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基于改进MPPT算法的光伏发电最大功率跟踪系统.pdf

上传人:weiwoduzun 文档编号:3979693 上传时间:2018-12-02 格式:PDF 页数:3 大小:181.27KB
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资源描述

1、基 于 改 进 M PP T 算 法 的 光 伏 发 电最 大 功 率 跟 踪 系 统何 薇 薇 1 ,熊 宇 1 ,杨 金 明 2 ,黄 焯 兴 3(1. 中 山 火 炬 职 业 技 术 学 院 ,广 东 中 山 528436 ;2. 华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 ,广 东 广 州 510640 ;3. 中 山 市 威 尔 逊 科 技 实 业 有 限 公 司 ,广 东 中 山 528400)摘 要 :针 对 光 伏 发 电 系 统 最 大 功 率 跟 踪 问 题 ,提 出 了 一 种 改 进 的 自 适 应 爬 山 算 法 ,通 过 Matlab/ Simulink进 行 仿 真

2、,并 在 硬 件 电 路 基 础 上 对 系 统 的 性 能 进 行 了 验 证 。 仿 真 和 实 验 结 果 表 明 ,在 此 算 法 控 制 下 ,系 统 可 稳定 快 速 地 追 踪 最 大 功 率 点 ,具 有 较 高 的 跟 踪 精 度 结 果 ,可 在 各 种 情 况 下 ,尤 其 对 光 照 突 变 等 恶 劣 情 况 下 可 实 现光 伏 电 池 的 最 大 功 率 跟 踪 ,有 较 强 的 适 应 能 力 。关 键 词 :光 伏 发 电 系 统 ;最 大 功 率 跟 踪 ;自 适 应 爬 山 算 法中 图 分 类 号 : TM615 文 献 标 识 码 :APhotovol

3、taic Maximum Power Point Tracking System Based on an Improved MPPT AlgorithmH E Wei2wei1 ,XION G Yu1 , YAN G Jin2ming2 , HUAN G Zhuo2xing3(1. Zhongshan Torch Technical College , Zhongshan 528436 , Guangdong , China;2. Electric Power College , South China University of Technology , Guangz hou 510640

4、, Guangdong , China;3. Zhongshan Warsony Science and Technology Industrial Co. L t d. , Zhongshan 528400 , Guangdong , China)Abstract :A modified adaptive hill climbing algorithm was proposed for the photovoltaic maximum powerpoint tracking. The sysytem performance was evaluated by experiments and s

5、imulations in Matlab/ Simulink.The results show that with the algorithm , the system can track the maximum power point smoothly and quick2ly , and has good adaptability to problems like degradation of the photovoltaic illumination.Key words :photovoltaic system ; maximum power point tracking (MPPT)

6、; adaptive hill climbing algorithm基 金 项 目 :国 家 自 然 基 金 重 点 项 目 (60534040)作 者 简 介 :何 薇 薇 (1984 - ) ,女 ,硕 士 研 究 生 ,Email :heweiwei90810 yahoo. com. cn1 引 言通 过 电 力 电 子 技 术 和 控 制 技 术 实 现 太 阳 能 光伏 发 电 的 最 大 功 率 跟 踪 ( MPP T) ,是 提 高 光 伏 发电 系 统 的 发 电 量 、 降 低 发 电 成 本 的 有 效 措 施 。 目前 ,国 内 外 已 研 究 出 多 种 方 法 ,常

7、用 的 有 扰 动 观 察法 ( P A 为 电 池 板 特 性 常 数 ; IL G为 光 电 流 ; IOS为 暗饱 和 电 流 ; T 为 光 伏 电 池 的 表 面 温 度 ; K 为 玻 尔兹 曼 常 数 ; RSh为 电 池 的 并 联 电 阻 ; Rs 为 电 池 的 串联 电 阻 ; q为 单 位 电 荷 。图 2 和 图 3 分 别 示 出 光 伏 电 池 不 同 光 强 的P - U 曲 线 和 不 同 温 度 的 I - U 曲 线 。 P - U 曲线 和 I - U 曲 线 实 际 上 是 温 度 和 光 强 的 函 数 ,它们 都 随 着 这 两 者 的 改 变 而

8、 变 化 ,其 中 ,温 度 主 要 影响 输 出 电 压 ,光 照 影 响 输 出 电 流 。 且 具 有 非 线 性 ,存 在 唯 一 的 最 大 功 率 输 出 点 。 研 究 表 明 :除 材 料的 工 艺 外 ,影 响 最 大 功 率 点 的 重 要 因 素 为 光 照 强度 和 光 伏 电 池 温 度 。 因 此 ,要 使 光 伏 电 池 尽 可 能地 工 作 在 最 大 功 率 点 ,就 需 要 使 用 光 伏 电 池 最 大功 率 跟 踪 (MPP T) ,MPP T 技 术 实 施 最 重 要 的 是寻 找 合 适 的 MPP T 控 制 算 法 ,能 在 快 速 变 化 的

