發布時間：2021-06-23所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 計算機仿真
《光伏發電系統最大功率點跟蹤的研究與設計》論文發表期刊：《計算機仿真》；發表周期：2021年02期
《光伏發電系統最大功率點跟蹤的研究與設計》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，主要研究方向為模型預測控制。 李國勇（1963-），男（漢族），山西省運城市人，工學博士，教授，主要研究方向為智能控制（通訊作者）。
摘要：在光伏發電系統中，采用何種前級升壓電路以及光伏電池的最大功率點跟蹤方法始終是究熱點。針對傳統Bost電路輸入電流紋波大、功率因數低等問題，提出采用交錯并聯Boost電路作為前級電路，并對其進行研究;針對傳統跟蹤方法時間長、效率低等問題，改進變步長電導增量法，能夠兼顧動態速度和穩態精度進而實現最大功率點跟蹤。搭建仿真模型，結果驗證了交錯并聯Bost電路可有效減小輸入電流紋波，而改進變步長電導增量法跟蹤速度更快，穩定性更好。搭建實驗平臺，結果驗證了兩者相結合實現最大功率點跟蹤的可行性。
關鍵詞：光伏發電系統;最大功率點跟蹤;交錯并聯電路;電導增量法
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
光伏發電技術是將光能轉化為電能的一種新型發電技術，具有環保、經濟等優勢，應用前景廣泛。而光伏電池的輸出功率受溫度、光照強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，即光伏發電的最大功率點跟蹤maximum power point tracking，MPPT)始終是該領域研究的熱點問題。常規方法是采用Boost電路作為載體，通過擾動觀察法或電導增量法實現MPPT[1]。本文針對此傳統方法存在的諸多不足，采用交錯并聯Boost電路，旨在解決輸入電流紋波大、輸出電壓不穩定、功率因數低等問題;同時改進變步長電導增量控制方法，以實現MPPT，提升使用效率，保證跟蹤過程的快速性和穩定性。
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來產生電能，其電流-電壓數學模型可表示為[2]
式中，1為光生電流，1，為PN結反向飽和電流，R，為串聯電阻，R為旁漏電阻，A為二極管品質因子，K為波耳茲曼常數，T為絕對溫度，q為單位電荷數。
通過分析光伏電池的數學模型，選取表1中參數，在Matlab/Simulink平臺上搭建仿真模型，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有且僅有一個，溫度越低，光照越強，則光伏電池的輸出功率越大[3] 。
3交錯并聯Boost電路
3.1電路拓撲
本文設計交錯并聯Boost電路以實現提升光伏電池輸出電壓和最大功率點跟蹤的功能，其較傳統Bost電路具有輸入電流紋波小、輸出電壓穩定和可靠性更強等優勢，其拓撲結構如圖2所示[1。電路由兩個開關管s，和S2、兩個二極管D，和D2、兩個量值相等的電感1，和1，和一個電容C組成，在一個導通周期內兩個開關管的觸發脈沖周期相同，且相位相差18003.2工作模態分析
在電感連續模式下，對交錯并聯Bost電路的工作模態進行分析[5]。當占空比d小于50%時，等效電路共三種工作模態如圖3所示。
模態1：5，和D2導通，52和D，關斷，電感電流 線性增加，n線性減小，1，存儲電能，12和C釋放電能為負載供電，輸入電流增加。
模態2：5，和D2關斷，52和D，導通，i線性減小，i線性增加，L，和C釋放電能為負載供電，12存儲電能，輸入電流增加。
模態3：5，和s2關斷，D，和D2導通，i和i2線性減小，
4和1，為負載和C供電，輸入電流減少。
當占空比d大于50%時，等效電路共三種工作模態如圖4所示。
模態4：5，和D2導通，52和D，關斷，i線性增加，n線性減小，1，存儲電能，12釋放電能為負載和C供電，輸入電流減少。
