基于simulink的带有MPPT功的光伏电池的仿真-solarbe文库

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本科毕业设计（论文）基于 Simulink 的带有 MPPT功能的光伏电池的仿真学院电力学院专业电气工程及其自动化学生姓名郭子暄学生学号 20083015192 指导教师荆朝霞提交日期 2012 年 5 月 20 日I 摘要如今，在全球经济与科技高速发展的背景下，能源消耗自然成为不可忽略的问题。在传统化石燃料，如煤、石油、天然气等面临枯竭之时，新能源的开发与利用成为当今的热点。在众多新能源中，光能由其高效、可持续以及无污染等特点进入了人们的视野。光伏电池也应运而生。本文首先通过对光伏电池单二极管等效电路的分析，以 PV-MF165EB3 光伏单元为例，基于高斯 -赛德尔法提出了光伏电池等效电路中未知参数的求取方法，并利用Matlab/Simulink 建立相关数学模型以仿真其输出特性。经验证，该模型能够较为精确地仿真 PV-MF165EB3 单元的 I-V 以及 P-V 特性。应用于光伏系统的最大功功率跟踪控制系统（ MPPT）是为了使得光伏电池在不同的温度、光照强度以及电力负荷情况下实现功率的最大化。在本文当中，在 I-V 以及 P-V特性基础之上，通过对其非线性特性的分析提供了最大功率跟踪控制算法电导增值法，在本文中详细讲述了电导增量法的计算原理以及相关计算流程。为使输出端功率最大化，应用 Boost 升压电路跟踪最大功率点处电压，并经过逆变器完成其逆变，并分析逆变的效果。关键词光伏系统；最大功率跟踪；电导增量法II Abstract Recently, with the rapid developing of economic and technology, the energy problem has grown into a great issue which cannot be ignored. Nowadays under the background that conventional fossil fuels are running out quickly, the exploitation of new resources became an outstanding research focus. Among new resources, solar power which has the characteristics of high efficiency, sustainability, non-pollution comes into people’ s sight. Naturally, PV panel comes into being. In this paper, firstly we made an analysis for the single-diode equivalent circuit for PV system. Taking the PV-MF165EB3 module as an example, we come up with the method for obtaining the unknown parameters based on GAUSS– SEIDEL METHOD. After that with the applying of Matlab/Simulink, we can obtain the output characteristics of PV system. Through validating, the model can simulate the P-V and I-V characteristics of PV-MF165EB3 module accurately. A maximum power point tracking control MPPT is used for a photovoltaic PV system in order to maximize the output power irrespective of the temperature and irrad iation conditions and of the load electrical characteristics. In this