9、 天气 条 件 下 有 效 地 跟 踪 最 大 功 率 点 ,控 制 光 伏 电 池尽 可 能 地 工 作 在 最 大 功 率 点 上 。图 2 光 伏 电 池 P- U 曲 线 图Fig. 2 The P - U curves ofthe photolvoltaic cell图 3 光 伏 电 池 I - U 特 性 图Fig. 3 The I - U curves ofthe photolvoltaic cell3 MPP T 控 制 算 法 原 理扰 动 观 察 法 ,电 导 增 量 法 的 实 质 都 是 通 过 控制 光 伏 电 池 阵 列 端 电 压 U PV ,即 根 据 各 种

10、 不 同 的光 照 及 温 度 环 境 下 不 断 调 整 U PV ,使 阵 列 始 终 输出 最 大 功 率 。 当 满 足 d P/ dU = 0 时 ,系 统 运 行 在最 大 功 率 点 。 扰 动 观 察 法 在 天 气 变 化 较 快 的 情 况下 会 出 现 错 误 判 断 ,偏 离 最 大 功 率 点 ,而 且 跟 踪 步长 对 跟 踪 精 度 和 响 应 速 度 无 法 兼 顾 1 。 电 导 增 量法 适 用 于 天 气 变 化 较 快 的 场 合 ,但 较 为 复 杂 ,对 硬件 的 要 求 比 较 高 ,系 统 各 部 分 响 应 速 度 要 求 比 较快 ,因 而

11、整 个 系 统 造 价 也 会 比 较 高 2 。自 适 应 爬 山 法 通 过 控 制 DC/ DC 变 换 器 开 关管 的 占 空 比 D ,即 根 据 功 率 的 变 化 在 线 自 动 调 节占 空 比 的 变 化 量 a ,从 而 调 整 光 伏 电 池 输 出 功 率 ,使 其 始 终 输 出 最 大 5 。 要 使 光 伏 电 池 功 率 输 出 最大 ,就 要 满 足 d P/ dD = 0。 当 d P/ d D 0 时 ,系 统工 作 在 最 大 功 率 左 边 ;当 d P/ dD e 时 ,表 示 P 主 要 由 光 照 变 化引 起 的 ,此 时 a ( k) 的

12、方 向 应 该 跟 P 方 向 一 致 ,系 统 将 在 线 自 动 调 节 a( k) 的 值 ,使 其 适 应 外 界 环境 。 当 | P/ a ( k - 1) | e 时 ,表 示 光 照 变 化 不大 ,系 统 处 于 相 对 稳 定 的 状 态 ,此 时 系 统 根 据 P确 定 slope ,并 相 应 调 整 a ( k) 的 值 。 e 及 M 为 两个 重 要 的 调 整 参 数 ,其 值 也 是 决 定 系 统 能 否 灵 活跟 踪 到 光 伏 电 池 最 大 功 率 输 出 点 。 由 于 系 统 可 以在 线 自 动 调 整 参 数 ,因 此 可 以 适 应 天 气

13、 突 变 及 天气 变 化 不 大 的 情 况 。图 5 自 适 应 爬 山 法 控 制 流 程 图Fig. 5 Control flow chart of MA HC algorit hm4 仿 真 及 实 验 结 果4. 1 仿 真 结 果根 据 光 伏 电 池 的 数 学 模 型 ,在 Matlab/ Simu2link 环 境 中 建 立 了 光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 系 统 的04电 气 传 动 2009 年 第 39 卷 第 6 期 何 薇 薇 ,等 :基 于 改 进 MPP T 算 法 的 光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 系 统仿 真 模 型 7 。 仿 真

14、 结 果 如 图 6 所 示 。 图 6a 和 图6b 为 系 统 采 用 改 进 型 自 适 应 爬 山 法 的 U PV 及 P PV随 时 间 t 变 化 的 曲 线 。 由 仿 真 结 果 可 知 :系 统 在小 于 0. 01 s 的 时 间 内 克 服 了 扰 动 ,找 到 最 大 功 率点 ,响 应 速 度 快 ,在 搜 索 到 最 大 功 率 点 时 基 本 保 持不 变 ,具 有 较 好 的 动 态 性 能 和 精 度 。 系 统 采 用 自适 应 爬 山 法 可 较 好 地 改 善 光 伏 电 池 最 大 功 率 跟 踪控 制 的 效 果 。图 6 仿 真 结 果Fig.

