发布时间：2021-06-23所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 计算机仿真
《光伏发电系统最大功率点跟踪的研究与设计》论文发表期刊：《计算机仿真》；发表周期：2021年02期
《光伏发电系统最大功率点跟踪的研究与设计》论文作者信息：申舒琪（1994-），女（汉族），山西省忻州市人，硕士研究生，主要研究方向为模型预测控制。 李国勇（1963-），男（汉族），山西省运城市人，工学博士，教授，主要研究方向为智能控制（通讯作者）。
摘要：在光伏发电系统中，采用何种前级升压电路以及光伏电池的最大功率点跟踪方法始终是究热点。针对传统Bost电路输入电流纹波大、功率因数低等问题，提出采用交错并联Boost电路作为前级电路，并对其进行研究;针对传统跟踪方法时间长、效率低等问题，改进变步长电导增量法，能够兼顾动态速度和稳态精度进而实现最大功率点跟踪。搭建仿真模型，结果验证了交错并联Bost电路可有效减小输入电流纹波，而改进变步长电导增量法跟踪速度更快，稳定性更好。搭建实验平台，结果验证了两者相结合实现最大功率点跟踪的可行性。
关键词：光伏发电系统;最大功率点跟踪;交错并联电路;电导增量法
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
光伏发电技术是将光能转化为电能的一种新型发电技术，具有环保、经济等优势，应用前景广泛。而光伏电池的输出功率受温度、光照强度等诸多因素的影响不断变化，如何保证光伏电池输出最大功率，即光伏发电的最大功率点跟踪maximum power point tracking，MPPT)始终是该领域研究的热点问题。常规方法是采用Boost电路作为载体，通过扰动观察法或电导增量法实现MPPT[1]。本文针对此传统方法存在的诸多不足，采用交错并联Boost电路，旨在解决输入电流纹波大、输出电压不稳定、功率因数低等问题;同时改进变步长电导增量控制方法，以实现MPPT，提升使用效率，保证跟踪过程的快速性和稳定性。
2光伏电池模型及特性
光伏电池的工作原理是利用光伏效应来产生电能，其电流-电压数学模型可表示为[2]
式中，1为光生电流，1，为PN结反向饱和电流，R，为串联电阻，R为旁漏电阻，A为二极管品质因子，K为波耳兹曼常数，T为绝对温度，q为单位电荷数。
通过分析光伏电池的数学模型，选取表1中参数，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，可以得到图1(a)中所示的光伏电池输出P-U特性曲线以及图1(b)中所示的1-U特性曲线。
观察两条特性曲线，可以得到不同条件下光伏电池的最大功率点有且仅有一个，温度越低，光照越强，则光伏电池的输出功率越大[3] 。
3交错并联Boost电路
3.1电路拓扑
本文设计交错并联Boost电路以实现提升光伏电池输出电压和最大功率点跟踪的功能，其较传统Bost电路具有输入电流纹波小、输出电压稳定和可靠性更强等优势，其拓扑结构如图2所示[1。电路由两个开关管s，和S2、两个二极管D，和D2、两个量值相等的电感1，和1，和一个电容C组成，在一个导通周期内两个开关管的触发脉冲周期相同，且相位相差18003.2工作模态分析
在电感连续模式下，对交错并联Bost电路的工作模态进行分析[5]。当占空比d小于50%时，等效电路共三种工作模态如图3所示。
模态1：5，和D2导通，52和D，关断，电感电流 线性增加，n线性减小，1，存储电能，12和C释放电能为负载供电，输入电流增加。
模态2：5，和D2关断，52和D，导通，i线性减小，i线性增加，L，和C释放电能为负载供电，12存储电能，输入电流增加。
模态3：5，和s2关断，D，和D2导通，i和i2线性减小，
4和1，为负载和C供电，输入电流减少。
当占空比d大于50%时，等效电路共三种工作模态如图4所示。
模态4：5，和D2导通，52和D，关断，i线性增加，n线性减小，1，存储电能，12释放电能为负载和C供电，输入电流减少。
模态5：5，和D2关断，52和D，导通，i线性减小，in线性增加，1，释放电能为负载和C供电，L2存储电能，输入电流减少。
模态6：5，和s2导通，D，和D2关断，i和i线性增加，
4，和1，存储电能，C为负载供电，输入电流增加。
3.3纹波分析
交错并联Boast电路的总输入电流等于各相Boost支路电感电流之和。由于导通相位相差1800，因此当支路电感电流升降趋势相反叠加时抵消，输入电流纹波因此减小。通过定量分析，可得传统Boost电路和交错并联Boost电路的输入电流纹波表达式分别为
式中，Ui 为输入电压，Uo 为输出电压，T 为开关周期，L 为电感值，且L=12=L比较式(2)和式(3)可知，取占空比0
4改进变步长电导增量法
由前面对光伏电池的分析可以得到，为提高其输出效率，将光伏电池实时地控制在最大功率点尤为重要。由此，可以通过调节交错并联Bost电路的占空比d以实现MPPT传统电导增量法的原理是：通过计算功率对电压的导数，判断工作点的位置进而调节占空比。此法凭借控制效果好、稳定度高等优势，被广泛应用于光伏电池MPPT中[1。其缺点是由于步长固定，采用大步长虽动态响应时间短但稳定性差，采用小步长虽提高了稳定性但响应速度慢，均会导致光伏电池效率降低[8]。文献[9]中利用功率对电压的导数越靠近最大功率点越小的特点，设计了变步长电导增量法，解决了跟踪过程中动态速度和稳态精度之间的矛盾。本文在此基础上进行改进，既保留了上述变步长电导增量法的优点，同时可防止误判和外界环境突变，提高系统抗扰性[0]