paper, on the basis of the P-V and I-V characteristics, through the research of the non-linear character, the Increase Conduct Algorithm is recommended to track the maximum power point. And here we will explain the flowchart of this method in detail. In order to maximize the output power, a boost converter is applied to obtain the voltage at MPP, through an inverter , the PV system is connected with the micro power grid to supply electric power .Based on the theory of inversion , we will build a model to analyze the output lead by SVPWM control method.Keyword Photovoltaics, Maximum Power Point Tracking MPPT, Increase Conduct Algorithm目录摘要 . . ⅠAbstract Ⅱ第一章绪论 . . 11.1 分布式发电的研究背景与发展意义 .11.2 光伏发电系统概述 11.3 国内外光伏系统的发展现状 31.3.1 国内光伏系统的发展现状 31.3.2 国外光伏系统的发展现状 31.4 本文的研究的内容 6第二章风光互补微电网简介 . 错误未定义书签。2.1 微电网概述 .42.2 风能光伏混合微网 .42.2.1 风能光伏混合微电网结构 42.2.2 混合微网的有功无功输出控制 .5第三章光伏系统的数学模型 . 73.1 光伏系统的等效电路 73.2 光伏系统参数的求取 83.2.1 光伏系统的参数方程 .83.2.2 高斯赛德尔法 103.2.3 高斯赛德尔法的初始化 113.3 温度与光照对仿真参数的影响 123.4 光伏模型仿真 . 133.4.1 示例模型的提出 133.4.2 光伏模型的串并联 133.4.3 实例的提出 . 143.4.4 仿真结果 15第四章光伏电池的最大功率控制 . 184.1 电导增量法概述 . 184.2 定步长电导增量法 184.3 变步长电导增量算法 214.3.1 变步长电导增量法的优点 214.3.2 变步长电导增量法算法 . 224.4 最大功率控制电路 . 244.4.1 MPPT 控制电路原理 . 244.4.2 仿真结果 252 第五章光伏系统的逆变 . 285.1 SVPWM 控制技术 . 285.1.1 SVPWM 概述 285.1.2 SVPWM 控制基本原理 285.1.3 基于 Simulink 的 SVPWM仿真 . 315.2 光伏电池逆变的仿真 35第六章结论 . 376.1 本文总结 . 346.2 后续工作 . 34参考文献 . . 35致谢 . . 36第一章绪论1 第一章绪论1.1 分布式发电的研究背景与发展意义自 20 世纪初以来，电力行业普便把以“大机组，大型集中式电厂和高压电网”为主要特征的集中式单一供电系统作为现代电力工业的发展方向。经过 100 多年的发展，这种集中式的单一供电系统已经具有相当大的规模，为世界经济的繁荣和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。从 20 世纪 80 年代末开始，世界电力工业出现了由传统的集中供电模式向集中式电网和分布式供电模式结合过渡的趋势。近年来，以可再生能源利用为主的新型发电技术，主要是太阳能光伏发电和风力发电，还包括燃料电池发电等，凭借发电方式灵活，与环境兼容等优点得到了快速发展 [1]。分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的。首先，对于电力系统的运行，分布式发电可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用。