)現(xiàn)MPPT功能。并且在相對穩(wěn)定的輸入狀態(tài)下，擾動觀察法的穩(wěn)定性也比較高。因此，本文中的光伏電池和溫差電池都使用擾動觀察法來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能，并進(jìn)行仿真分析。以下就擾動觀察法進(jìn)行簡單介紹。1.1.2擾動觀察法原理介紹擾動觀察法的基本原理是檢測發(fā)電系統(tǒng)的電流或這電壓的擾動信號，觀察系統(tǒng)的輸出特性并進(jìn)行下一步分析計(jì)算，確定擾動的方向，調(diào)整電流或電壓保持在最大功率點(diǎn)工作狀態(tài)附近。圖4-2示出擾動觀測法的基本原理。U1△P△UO電壓UU4U3UmU2U1△P△UO電壓UU4U3UmU2P4P3P1P2PmPm功率P圖4-2擾動觀察法尋優(yōu)原理如圖4-2所示，橫軸表示輸出電壓U，縱軸表示輸出功率P。當(dāng)n≥1時，設(shè)存在一個擾動電壓ΔU=Un-Un-1，則對應(yīng)輸出功率變化為ΔP=Pn-Pn-1。擾動觀察法算法實(shí)現(xiàn)過程中即有一個擾動電壓，需要觀察擾動后的功率輸出情況，進(jìn)而及時調(diào)整擾動方向，使電池工作在最大功率點(diǎn)輸出狀態(tài)。1.當(dāng)ΔU≥0，即Un≥Un-1時：（1）若ΔP＞0，則此時輸出電壓小于Um，電池工作輸出功率小于Pm。此時，應(yīng)繼續(xù)保持原來的擾動方向，使曲線所示工作點(diǎn)繼續(xù)向右移動，使得輸出功率逐漸接近最大功率Pm。（2）若ΔP＜0，則此時輸出電壓大于Um，電池工作輸出功率仍小于Pm。此時，擾動方向應(yīng)與原來相反，使曲線所示工作點(diǎn)開始向左移動，使得輸出功率逐漸接近最大功率Pm。2.當(dāng)ΔU≤0，即Un≤Un-1時：（1）若ΔP＞0，則此時輸出電壓大于Um，電池工作輸出功率小于Pm。此時，應(yīng)繼續(xù)保持原來的擾動方向，使曲線所示工作點(diǎn)繼續(xù)向左移動，使得輸出功率逐漸接近最大功率Pm。（2）若ΔP＜0，則此時輸出電壓小于Um，電池工作輸出功率仍小于Pm。此時，擾動方向應(yīng)與原來相反，使曲線所示工作點(diǎn)開始向右移動，使得輸出功率逐漸接近最大功率Pm。為原理更加清晰，圖4-3示出擾動觀察法的流程，大致歸納為：通過施加電壓擾動，觀察輸出功率的變化情況，根據(jù)輸出功率的變化情況確定擾動的方向，確定與原來擾動方向保持一致或是相反。經(jīng)過多次反復(fù)擾動以后，將電池輸出電壓調(diào)整到最大功率點(diǎn)電壓附近，即讓電池工作在最大功率輸出狀態(tài)附近。是是是否否否返回Un=Un+dUUn=是是是否否否返回Un=Un+dUUn=Un-dUUn=Un+dUUn=Un-dUUn-Un-1＜0Un-Un-1＞0△Pn＞0Pn=UnIn△Pn=Pn-Pn-1測量Un和In開始圖4-3擾動觀察法流程圖1.2DC/DC變換電路選擇與介紹光伏電池、溫差電池用來發(fā)出直流電，是光伏-溫差混合發(fā)電裝模型的發(fā)電部分。而外界環(huán)境條件的變化會影響光伏電池和溫差電池發(fā)出來的電壓或電流大小，并且電池直接發(fā)出來的電能不能直接供蓄電池和用電設(shè)備使用。一般地，在發(fā)電部分到用電設(shè)備端，需要經(jīng)過DC/DC變換電路，通過對發(fā)電部分發(fā)出的電流或電壓的變換后，得到用電設(shè)備所需要的電能。另外，光輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等外界環(huán)境的變化都會影響光伏電池和溫差電池的最大輸出功率，不同外界環(huán)境條件對應(yīng)著不同的最大功率點(diǎn)，DC/DC變換器的另一個功能是幫助實(shí)現(xiàn)發(fā)電部分的最大功率點(diǎn)跟蹤。DC/DC變換器可以改變電路的占空比D，這樣與MPPT算法相結(jié)合，使得電池的等效內(nèi)阻抗和外電路等效阻抗匹配，進(jìn)而輸出最大功率。