光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2340光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制仿真分析案例 146891.1光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC/DC變換器研究 1140801.1.1基本的DC/DC變換電路 146081.1.2Boost電路參數(shù)及仿真設計 3186351.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法仿真研究 492711.2.1光伏陣列 5197101.2.2恒定電壓法仿真 6128531.2.3電導增量法仿真 8291511.2.4擾動觀察法仿真 12315201.2.5變步長擾動觀察法仿真 1510351.2.6仿真結(jié)果比較分析 181.1光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC/DC變換器研究光伏電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，但這些電能是隨著氣候、環(huán)境等因素的變化而發(fā)生變化的直流電能，直接供給負載使用是不太可能的，此時就需要利用DC/DC變換器進行變換后，提供給負載正常工作的需求。通過對變換器進行控制，可以讓電池的內(nèi)電阻與負載電阻相等，這樣就可以有最大功率輸出。具體的工作方法就是，DC/DC變換器可以調(diào)節(jié)其開關的導通和關斷時間長短，再配合電感和電容器件來改變直流電壓[12]。最基本的DC/DC變換電路有兩種:降壓斬波電路(BuckChopper)和升壓斬波電路(BoostChopper)。1.1.1基本的DC/DC變換電路1.降壓斬波電路(BuckChopper)圖4-1Buck變換器原理圖在光伏陣列輸出的地方讓其與Buck變換器相連。根據(jù)電力電子學習資料，它的工作過程可以簡單描述如下：當開關開通時，電源對電源電容C和負載提供能量，進行充電。這個過程經(jīng)過了電感線圈L。L上的電流變大，負載上的電流和它兩端電壓也不斷的變大。當開關關斷時，電流不是由于關斷而突然降低的，它是在電感的續(xù)流作用下緩慢的降低。電容C則改變狀態(tài)，變?yōu)樘幱诜烹姞顟B(tài)。此時電源處于開路狀態(tài)，沒有能量的輸出，負載由電感提供能量[13]。Buck電路變換器可以實現(xiàn)把光伏電池輸出電壓降低。由上述可得知，Buck變換器其實存在著能量的損耗。那就是在工作過程中的開關管關斷的時段，電源此時處于開路的狀態(tài)沒有能量的輸出。所以Buck變換器的電源并不是一直處于運行的狀態(tài)的，即它的電源不能持續(xù)的輸出能量來對負載不停的供電。能量損失因此產(chǎn)生。這個時候需要借助額外的設備來解決這一問題。但由于設備的增加，會導致發(fā)電系統(tǒng)建造成本的增加。所以結(jié)合這以上原因可以得出，Buck變換器其實不適合做光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變換器。2.升壓斬波電路(BoostChopper)圖4-2Boost變換器原理圖根據(jù)電力電子學習資料，Boost變換器工作過程可以簡單描述如下：當開關開通時，電源是在提供能量給電感的，L的電流變大。負載由電容C對其提供電能。當開關管關斷時，電源和電感L則一起向電容C和負載供電。Boost電路變換器可以實現(xiàn)把光伏電池輸出電壓升高。Boost電路中:占空比D=由上述可得知，Boost變換器在工作過程中與Buck變換器有很大區(qū)別是它的電源能量輸出沒有斷過，可以維持持續(xù)的供電。所以它和光伏電池板相連接時不會出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，不會產(chǎn)生能量損失，有較好的穩(wěn)定性。由上述的Boost變換器的優(yōu)點和它與Buck變換器的對比可見，Boost變換器更加適宜作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中對電能進行變換的DC/DC變換器[14]。1.1.2Boost電路參數(shù)及仿真設計1.電感設計Boost變換器電路工作原理較復雜，需要考慮的因素也許多。電感參數(shù)設計中最重要的一個條件是L要使流入開關管的峰值電流小于開關管的限制電流。選擇電感大小的第二個參數(shù)是電感的紋波電流大小。最后確定電感計算式[14]：L=2.電容設計輸出電容C的大小的選擇,最主要是要考慮轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓紋波。可得出電容C取值由以下式子來決定：C≥3.Boost仿真電路設計Boost仿真模型電路圖設計如下[15]：圖4-3Boost仿真模型電路圖1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法仿真研究仿真通過軟件MATLAB進行進行模型的搭建和仿真結(jié)果的波形圖分析。軟件中的SIMULINK的模塊為系統(tǒng)仿真分析提供了豐富的仿真模塊。可以依靠這些模塊搭建MPPT方法邏輯圖[16]。1.2.1光伏陣列以下光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤各種方法的仿真模型中，光伏陣列均為MATLAB中的PV陣列模塊，選擇型號：廈門JMP-85W-S5-G。電池各參數(shù)如圖所示，最大功率為86.292。圖4-4PV陣列參數(shù)圖1.2.2恒定電壓法仿真恒定電壓法仿真圖如圖所示：圖4-5恒定電壓法仿真圖其中包括光伏陣列、主體的Boost升壓DC/DC變換電路、最重要的MPPT算法模塊以及PWM信號轉(zhuǎn)換模塊。下面在三種條件下對其進行仿真實驗和分析。