其次，对于供能方面，其可以作为备用发电容量、削峰容量，也可承担系统的基本负荷，还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。除此之外，分布式发电的应用对减少环境污染也起着重要的作用，如光伏发电的利用显著地轻了燃煤电厂产生的污染。由此可见分布式发电是相比于集中式来讲十分清洁的发电方式，安装地点也相对灵活，可置于居民及商业中心处 [2]。当今，传统化石燃料能源的紧缺成为了推动分布式能源发展的重要因素，由于经济的发展，人均用电量的不断增长，在负荷处于峰值时，例如在酷暑时节，较多的地区会受到短时停电的威胁。为保证不间断供电，当今很多大型企业及商业中心采取分布式发电技术以保证生产与经济的稳定性。而且在市场经济的推动之下，电力结构也作出相应调整，激励人们考虑新的发电技术。由此不难想象，分布式发电技术必将成为今后重要发展趋势。1.2 光伏发电系统概述太阳能是当今利用效率最高，价格低廉，无环境污染的新能源。目前太阳能的使用主要体现在两个方面太阳能供热制冷以及太阳能发电。对于后者，可以通过光伏阵列（ PV array）的应用将太阳能转化为电能。近些年来，光伏系统已经在电力系统中得到广泛认可和使用。在光伏阵列的基础之上，各种相关技术也得以发展，例如太阳能驱动汽车、光能充电系统、卫星电力系统等等。光伏发电系统可直接将太阳能转换为电能，不需要热力发动机驱动。光伏发电装置华南理工大学本科毕业设计论文2 由固态电子器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。光伏系统重量较轻、不需要燃料提供能量，故光伏系统适合于其他分布式发电技术不能实现的环境。除此以外，光伏系统并入电网之后既可以独立运行即孤岛运行，也可并网运行，其出力可达微瓦级到兆瓦级，可建立兆瓦级大型发电厂 [16] 。工作中的光伏阵列如图 1-1 所示。图 1-1 工作中光伏阵列然而，光伏系统也存在其固有的缺陷，这主要是由其较高的建设费用以及相对较低的能量转换效率所导致的。以上两问题主要由于它们非线性的，由光照辐射强度和环境温度所决定的功率 -电压、电流 -电压曲线所引起。为解决以上这些问题，相关技术已得到一定程度的开发1）改进光伏阵列的制造工艺；2）控制输入光伏阵列的光照强度使用光能收集器实现输入的最大化；3）应用光伏阵列并追踪最大电能。光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、运行温度以及负荷运行特性。正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。为解决这一问题，通过使用上述方法 3），光伏系统在对应环境下的最大功率工作点，可以通过在线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处。光伏阵列的理想工作点称为最大功率工作点（ Maximum Power Point, MPP），其随着温度和光照辐射强度的变化而变化。为得到光伏阵列的最大工作点，最大功率跟踪法得以应用。现在比较流行的最大功率跟踪控制算法主要有查表法，扰动观察法，电导增值法，动态法 [8] 。本文将重点讲述电导增值法。第一章绪论3 1.3 国内外光伏系统的发展现状1.3.1 国内光伏系统的发展现状在中国，太阳能资源较为丰富并有着较大的开发潜力。目前中国太阳能产业主要集中在太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统，且技术较为成熟。如今经多年的发展，中国已成为全球重要的太阳能光伏电池生产国以及太阳能热水器生产使用量最大的国家。中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代初起步，经过 30 多年的努力与快速发展，如今中国光伏企业已达到一个新阶段。在近些年，统计于 2007 年底，在太阳能电池方面生产的企业达 50 家，太阳能电池的年电产量达到 1188MW，逐渐接近并超过了世界领先水平；在电力系统方向，全国光伏系统的累计装机容量达到 10 万千瓦。 2008 年太阳能电池的产量继续提高，达到 200 万千瓦。如今，在国内 “送电到乡” 工程等项目和 “光明工程”先导项目及世界光伏市场的有力拉动下，光伏系统必将得到进一步地发展。1.3.2 国外光伏系统的发展现状进入 21 世纪以来，光伏产业一直迅速发展。