MPPT算法作用在DC/DC變換器上，對整個發(fā)電模型來說，選擇合適的DC/DC變換器非常重要。目前，常見的DC/DC變換器主要包括Boost變換器、Buck變換器、Buck-Boost變換器、Cuk變換器等。其中，BoostDC/DC變換器是由一個全控型開關(guān)管和一個續(xù)流二極管D加上濾波電容、電感構(gòu)成的，可以起到升壓作用，在電力電子技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛。IinLIinLRSVoutCIoutDRSVoutCIoutDVin圖4-4BoostDC/DC原理圖其中，Boost變換器的濾波電容、電感值通常取得很大，電路中的開關(guān)管導(dǎo)通和斷開的時候其等效電路分別如圖4-5（a）、4-5（b）所示：LLLL-++--++-VoutVoutRRVinVinC-++--++-VoutVoutRRVinVinCC(b)開關(guān)管導(dǎo)通(b)開關(guān)管關(guān)斷圖4-5Boost電路工作狀態(tài)電路正常工作時，開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止，電源給電感L提供能量，電容向電阻釋放能量，該能量來源于上一工作周期自身存儲的能量。如果選用電容C足夠大，便可使得輸出電壓Vout變化很小，近似分析中可以認(rèn)為一個開關(guān)周期內(nèi)Vout保持恒定不變。當(dāng)開關(guān)段關(guān)斷時，二極管承受正向?qū)妷?，電感電流瞬時值保持不變，將向負(fù)載和電容同時釋放能量。穩(wěn)態(tài)工作時，濾波電容C的充電量等于放電量，通過電容的平均電流為0，則通過二極管D的平均電流值就是負(fù)載的平均電流值Iout。（4-1）（4-2）其中，≥1，輸出電壓隨著占空比的改變而改變。高頻變換器的設(shè)計(jì)是為了減小電感和電容的尺寸，隨著開關(guān)頻率的增加，電感和電容的最小尺寸減小。在仿真中，為了保持電流的連續(xù)，選擇比計(jì)算值高的電感。電容器的選擇是為了限制輸出紋波，以承受峰值輸出電壓和攜帶所需的均方根電流。電感的大小和電容器的計(jì)算可采用方程：（4-3）（4-4）式中，D——占空比，R——負(fù)載電阻，f——開關(guān)頻率，Vout——輸出電壓。1.3MPPT性能仿真分析1.3.1擾動觀察法模型搭建擾動觀察法工作原理已經(jīng)詳細(xì)敘述，根據(jù)流程圖與原理說明，在Simulink中搭建如圖4-6所示的擾動觀察法MPPT仿真模型。輸入分別為光伏電池和溫差電池的電壓和電流，輸出為受擾動電壓或擾動電流控制的占空比信號。通過對輸出電壓或輸出電流的擾動的判斷，確定下一步的擾動方向，即擾動的大小及正負(fù)。經(jīng)過反復(fù)多次的擾動觀察以后，該算法使得電池能夠保持工作在最大功率點(diǎn)附近。圖4-6擾動觀察法仿真模型1.3.2MPPT控制器性能仿真分析根據(jù)以上說明，本文設(shè)計(jì)的電路控制部分采用Boost電路和擾動觀察法算法，本節(jié)中首先對光伏電池的控制電路進(jìn)行仿真分析，通過是否在模型中設(shè)置最大功率點(diǎn)跟蹤，進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤效果和擾動觀察法算法的性能。圖4-7示出光伏電池控制電路仿真對比分析模型。圖4-7光伏電池MPPT性能對比仿真模型相同溫度，不同光輻照度下，針對是否對光伏電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，在仿真模型中設(shè)置不同的光輻照度，輸出功率曲線如圖4-8所示，輸出電壓曲線如圖4-9所示。圖4-8光伏電池輸出功率對比曲線圖4-9光伏電池輸出電壓對比曲線在上述仿真模型中，光伏電池的短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電壓Um，最大功率點(diǎn)電流Im，開路電壓Uoc等參數(shù)的設(shè)置與第三章模型建立與仿真分析使用參數(shù)一致。