模態5：5，和D2關斷，52和D，導通，i線性減小，in線性增加，1，釋放電能為負載和C供電，L2存儲電能，輸入電流減少。
模態6：5，和s2導通，D，和D2關斷，i和i線性增加，
4，和1，存儲電能，C為負載供電，輸入電流增加。
3.3紋波分析
交錯并聯Boast電路的總輸入電流等于各相Boost支路電感電流之和。由于導通相位相差1800，因此當支路電感電流升降趨勢相反疊加時抵消，輸入電流紋波因此減小。通過定量分析，可得傳統Boost電路和交錯并聯Boost電路的輸入電流紋波表達式分別為
式中，Ui 為輸入電壓，Uo 為輸出電壓，T 為開關周期，L 為電感值，且L=12=L比較式(2)和式(3)可知，取占空比0
4改進變步長電導增量法
由前面對光伏電池的分析可以得到，為提高其輸出效率，將光伏電池實時地控制在最大功率點尤為重要。由此，可以通過調節交錯并聯Bost電路的占空比d以實現MPPT傳統電導增量法的原理是：通過計算功率對電壓的導數，判斷工作點的位置進而調節占空比。此法憑借控制效果好、穩定度高等優勢，被廣泛應用于光伏電池MPPT中[1。其缺點是由于步長固定，采用大步長雖動態響應時間短但穩定性差，采用小步長雖提高了穩定性但響應速度慢，均會導致光伏電池效率降低[8]。文獻[9]中利用功率對電壓的導數越靠近最大功率點越小的特點，設計了變步長電導增量法，解決了跟蹤過程中動態速度和穩態精度之間的矛盾。本文在此基礎上進行改進，既保留了上述變步長電導增量法的優點，同時可防止誤判和外界環境突變，提高系統抗擾性[0]
能更好地滿足實現MPPT的動態和穩態要求。
占空比周期性調整可表示為
式中，d(t)為 t 時刻的占空比，Δd 為步長，P(t)、V( t)和 I( t) 分別為在 t 時刻的輸出功率、電壓和電流。 且需滿足
式中，IdP/dVlAm是以Adm為固定步長跟蹤時的1dP/dVl。
當工作點位于最大功率點左側時，應減小占空比以增大后端等效電阻，式(4)中符號為負;當工作點位于最大功率點右側時，應增大占空比，式(4)中符號為正。
改進后的變步長電導增量法控制流程圖如圖5所示。
5結果與分析
在Matlab/Simulink平臺中搭建傳統Boost電路和交錯并聯Boost電路的仿真模型，結合上述理論分析，選取電感L，=
L2=1mH，開關管驅動頻率為20kHz，相位差1800，負載R=502，輸入電壓U，=240V，占空比d=40%時，總輸入電流如圖6(a)所示;輸入電壓U，= 160V，占空比d=60%時，總輸輸入電流如圖6(b)所示。
觀察可得：當占空比取40%和60%時，交錯并聯Boost電路能更好地抑制輸入電流紋波，仿真結果與理論分析完全一致。
應用傳統定步長電導增量法和改進變步長電導增量法進行光伏電池最大功率點跟蹤，選取表1中光伏電池的參數，得到兩種方法的輸出功率波形圖如圖7所示。
觀察可得：傳統定步長電導增量法和改進變步長電導增量法分別在0.1s和0.04s時輸出功率基本達到最大功率點，改進變步長電導增量法響應速度更快，功率波動小，穩定性更好。
基于交錯并聯Boost電路和改進變步長電導增量法，采用雙CPU控制，搭建功率為250W的兩級式微型光伏逆變器測試平臺，利用光伏陣列模擬器，在上位機中測試逆變器在不同功率下對最大功率點的跟蹤效果。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的跟蹤范圍，是由各個跟蹤點組成。測試結果表明，兩種情況下系統均能實現最大功率點跟蹤，且跟蹤效果理想，波動范圍小，進一步計算可得跟蹤效率達99.4%。
6結論
為解決傳統Boost電路與電導增量法帶來的不足，本文基于交錯并聯Boost電路，和改進變步長電導增量法，將二者應用于光伏電池的最大功率點跟蹤技術，通過搭建仿真模型和實驗平臺，驗證了其可行性。結果表明，交錯并聯Boost電路能夠減小輸入電流紋波幅值，穩定性和可靠性更強，功率因數得以提升;而改進變步長電導增量法動態響應速度更快，抗擾性好，化解了動態速度與穩態精度之間的矛盾，兩者的結合在光伏MPPT控制領域更具優勢。
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