能更好地满足实现MPPT的动态和稳态要求。
占空比周期性调整可表示为
式中，d(t)为 t 时刻的占空比，Δd 为步长，P(t)、V( t)和 I( t) 分别为在 t 时刻的输出功率、电压和电流。 且需满足
式中，IdP/dVlAm是以Adm为固定步长跟踪时的1dP/dVl。
当工作点位于最大功率点左侧时，应减小占空比以增大后端等效电阻，式(4)中符号为负;当工作点位于最大功率点右侧时，应增大占空比，式(4)中符号为正。
改进后的变步长电导增量法控制流程图如图5所示。
5结果与分析
在Matlab/Simulink平台中搭建传统Boost电路和交错并联Boost电路的仿真模型，结合上述理论分析，选取电感L，=
L2=1mH，开关管驱动频率为20kHz，相位差1800，负载R=502，输入电压U，=240V，占空比d=40%时，总输入电流如图6(a)所示;输入电压U，= 160V，占空比d=60%时，总输输入电流如图6(b)所示。
观察可得：当占空比取40%和60%时，交错并联Boost电路能更好地抑制输入电流纹波，仿真结果与理论分析完全一致。
应用传统定步长电导增量法和改进变步长电导增量法进行光伏电池最大功率点跟踪，选取表1中光伏电池的参数，得到两种方法的输出功率波形图如图7所示。
观察可得：传统定步长电导增量法和改进变步长电导增量法分别在0.1s和0.04s时输出功率基本达到最大功率点，改进变步长电导增量法响应速度更快，功率波动小，稳定性更好。
基于交错并联Boost电路和改进变步长电导增量法，采用双CPU控制，搭建功率为250W的两级式微型光伏逆变器测试平台，利用光伏阵列模拟器，在上位机中测试逆变器在不同功率下对最大功率点的跟踪效果。如图8和图9所示，分别为逆变器工作在100W和250W功率下的跟踪情况。1-U特性曲线上的短线段为最大功率点的跟踪范围，是由各个跟踪点组成。测试结果表明，两种情况下系统均能实现最大功率点跟踪，且跟踪效果理想，波动范围小，进一步计算可得跟踪效率达99.4%。
6结论
为解决传统Boost电路与电导增量法带来的不足，本文基于交错并联Boost电路，和改进变步长电导增量法，将二者应用于光伏电池的最大功率点跟踪技术，通过搭建仿真模型和实验平台，验证了其可行性。结果表明，交错并联Boost电路能够减小输入电流纹波幅值，稳定性和可靠性更强，功率因数得以提升;而改进变步长电导增量法动态响应速度更快，抗扰性好，化解了动态速度与稳态精度之间的矛盾，两者的结合在光伏MPPT控制领域更具优势。
参考文献：
[1]A Belkaid，I Colak，O Isik.Photovoltaic maximum power point tracking under fast varying of solar radiation [J]. Applied Energy 2016,179: 523 -530.
[2] Bo Qiangxu, Jin Boli. A new scheme based on climbing method for maximum photovoltaic power tracking control [J]. Applied Mechanics and Materials, 2014,707: 377-380.
[3] Hanen Drissi, Jalel Khediri, Wajdi Zaafrane, et al. Critical factors affecting the photovoltaic characteristic and comparative study between two maximum power point tracking algorithms[J]. International Joumal of Hydrogen Energy, 2017, 42 (13): 8689
-8702.
[4]Behnam Fazlali，Ehsan Adib.Quasi-resonant DC-link H5 PV inverter[J].IET Power Electronics，2017，10(10)：1214-1222.
[5]李斌.组串型非隔离光伏并网逆变器的研究[D].北京理工大1，2016.
[6]郑航，交错并联有源功率因数校正器的研究[D].重庆大学，2014.
[7]李星硕，文辉清，罗恒阳，基于电导增量MPPT算法在光伏系统的比较研究[J].电力电子技术，2016，50(12)：91-98.
[8]Fangnui Liu，Shanxu Duan，Fei Liu，et al.A variable step size INC MPPT method for PV systems[J].Industrial Electronics 2008，55(7)：2622-2628.
[9]Loukriz Abdelhamid，Haddadi Mourad，Messalti Sabir.Simulation and experimental design of a new advanced variable step size incremental conductance MPPT algorithm for PV systems[J].ISA Transactions，2016，62：30-38.
[10]周东宝，光伏发电系统改进型变步长MPPT控制研究[D].华南理工大学，2016.
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