在生产产量方面， 2002 年全球光伏电池产量为 560mw，到 2003 年已增长了 34％，高达 750mw。 2004 年世界光伏电池年产量达到 1256mw，年增长率高达 68％， 2005 年产量达 1818mw，增长率略有下降，但仍有 45％。此外，各种政策更是有力地推动了光伏事业的发展， 2004 年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场的爆炸式发展，随之而来的是发达国家间纷纷对其进行效仿并取得成功。以美国为例， 2006 年，加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施 “百万个太阳能屋顶计划” ，也就是在未来 10 年内建设 3000mw 光伏发电系统的提案，标志着美国关光伏系统的政策的新时代的到来。正是因为欧美等发达国家强有力的政策推动，加速了世界光伏系统的进程，使得太阳能光伏发电的前景无限光明。综上所述，世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面 [17] 。1生产规模的断扩大。光伏产业的龙头企业光伏电量年产量已超过 3000mw，在其推动之下，如今已有更多的企业提出了建设年产 1000mw 电池生产线的目标。2光伏电池产量持续增长。近年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一， 1999～ 2007 年间，光伏电池产量以年均增长率超过 40％的速度高速发展，太阳能电池的年产量从 1999 年的 202mw 增加到 2007 年的 4000mw，增加了近 20 倍。3光伏发展政策不断得以优化引发光伏市场飞速膨胀。在前文已经提出， 2004 年德国再生能源法的修订以及补贴法的修改，加速了德国光伏系统的发展。随后在 2005年，美国效仿德国，通过“百万个太阳能屋顶计划”促进美国光伏系统的建设。在此推动之下，世界大国光伏系统将纷纷加入改革行列，走向光伏系统发展的前沿，中国就加华南理工大学本科毕业设计论文4 入了这一洪流，迅速发展。4新技术不断出现，电池效率不断提高。随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平向更高水平发展。少数公司采用最先进的生产工艺，已经率先到达了效率 20％的目标，其他生产公司必定会纷纷效仿。1.4 微电网概述当今随着社会经济的发展，以集中式发电为主的大电网展现了其无法比拟的优势。首先，大电网模式的自动化程度较高，可以在一定程度上节省人力资源；其次，大电网远距离输电模式可实现高电网输电，减少了线路的损耗；再次，在集中式发电中，大机组的应用也在一定程度上提高了其效率。如今，随着远距离输电电压等级的进一步提高，集中式发电仍将作为当今输电的主流方式。然而，随着电网的进一步发展，集中式发电的缺点也愈发显现出来。首先，随着电网复杂程度的不断提高，大电网的运行成本和运行难度也进一步增大；其次，随着负荷多样化的进一步发展，传统的发电模式也愈发难以适合各种不同的负荷特性；再次，大电网较为脆弱，其安全性及可靠性较差。近年来世界各地多次发生大面积重大停电事故，造成了巨大经济损失。 2008 初，中国南方地区发生大面积冰灾，给南方电网造成了巨大的不利影响，进一步暴露了传统大电网模式的脆弱性。微电网是相对传统大电网提出的概念，是由分布式电源（光伏电源、风力发电机、微燃汽轮机）、储能设备（蓄电池等）、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集、按照一定拓扑结构形成的发配电系统。是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与主网并列运行，也可以孤岛运行。微网能在一定程度上减轻负荷对大电网的依赖，缓解传统能源的危机。而分布式电源的多样性也能满足不能负荷的特性。微电网的安全性较高，且可以在小范围内将分布式发电单元、网络以及用户终端相连结，方便地实现冷热电的联产，优化和提高了能源的使用效率。1.5 风能光伏混合微网1.5.1 风能光伏混合微电网结构风力机组与光伏系统的混合微电网结构如图 1-2 所示。变速风力发电机采用直驱型同步发电机与风力机直接耦合 , 无需风力发电系统的齿轮箱 , 减少发电机的维护量 [15] 。