首先在光伏電池模型中將環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，光輻照度在仿真0~0.2s，0.2s~0.4s，0.4s~0.6s，0.6s~0.8s，0.8s~1.0s分別設(shè)置為900W/m2，1000W/m2，900W/m2，1200W/m2，1500W/m2。設(shè)置光輻照度不同是為了觀察溫度一定時，光伏電池的輸出性能隨光輻照度的變化規(guī)律，兩次設(shè)置900W/m2的目的是觀察輸出結(jié)果的一致性，驗(yàn)證仿真模型輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。以下根據(jù)輸出功率曲線觀察光伏電池?cái)_動觀察法效果，分析光伏模塊MPPT控制器在輸出功率和電壓方面的性能。由圖4-8和圖4-9，相同溫度，不同光輻照度下，采用擾動觀測算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，可以看到，在實(shí)現(xiàn)算法時，光伏電池的輸出電壓和輸出功率都有所提高。光輻照度改變時，最大功率點(diǎn)和輸出電壓都能在較短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。其中輸出電壓的提高是通過擾動觀察法，調(diào)整Boost變換器的占空比來增大外接負(fù)載而實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而使得輸出功率增大。由于算法本身的局限性，光伏電池不能完全穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)狀態(tài)運(yùn)行，而輸出功率數(shù)值會在最大功率點(diǎn)附近來回波動。并且可以通過輸出曲線得出結(jié)論，溫度一定的情況下，光輻照度越大，光伏電池最大輸出功率越大，擾動觀察法算法跟蹤到的最大功率波動范圍也相對越大。根據(jù)第三章的分析，光伏電池的輸出特性受光輻照度和溫度的影響，通過光輻照度的改變觀察最大功率點(diǎn)跟蹤前后的輸出特性以后，下一步在仿真模型中設(shè)置在太陽光輻照度一定的條件下，改變環(huán)境溫度，進(jìn)一步分析光伏電池受溫度影響的輸出特性，從溫度變化角度驗(yàn)證擾動觀察法和Boost轉(zhuǎn)換器的性能。此時通過對于所搭建的模型中溫度參數(shù)的改變，進(jìn)行最大功率追蹤前后光伏電池輸出功率對比曲線如圖4-10所示，輸出電壓對比曲線如圖4-11所示。圖4-10光伏電池輸出功率對比曲線圖4-11光伏電池輸出電壓對比曲線此時，在圖4-7所示的仿真模型中，設(shè)置環(huán)境中的光輻照度固定為1000W/m2，在0~0.2s，0.2s~0.4s，0.4~0.6s，0.6~0.8s，0.8~1.0s時刻分別設(shè)置環(huán)境溫度為5℃，25℃，45℃，65℃，85℃。根據(jù)輸出結(jié)果觀察并比較光伏電池進(jìn)行擾動觀察法算法處理前后的輸出電壓和輸出功率曲線，進(jìn)一步驗(yàn)證光伏電池DC/DC變換器和擾動觀察法設(shè)計(jì)的效果。根據(jù)圖4-10和圖4-11，相同光輻照度，不同溫度條件下，采用擾動觀測算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，可以看到，在實(shí)現(xiàn)算法時，光伏電池的輸出電壓和輸出功率都有所提高。環(huán)境溫度發(fā)生變化時，最大功率點(diǎn)和輸出電壓都能在較短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。其中輸出電壓的提高是通過擾動觀察法，調(diào)整Boost變換器的占空比來增大外接負(fù)載而實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而使得輸出功率增大。另外，通過不同溫度下輸出功