光伏MPPT仿真报告.docx
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光伏MPPT仿真报告
理工大学
科研训练结题报告
项目名称:
太阳能电池特性及最大功率点跟踪技术研究
资助类别:
校级普通项目
指导教师:
项目成员:
二零一五年十月二十一日
摘要
在绿色再生能源得到广泛应用的今天,太阳能因为其独特的优势而得到青睐。
但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大,而且,光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵,光伏发电系统的初期投入较大,为有效利用太阳能,需要对光伏发电系统加以有效的控制。
本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析,建立了MATLAB仿真模型,提出了相应的控制策略,并进行了实验验证。
首先,本文对光伏发电系统的组成进行了分析,光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。
根据光伏发电系统和电网的关系,还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。
然后,本文对光伏电池的电气特性进行了分析,并建立了光伏电池的仿真模型。
同时,本文对常用的最大功率点跟踪(MPPT)方法:
扰动观测法(P&O)进行了仔细的分析,并提出了改进的方法:
通过变步长实现占空比跟踪的方法。
关键词:
光伏电池;最大功率点跟踪;扰动观察法;变步长;MATLAB/SIMULINK仿真。
摘要..........................................................................................................................
3.1直流斩波电路...................................................................................................................14
3.1.1工作原理.................................................................................................................15
3.1.2数量关系................................................................................................................15
3.2boost斩波电路............................................................................................................16
3.2.1boost斩波电路原理.............................................................................................16
3.2.2boost斩波电路的应用..........................................................................................18
3.3设计容及要求..............................................................................................................18
3.3.1设计的要求...........................................................................................................18
3.3.2输出值的计算........................................................................................................18
3.4仿真.................................................................................................................................19
3.4.1主电路工作原理...................................................................................................19
3.4.2脉冲、电感电流和负载电压仿真图......................................................................19
参考文献
第一章绪论
1.1研究背景
随着全球经济的发展,能源问题日益尖锐,越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。
随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加,日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。
太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视,而这其中,太阳能无疑处于最突出的地位,世界各国都投入大量的人力、物力、财力争相发展。
从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置,其应用十分广泛,在某些领域,太阳能的利用已开始进入实用阶段。
因此我们可以看出光伏电池的设计有着广阔的前景和意义。
限制光伏系统的主要因素有两点:
⑴初期投资比较大;⑵太阳能光伏电池的转换效率低。
目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右,即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%,因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要,所以长期以来都是学术界研究的热点。