该机组经变流器和逆变器以及变压器 T1接入微电网。对于光伏系统，经过较为稳定的单级逆变器再经变压器 T2接入电网。这里选用蓄电池作为微电网的储能装置，通过逆变器接入配电网，进行有功及无功的调节。第一章绪论5 图 1-2 风能与光伏混合微电网结构1.5.2 混合微网的有功无功输出控制对于风力发电系统，在风光互补优化中，采用 PQ控制策略，为保证最大限度地利用可再生资源，根据 [13] ，其参考输出有功值按追踪最大输出功率3m ax m ax 312,wref poptpP P ACC f（ 1-1）式中， opt 为最佳叶尖速比，即在风能利用系数 Cp 为最大值时对应的叶尖速比。对于固定桨距的风力发电机，取桨距角 β 为 0。将风力机组的转速代入上式中，即可得出最大参考功率。对于风力发电机的出力控制，流程图如 1-3 所示。输入有功及无功功率的参考值，偏差信号通过 PI 调节器之后分别输出 idref 及 iqref，利用 Park 变换将其转变为三相参考电压 iaref 、 ibref 和 icref 使用 SVPWM控制法，实现有功无功的解耦控制。图 1-3 风力机组有功无功的解耦控制对于光伏系统，前面已经介绍过，在不同的环境，可以应用最大功率控制法来获得最大功率时所对应的工作电压。将直流输出电压值与其比较并经过 PI 调节器输出 i dref ，华南理工大学本科毕业设计论文6 再将输出无功与参考无功比较输出 i qref ，同样根据 SVPWM实现有功无功的解耦控制。如图 2-3 所示。图 1-4 光伏系统的有功无功解耦控制示意图对于储能设备，同样对其进行有功与无功的解耦控制，这里不详加介绍。当风光混合微电网并网运行时，配电网侧为分布式电源提供频率，蓄电池仅调节有功，以此来抑制由于有功输出的波动所引起的风机和光伏系的电压变化；当风光混合微网处于孤岛运行状态时，此时使用蓄电池作为主控单元，通过调整其有功及无功的输出，以维持电压和频率的稳定。保证分布式电源较高的供电质量。亦可实现风光混合微电网由并网运行平滑、快速地切换到孤岛运行状态。1.4 本文的研究的内容基于上述基本理论，本次将重点对光伏电池进行相关研究，其主要内容如下1. 了解相关风光互补微电网的基本知识，明确光伏电池研究方向。2. 深入了解光伏电池的工作原理，分析光伏电池单二极管等效电路，根据厂家已给参数求取未知参数，并建立光伏电池数学模型。3. 深入分析电导增值法的原理以及相关的计算流程，用 Simulink 建立其算法模块。4. 用 Simulink 建立 MPPT 控制电路，并分析当光照发生变化时输出电压、电流、功率的变化。5. 建立光伏逆变电路，分析逆变电路逆变效果。第二章光伏系统的数学模型7 第二章光伏系统的数学模型2.1 光伏系统的等效电路为研究分析光伏系统的功率电压特性及电流电压特性并获取其最大功率工作点，需建立相应的光伏等效电路。在当今众多等效电路中，单二极管模型可以较为准确并简明地仿真光伏阵列的输出特性。单二极管电路如图 2-1 所示图 2-1 光伏阵列单二极管等效电路单二极管等效电路中包含电流源、二极管以及等效串并联电阻，则电压电流（ V I）关系式可以表示为exps sph 0s t shV IR V IRI I - I - 1 -n V R2-1 其中 V 和 I 分别指代模型的电压和电流。 phI 和 0I 分别为光电流和二极管的暗饱和电流， tV 为结热电压， sR 和 shR 分别为等效电路的串联电阻和并联电阻。 sn 为模型中串联的光伏单元个数。其中二极管的结热电压 tV 与 PN 结温度有关，其关系式如下K AqtVT （ 2-2）在式 2-2 中， K 为玻尔兹曼常数， K1.38 10-12 J/K ， T 为 PN 结热力学温度， A为二极管的理想系数， q 为电子所带电量。式 2-1 所表示的光伏电池等效模型中，存在五个未知参数、 0、、和。而光伏电池建模的主要目的在于在标准试验条件（ STC）以及不同环境条件下通过生产商给定的相关参数求取相应未知参数以仿真 I-V 输出特性。光伏系统模型的参数是随着温度和光照辐射强度变化而变化的，根据变化的参数可以通过单二极管等效电路求取对应的最大功率工作点。华南理工大学本科毕业设计论文8 2.2 光伏系统参数的求取2.2.1 光伏系统的参数方通常情况下，光伏电池制造者会给出以下的数据开路电压 Voc、短路电流 Isc、最大功率点工作电压、最大功率工作点电流以及光伏单元串联级数。