15、6 Result s of simulation4. 2 实 验 结 果基 于 上 述 研 究 ,搭 建 了 一 台 功 率 为 3 kW 的光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 系 统 装 置 。 系 统 框 图 如 图7 所 示 ,它 主 要 由 光 伏 电 池 阵 列 、 Boost 电 路 及MPP T 控 制 器 组 成 。 光 伏 电 池 开 路 电 压 约 为 350V 左 右 ,额 定 输 入 功 率 为 3 kW。图 7 系 统 电 路 原 理 图Fig. 7 The schematic diagram of system circuitMPP T 控 制 器 是 由 TI

16、公 司 生 产 的 TMS320L F2407 芯 片 实 现 。 光 伏 电 池 阵 列 的 输 出 电 压和 输 出 电 流 信 号 经 霍 尔 传 感 器 检 测 后 送 到 控 制 器 ,经 DSP 芯 片 运 算 处 理 得 到 开 关 管 占 空 比 ,用 以 控制 Boost 电 路 ,从 而 调 节 光 伏 电 池 输 出 功 率 ,这 个过 程 反 复 进 行 直 到 系 统 工 作 在 最 大 功 率 点 。图 8 示 出 系 统 在 典 型 的 晴 天 天 气 下 的 运 行 情况 ,实 验 记 录 了 一 天 内 从 早 上 8 点 多 到 下 午 5 点多 光 伏 电

17、 池 阵 列 MPP T 控 制 的 过 程 。 图 8a、 图8b、 图 8c 分 别 是 光 伏 电 池 阵 列 输 出 电 压 U PV 、 电流 I PV 及 功 率 P PV 随 时 间 t 变 化 的 曲 线 。从 实 验 结 果 可 知 ,光 伏 电 池 阵 列 的 输 出 功 率随 光 强 的 变 化 而 变 化 ,最 大 功 率 输 出 在 12点 到 13图 8 MPPT 实 验 波 形Fig. 8 The experimental curves of MPPT点 之 间 。 实 验 结 果 表 明 ,自 适 应 爬 山 控 制 算 法 具 有良 好 的 动 态 性 能 和

18、 稳 态 性 能 ,提 高 了 系 统 的 效 率 。5 结 论本 文 采 用 改 进 型 自 适 应 爬 山 算 法 对 光 伏 电 池最 大 功 率 跟 踪 进 行 了 研 究 ,并 在 实 验 的 基 础 上 对系 统 的 性 能 进 行 了 验 证 。 采 用 改 进 型 自 适 应 算 法跟 踪 速 度 快 ,在 外 界 环 境 相 对 稳 定 的 情 况 下 系 统有 良 好 的 稳 定 性 ,能 稳 定 工 作 在 最 大 功 率 点 ;当 外部 环 境 突 变 时 系 统 能 快 速 、 准 确 地 跟 踪 最 大 功 率点 ,同 时 基 本 上 消 除 了 系 统 在 最 大

19、 功 率 点 振 荡 的现 象 ,是 一 种 比 较 理 想 的 控 制 方 法 。参 考 文 献 1 Hua C , Lin J ,Shen C. Implementation of a DSP2controlledPhotovoltaic System wit h Peak Power Tracking J . IEEETrans. Indust rial Electronics , 1998 ,45 (8) :99 - 107. 2 Hadj Arab A ,Ait Driss B ,Amineur R. Phorovoltaic SystemSizing for SlgeriaJ .

20、Solar Energy , 1995 ,54 (2) :99 - 104. 3 Koutroulis E , Kalaitzakis K. Development of a Microcon2troller2based Photovoltaic Maximum Power Point TrackingControl SystemJ . IEEE Trans. Power Elect ronics ,2001 ,16 (3) :46 - 54. 4 Altas I H , Ssharaf A M. A Novel On2line MPP T SearchAlgorit hm for PV Ar

21、raysJ . IEEE Trans. Energy Conves ,1996 ,1 (4) :748 - 754. 5 陈 桂 兰 ,孙 晓 ,李 然 . 光 伏 发 电 系 统 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制J . 电 子 技 术 应 用 ,2001 ,27 (8) :33 - 35.6 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. 7 苏 建 微 ,余 世 杰 ,赵 为 . 硅 太 阳 电 池 工 程 用 数 学 模 型 J . 太阳 能 学 报 , 2001 ,22 (4) :409 - 412.收 稿 日 期 :2008205215修 改 稿 日 期 :200920222114何 薇 薇 ,等 :基 于 改 进 MPPT 算 法 的 光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 系 统 电 气 传 动 2009 年 第 39 卷 第 6 期

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