1.2研究现状
1.2.1光伏电源系统
常用光伏电源系统主要有直流系统和交流系统。
光伏电池将吸收的光能转换成电能且通过供电控制器供给负载用电。
光伏电源系统具有以下优点:
(1)用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式,光伏电源系统运行成本低,几乎不需要维护,不需要备件,不需要增添燃料;
(2)太阳能系统设备可自动运行,适于在无人职守站使用:
(3)不包含任何运转部件,系统可连续工作,使用寿命超过数十年;
(4)具有良好的模块化特点,可根据负载当前需求具体定制,将来再扩容;
(5)太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定;
(6)无需为揍入电网而修路,在没有电网的地方,太阳能为灵活选取站址提供可能。
除了直接的经济效益以外,太阳能发电还有很多间接优点。
在其它一些供电系统,往往由于断电而立即造成巨大的经济损失,而太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。
1.2.2最大功率点跟踪
光伏电池有着非线性的光伏特性,所以即使在同一光照强度下,由于负载的不同而输出不同的功率,将其直接与负载相连是很不明智的,一般来说都采用一个变换装置,使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态,再使它向负载供电,即所谓的最大功率跟踪器。
目前,最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动观察法和增量电导法。
根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法。
1.2.3电力电子仿真工具
MATLAB是美国MathWork公司自1984年开始推出的一种使用简便的工程计算语言,是当今最流行的科学技术软件,MATLAB仿真技术已渗透到工程技术及物理实验等各个领域,可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。
Simulink(DynamicSystemSimulationSoftware)是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
使用simulink来建模、分析和仿真各种动态系统(包括连续系统、离散系统和混合系统),将是一件非常轻松的事。
它提供了一种图形化的交互环境,只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图。
它和MATLAB的无缝结合使得用户可以利用MATLAB丰富的资源,建立仿真模型,监控仿真过程,分析仿真结果。
在对电力电子进行仿真过程中,主要用到了simulink里的特殊工具库——电力系统模块,它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析,功能十分强大。
1.3研究容
光伏电池输出最大功率因受到外界条件影响而产生变化,影响最大功率点的因素主要是光强和温度等因素。
当外界因素发生变化时,利用光伏发电最大功率跟踪实时跟踪光伏方阵的最大功率点,使得光伏方阵能以最大的功率输出,可以提高系统的输出。
以独立光伏发电系统为研究对象,采用MATLAB/SIMULINK从系统的参数选择、拓扑结构、控制策略、最大功率跟踪等方面进行最大功率跟踪方法研究。
最终达到基于MATLAB/SIMULINK,实现恒定电压法、扰动观察法、改进扰动观察法等算法,并比较其优劣的目标。
1.4研究意义
太阳能丰富、清洁、安全、方便,是目前广泛探索并得到-定发展的-种可再生能源。
然而,由于太阳能的波动性和随机性,联合发电系统输出的电能波动很大。
随着这种分布式并网电站的容量越来越大,太阳辐射的波动引起的系统运行状态的瞬态变化以及这种变化对网络部和对电网的影响不容忽视。
所有光伏系统都希望太阳能光伏阵在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能,这也就在理论上和实践上提出太阳能光伏阵的最大功率点跟踪(MPPT,MaximumPowerPointTracking)问题。
MPPT的实现实质上是-个寻优过程,即通过控制光伏阵端电压,使光伏阵能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。
太阳电池阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响,系统工作点也会因此飘忽不定,这必然导致系统效率的降低。
为此,太阳电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制,以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格相对昂贵更加速了人们对这一问题的研究。
1.5实现方法及预期目标
首先通过对太阳能电池的物理模型和电特性的分析计算,建立了太阳能电池的数学模型,并结合s函数,在Matlab/Simulink环境下建立其动态仿真模型。
考虑到太阳能的波动性和随机性对太阳电池阵列的影响,该模型具有最大功率点跟踪(MPPT)功能。
通过对各种算法的比较,最大功率点的跟踪采用扰动观察法。
模型还需考虑工作温度、太阳辐射强度、太阳电池串并联数、太阳电池模块参数对太阳电池阵列的影响。
分析光伏电池的输出特性,用MATLAB/SIMULINK建立光伏电池模型,为最大功率点跟踪控制算法的研究奠定基础:
分析现有最大功率点跟踪控制算法扰动观察的工作原理及优缺点,保证跟踪的动稳态性能。
第二章光伏电池特性的研究
太阳能发电是提供新能源和减少环境污染的有效手段之一。
大规模的光伏发电,不但达到绿色环保的目的,而且对克服我国能源紧问题具有重大意义。
太阳能光伏电池因为实现了直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。
它具有重量轻,寿命长,使用方便,能承受各种冲击、振动等优点。
可以说在电池行业中,最没有污染、市场空间最大的应该是光伏电池。
因此,光伏电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
2.1光伏电池的分类
光伏电池多用半导体固体材料制造,也有用半导体加电解质的光化学电池,发展至今也已种类繁多,无论采用何种材料生产光伏电池,他们对材料的一般要:
半导体材料的禁带不能太宽;要有较高的光电转换效率;材料本身对环境不造成污染;材料便于工业化生产,而且材料的性能要稳定。
光伏电池按电池结构和材料分类形式可以分为:
1、按电池结构分类
①同质结光伏电池。
指在相同的半导体材料(除了其中含有少量的杂质外)上构成一个或多个P-N结的光伏电池。
②异质结光伏电池。
指在不同禁带宽度的半导体材料相接的界面上构成一个异质P-N结的光伏电池。
③肖特基结光伏电池。
指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池(又称为MS光伏电池)。
④薄膜光伏电池。
指利用薄膜技术将很薄的半导体材料铺在非半导体的衬底上而构成的光伏电池。
⑤叠层光伏电池。
指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。
⑥湿式光伏电池。
指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。
2、按电池材料分类
①硅形光伏电池。
包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。
其中:
单晶硅材料结晶完整,载流子迁移率高,串联电阻小,光伏转换效率最高,可达20%左右,但成本比较昂贵;多晶硅材料晶体方向无规律。
由于在这种材料中的正、负电荷有一部分会因为晶体晶界连接的不规则性而损失,所以不能全部被P-N结电场所分离,使之效率一般要比单晶硅光伏电池低,但多晶硅光伏电池成本较低;非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式,其造价廉价,但光电转换效率比较低,稳定性也不如晶体硅光伏电池,目前主要用于弱光性电源,如手表,计算器等的电池。
②非硅半导体光伏电池。
主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池,硫化镉分单晶或多晶两种,它常与其他半导体材料合成使用。
③有机光伏电池。
主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。
2.2光伏电池的工作原理
光伏发电应用首要解决的是怎样将太阳能转换为电能。
光伏电池就是利用半导体光伏效应制成的,它是一种能将太阳能辐射能直接转换成电能的转换器件。
由若干个这种器件封装成光伏电池组件,再根据需要将若将若干个组件合成一定功率的光伏阵列,并与储能、测量、控制等装置相配套,即构成光伏发电系统。
2.2.1P-N结简介
当导电类型不同的P型半导体和N型半导体紧密接触在一起,在交界面上就会出现电子和空穴的浓度差,N区电子浓度高,P区空穴浓度高,电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
扩散流的强弱正比于电子和空穴的浓度差。
在扩散作用下,N区的一部分电子进入P区,P区得一部分空穴进入N区,结果在交界面附近,P区一边因失去了带正电的空穴和接受了带负电的电子,呈现负电性;N区一边因失去带负电的电子和接受了带正电的空穴,而呈现正极性。
由于正负电荷的相互吸引,在P区和N区的交界面附近形成一个空间电荷区,并产生一个称为势垒电场的建电场,其方向从带正电荷的N区指向带负电荷的P区,这就是通常所说的半导体P-N结。
势垒电场的建立反过来又对上述多数载流子(N区的电子和P区的空穴)的扩散运动起阻碍作用。
进入P区的电子和进入N区的空穴在建电场的作用下,带负电的电子受到被拉回N区的力作用,带正电的空穴则受到被拉回到P区的力作用。
这种载流子在势垒电场作用下的运动成为漂移运动。
漂移流正好和上述交界面的扩散流方向相反。
扩散运动和漂移运动共存,在一定的温度和光照下,这两种作用相互矛盾又相互联系的统一在一个整体,最后达到平衡,这就是P-N结的形成过程。
光伏电池正是利用了光激发少数载流子通过P-N结而发电的。
2.2.2光伏电池的工作原理
光伏电池是不加偏置的P-N结器件,如图2.1所示,当入射光子能量hv≥E时,半导体中原子就因吸收光子能量而产生电子——空穴对。
在势垒区建电场作用下,P区光生电子进入N区,在N区边界积累;N区光生空穴进入P区,在P区边界积累。
于是在P区和N区间建立光生电动势,它的方向与建电场相反。
光生载流子的运动,由于中和掉部分空间电荷,使PN结势垒减低,引起正向注入。
当光生电流,:
和正向电流JF大小相等时,对应一定的势垒高度(%一y)。
这个电压V,相当于P区相对N区有一个电压,它就是光生电压。
接通外电路,只要保持光照,就会有电流不断地流过负载R,这个效应就是光伏效应,是光伏电池的基本原理。
图2.1光伏电池的工作原理
2.3光伏电池的电气特性
2.3.1光伏电池输出特性方程
光伏电池相当于具有与受光面平行的极薄PN截面的大面积的等效二极管,其等效电路如图2.2所示。
图2.2光伏电池等效电路图
由图2-1中电流的流向可得光伏电池的输出特性方程:
(2-1)
(2-2)
(2-3)
上述三个公式的参数解析详见表2.1。
一般讨论实际等效电路时,可忽略Rs或Rsh对光伏电池等效电路进行分析可以发现:
串联电阻Rs越大,则短路电流会越小,但不会对开路电压造成大影响;并联电阻Rsh越大,则开路电压会变小,但不会影响到短路电流。
在发电效率上,似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大,加上影响开路电压的因素除了Rsh外还包括二极管的电流值,因此Rs对光伏电池的发电效率的影响较为明显。
因此,在下面的讨论中将忽略Rsh,并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式2-4。
(2-4)
表2.1光伏电池等效模型参数解析
符号
描述
单位
数值
I
光伏电池输出电流
A
V
光伏电池输出电压
V
IOS
光伏电池暗饱和电流
A
T
光伏电池表面温度
K
K
波尔兹曼常数
J/K
1.38×10¯23
q
单位电荷
C
1.6×10¯19
K1
短路电流的温度系数
A/K
λ
日照强调
W/m²
ISC
标况下光伏电池短路电流
A
ILG
光电流
A
EGO
半导体材料的禁带宽度
J
A.B
理想因子,一般介于1和2之间
Tr
参考温度
K
301.18
Ior
Tr下的暗饱和电流
A
Rsh
光伏电池的并联等效电阻
Ω
Rs
光伏电池的串联等效电阻
Ω
2.3.2光伏电池模组与阵列
光伏电池模组(Module)是由许多小单位的光伏电池经由并联或串联组合所组成的。
光伏电池串联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压;光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。