（1）在額定輸入的光照強度1000W/m2圖4-6恒定電壓法輸出功率波形圖放大后：圖4-7恒定電壓法輸出功率波形放大圖如圖可以看出，最后的最大輸出功率可以穩(wěn)定在86.2左右，與額定的86.292相近，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。搜索速度一般，有波動，并且精度不夠高。（2）溫度保持25℃不變，光照強度在0.25s時從1000W/m2下降到800W/m圖4-8恒定電壓法改變光強輸出功率波形圖太陽能電池輸出功率就會隨著光強的變大而變大，如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著光強的下降發(fā)生驟降，滿足正的光強系數(shù)。但隨之可以繼續(xù)找尋并跟蹤到新的光強下的最大功率點，并穩(wěn)定在其附近。（3）光照強度保持1000W/m2圖4-9恒定電壓法改變溫度輸出功率波形圖太陽能電池輸出功率但具有負的溫度系數(shù)，當溫度增加時，輸出功率會下降。如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著溫度的上升而發(fā)生下降，滿足負的溫度系數(shù)性質(zhì)。隨之繼續(xù)尋找最大功率點，但變得十分不穩(wěn)定，波動較大，不太能夠成功的跟蹤到新的最大功率點。由此可得，在溫度改變的情況下，恒定電壓法會降低甚至失去最大功率點跟蹤性能。1.2.3電導增量法仿真電導增量法仿真圖如圖所示[17]：圖4-10電導增量法仿真圖（1）在額定輸入的光照強度1000W/m2圖4-11電導增量法輸出功率波形圖放大后：圖4-12電導增量法輸出功率波形放大圖如圖可以看出，最大功率穩(wěn)定在86.1-86.5之間，與額定的86.292相近，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。且輸出功率波形圖但較為穩(wěn)定和精確，有良好的性能。但搜索速度一般。（2）溫度保持25℃不變，光照強度在0.25s時從1000W/m2下降到800W/m圖4-13電導增量法改變光強輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著光強的下降發(fā)生驟降，同樣滿足正的光強系數(shù)。但隨之可以繼續(xù)找到最大功率點，并保持良好的穩(wěn)定性和精確性，波動較小，穩(wěn)定在下一個光強下的最大功率點附近。（3）光照強度保持1000W/m2圖4-14電導增量法改變溫度輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著溫度的上升而下降，滿足負的溫度系數(shù)，隨之可以繼續(xù)成功跟蹤到50℃時的最大功率點，且可以繼續(xù)保持穩(wěn)定、精確。但可以發(fā)現(xiàn)，溫度突然發(fā)生改變時，功率下降幅度較大，可以看出溫度變化對電導增量法的影響較大。1.2.4擾動觀察法仿真擾動觀察法仿真圖如圖所示[18]：圖4-15擾動觀察法仿真圖（1）在額定輸入的光照強度1000W/m2圖4-16擾動觀察法輸出功率波形圖放大后：圖4-17擾動觀察法輸出功率波形放大圖如圖可以看出，最大功率可以穩(wěn)定在85.4左右，與額定的有差距但比較接近，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。但跟蹤速度較慢，追蹤也不夠穩(wěn)定，結(jié)果不夠精確。（2）溫度保持25℃不變，光照強度在0.25s時從1000W/m2下降到800W/m圖4-18擾動觀察法改變光強輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著光強的下降發(fā)生下降，滿足正的光強系數(shù)，隨之可以繼續(xù)找到最大功率點，并穩(wěn)定在其附近，但跟蹤速度依舊比較慢，也不夠穩(wěn)定精確。（3）光照強度保持1000W/m2圖4-19擾動觀察法改變溫度輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著溫度的上升而下降，滿足負的溫度系數(shù)，隨之可以繼續(xù)找到最大功率點，但不夠穩(wěn)定，追蹤速度也比較慢。并且可以觀察到，同電導增量法一樣，溫度突然發(fā)生改變時，輸出功率下降幅度較大，可以看出溫度變化對擾動觀察法的影響也較大。1.2.5變步長擾動觀察法仿真變步長擾動觀察法仿真圖如圖所示[19]：圖4-20變步長擾動觀察法仿真波形圖MPPT模塊內(nèi)部邏輯圖：圖4-21變步長擾動觀察法MPPT邏輯仿真圖（1）在額定輸入的光照強度1000W/m2圖4-22變步長擾動觀察法輸出功率波形圖放大后：圖4-23變步長擾動觀察法輸出功率波形放大圖如圖可以看出，變步長擾動觀察法最后的最大功率可以穩(wěn)定在86.2左右，與額定的86.292相近，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。跟蹤速度較快速，波動震蕩較小，也比較穩(wěn)定。（2）溫度保持25℃不變，光照強度在0.25s時從1000W/m2下降到800W/m圖4-24變步長擾動觀察法改變光強輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著光強的下降而下降，滿足正的光強系數(shù)，隨之可以快速的找到新的最大功率點，并保持穩(wěn)定，波動較小，結(jié)果較為精確。還可以看出，光強的變動對系統(tǒng)影響不大，系統(tǒng)性能較為優(yōu)良。（3）光照強度保持1000W/m2圖4-25變步長擾動觀察法改變溫度輸出功率波形圖如圖可以看出，在0.25s時，輸出功率隨著溫度的上升而下降，滿足負的溫度系數(shù)，隨之可以快速找到新的溫度下的最大功率點，并保持穩(wěn)定，波動依舊較小，結(jié)果也比較精確。對比光強變化的影響可以看出，溫度變化對系統(tǒng)的影響稍大于光強變化，但影響較小，