除此之外，数据表通常还会给出光伏电池的短路电流及开路电压的温度因数，分别记为 Ki 和 Kv。在V-I 特性曲线中， 0, 、 ,0、 , 被认为是重要标记点。在本文中，我们就重要利用这几点的数据来求取相关参数。为简化计算过程，在式 2-1 中，由于自然底数指数项远大于 1，故 “ -1”项可以忽略不计，这样由重要标记点信息，我们可以得到下列三式 - exp -Vsc s sc ssc ph 0s t shI R I RI In RI （ 2-3）expVm pp m pp s m pp m pp sm pp ph 0s t shV I R V I RI I - I -n R（ 2-4）0 exp 1Voc ococ ph 0s t shV VI I - I - -n R（ 2-5）为简化计算公式，更好地区别已知参数、未知参数，以及输出量，各变量的替换符号如下表所示表 2-1 参数变量的转换数据表给出量I sc a1 短路电流Voc a2 开路电压Vmpp a3 MPP 工作电压I mpp a4 MPP 工作电流ns a5 单元串级数等效电路未知参数I ph x1 光电流I 0 x2 二极管饱和电流Vt x3 结热电压Rs x4 等效串联电阻Rsh x5 等效并联电阻第二章光伏系统的数学模型9 显而易见，在 MPP 处，输出功率 P 对电压 U 的偏微分为 0。0m p pm p pV VI IdPdV（ 2-6）为求取五个等效电路中的未知参数，现已存在四个方程，现需列出第五个方程式。我们可以观察到，在 V-I 特性曲线中，由短路点处的斜率我们可以得到 [12]0V I Isc shodIdV1 -R（ 2-7）在以下式中， y1、 y2、 y3 分别代表输出电流 I，输出电压 U 以及输出功率 P。对于式 2-1，忽略了“ -1”项之后，使用表 2-1 中的替换变量，可得2 1 4 2 1 41 1 25 3 5e x p y y x y y xx xa x xy （ 2-8）对于式 2-5，重新整理并转换变量后可得2 21 25 3 5exp a ax xa x x（ 2-9）将式 2-9 中的 1x 代入 2-8 和 2-3 中，可得下列等式2 2 1 4 2 1 4 21 25 3 5 3 5exp expa y y x y y x axa x a x xy （ 2-10）2 1 4 1 4 21 25 3 5 3 5exp expa a x a x axa x a x xa （ 2-11）同样为了简化计算，对于式 2-11，在中括号项中，由于第二项远小于第一项，这里可以将其忽略。可得下式2 1 4 22 15 5 3expa a x aax a xx2-12将式 2-9 中的 1x 和式 2-12 中的 2x 代入式 2-4 中，可得3 4 4 1 4 3 4 42 1 44 1 15 5 5 3e x pa a x a x a a xa a xa a ax x a x（ 2-13）根据参考文献 [6]，计算 3y 对 2y 偏微分，并进行变量替换，可得3 3 544 4 51e x p /e x p /a B D a xaB x D x x（ 2-14）华南理工大学本科毕业设计论文10 其中， 1 5 2 1 4 5 3 5 / B a x a a x a x x ， 3 4 4 2 3 5/D a a x a x a 。同样根据文献 [6] ，计算当等效电路处于短路时 1y 对 2y 的偏微分，利用式 2-12 中得到的 2x 的表达式，代入式 2-7 中。同时由于 Rs -I/V V ref Vref Δ VrefV ref Vref -Δ V refΔ I 0 Δ I 0 V ref Vref -Δ Vref V ref Vref Δ VrefVk-1 Vk Ik-1 Ik 返回第三章光伏电池的最大功率控制21 然而固定步长的电导增量法也有其显然可见的缺点，正因为选取了固定步长，使得该算法在计算速度和精确度上无法达到一个很好的权衡，在下一节本文将详细讲解一种改进的电导增量算法。3.3 变步长电导增量算法3.3.1 变步长电导增量法的优点在 3.2 中已经详细介绍了定步长电导增量法的计算原理及计算流程，在章节的最后阶段也指出了定步长法存在着一定的局限性，主要在于以下两个方面。首先，由于嗓声的影响以及误差的存在使得判断条件 Δ I / Δ V -I / V 很难以实现，因此判断条件更改为 |/ / | ，其中为接近零的正数。