因此,通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。
据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程:
(2-5)
其中,np、ns分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。
同样,光伏电池阵列(Array)是由许多小单位的模组经由并联或串联组合所组成的。
表2.2SiemensSP75在标准测试条件下的参数
电气特性
规格
额定输出最大功率Pmax
75(W)
额定电流Im
17(A)
额定电压Vm
4.4(V)
短路电流Isc
21.7(A)
开路电压Voc
4.8(V)
短路电流温度系数
2.06(mA/°C)
开路电压温度系数
-0.77(V/°C)
NOCT(NOrmalOPeratingCellTemPerature)
45±2(°C)
表2.2列出了德国Siemens公司生产的SP75型号的光伏电池模组的各项参数。
它由36个单结晶矽光伏电池串联而成,根据公式(2-5),设在参考条件下Isc为短路电流,Voc为开路电压,Im、Vm为最大功率点电流和电压,则当光伏电池阵列电压为V,得到该光伏电池模组的输出特性方程:
(2-6)
考虑温度和太阳辐射影响时:
(2-7)
其中:
(2-7)
(2-7)
(2-10)
下面将运用SIMULINK对该光伏电池模组进行仿真,并对仿真结果进行分析。
2.4光伏电池的仿真实现
2.4.1仿真模型
2.4.2光伏电池的特性分析
图2.6在大气温度固定(25℃),不同日照强度下,光伏模组对日照量变化的特性曲线图:
(a)光伏模组的输出电流与输出电压的关系图;(b)光伏模组的输出功率与输出电压的关系图。
(a)
(b)
图2.7在日照强度固定(750W/㎡),不同大气温度下,光伏模组对温度变化的特性曲线图:
(a)光伏模组的输出电流与输出电压的关系图;(b)光伏模组的输出功率与输出电压的关系图
(a)
(b)
从上面的图形我们可以总结出,光伏电池的非线性表现的很明显,即:
光伏电池的输出电流和输出功率取决于电池的端电压、温度以及太阳照射强度。
比较它们的曲线变化我们可以观察到,随着太阳照射强度的增大,光伏组件的短路电流增加,同时最大输出功率也增加。
其原因是:
开路电压与太阳能照射强度成对数上升而短路电流只与太阳能照射强度成正比。
另一方面,同时通过比较我们可以发现,随着工作温度的升高,光伏电池的短路电流增加而最大输出功率减小。
因为输出电流的增加远小于电压的下降,所以在高温下净功率有所减小。
2.5小结
太阳能作为绿色能源,取之不绝、用之不尽。
光伏电池利用太发电,将太阳能转换为电能,输出功率。
光伏电池的输出受到电池表面温度、日照强度等外界环境因素的影响,且具有明显的非线性。
因此,当外界因素发生变化时,光伏电池很难保证最大功率的输出,从而造成能源上的浪费。
光伏电池转换效率低成为光伏系统的一个主要问题。
因此,如何进一步提高光伏电池的转换效率,即如何跟踪光伏电池的最大功率点,一直是光伏系统研究的重要方向。
第三章电力电子转换器
随着电力电子技术的迅速发展,高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。
所有的电力设备都需要良好稳定的供电,而外部提供的能源大多为交流,电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。
但有时所供的直流电压不符合设备需要,仍需变换,称为DC/DC变换。
直流斩波电路作为直流电变成另一种固定电压的DC-DC变换器,在直流传动系统.、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。
随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。
直流斩波技术已被广泛运用开关电源及直流电动机驱动中,使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波能领域得到了广泛的应用。
但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:
(1)系统损耗的问;
(2)栅极电阻;
(3)驱动电路实现过流过压保护的问题。
3.1直流斩波电路
直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术,这种电路把直流电压斩成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。
PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式,它具有良好的调整特性。
随电子技术的发展,近年来已发展各种集成式控制芯片,这种芯片只需外接少量元器件就可以工作,这不但简化设计,还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。
直流斩波器(D.C.Chopper)又称为截波器,它是将电压值固定的直流电,转换为电压值可变的直流电源装置,是一种直流对直流的转换器(DCtoDCConverter)已被广泛使用,如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。
直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为DC/DC变换。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式,Ts(周期)不变,改变Ton(通用,Ton为开关每次接通的时间),二是频率调制方式,Ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
其具体的电路由以下几类:
Buck电路:
降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同。
Boost电路:
升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同Buck-Boost电路:
降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相反,电感传输。
Cuk电路:
降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,输出电压与输入
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