利用这种方法，当光伏阵列运行在稳定工作点时，如图 3-4 所示，系统可能工作点 BC 其间或在 AB 及 CD段之间震荡。因此，步长就应该在响应速度和计算精确性上得到权衡。即如果在剧然变化的环境下（温度及光照辐射强度）步长较大，则在理想工作点附近会发生较大振荡，精确性会受到影响，反之亦然。下文将详细讲述一种改进的变步长式电导增值法。该控制算法利用变步长来权衡动态响应与计算精确度之间的关系。其中，其扰动步长可以根据固有的 P-V 特性自动调节。如果工作点远离最大功率工作点，则步长增加以加快动态响应。反之当工作点接近最大功率点时，步长减小以减少光伏系统在理想功率点附近的静态振荡，以及提高其光伏系统的工作效率。图 3-4 基于电导增量法的 MPP 工作点轨迹华南理工大学本科毕业设计论文22 3.3.2 变步长电导增量法算法变步长电导增量法的计算流程图如 3-5 所示，其中 1 、 2 、 3 均为接近零的正数。而 α 和 β 为积累因数。由上节我们已经得出下式d dd dP I I II V VV V V V（ 3-8）而参考工作电压 Vref 的更新规则可表示为r e f r e f sV V V （ 3-9）其中stepVI IVV VI （ 3-10）由上式可见扰动步长的符号已经包括在步长变量本身，因此相比于定步长式的传统电导增量法，该改进算法的流程图更加简洁。在 Vref 的更新规则中，积累因数在一定程度上决定着控制算法的精度及动态响应速度。而人工调节对于不同的 MPPT 控制系统来讲是相对困难的，因此，为确保较好的最大功率跟踪效果，在启动过程中自动调节也就显得十分具有必要性。下式可以简单地定义的取值_ m a xm a x/s t e pVd P d V（ 3-10）其中 Vstep_max为在定步长的情况下所允许的最大允许更新步长， m axd / dP V 可以按下式计算1m V o c m V o cV o c mdd m mV r e f V r e fV r e fo c o cP P IPV V V（ 3-11）其中 m 为接近 1 的正数，可以取其为 0.9， Voc为光伏系统的开路电压。较小的值相对比于较大值动态响应较为缓慢。第三章光伏电池的最大功率控制23 是否是是否否图 3-5 变步长电导增量法的计算流程电流的变化值 Δ I 变化表现出了当前天气的变化。观察光伏电池的 I-V 曲线可以得出，在工作电压处于 Vmpp和 Voc时，光伏阵列的工作特性趋于线性，因此积累因数 β 应为接近 0 的正数。对图 3-5 中所示的计算流程图，对图 3-3 中所示 Simulink 定步长电导增量法模块进行相应调整，得到模块如图 3-6 所示。在该模块中，仍对工作电压 U 和 I 进行采样离散化，与 3-3 不同的是，在这里将不再采用符号 Sign 函数以及 0.001 的固定步长，采取两个 Switch 模块，通过判断 Δ V 与 ε 1 的关系来判断变步长的两个因数。对于积累因数 α ，依旧选择型号为 PV-MF165EB3 的光伏电池为研究对象，首先求取 dP/dV max ，根据式3-11，取 m0.9，此时工作电压为 27.36V，通过图 3-5 所示的 Simulink 模型进行计算可得出此时输出电流为 4.73A，代入式 3-11 可得 |d/d |_max 0.9 4.73/0.1 42.57。设定最大步长 Vstep_max为 0. 01，则 α 可以取其为 2.35e-4， β 可取为 0.01。开始输入 Vk ， IkΔ V Vk-Vk-1 Δ I Ik - Ik-1 Δ Vε 1 ε 2 ε 3 ref refI kIV V V kV V kref refV V IVk-1 Vk Ik-1 Ik 华南理工大学本科毕业设计论文24 图 3-6 变步长电导增值法的 Simulink 仿真模块3.4 最大功率控制电路3.4.1 MPPT 控制电路原理前文已经介绍，为达到最大的使用效率，光伏电池必须工作在最大功率点。然而由于温度 T 以及光照辐射强度 S 的影响，光伏电池的工作会偏离 MPP点。这也就需要在光伏电池的输入与输出端增加相应的控制电路。许多 MPPT的调节器使用微控制器和计算机以实现复杂的算法，而且还有部分使用人工神经网络。这些系统都有着十分良好的性能。然而它们过于昂贵并且这些方法均需要得到一套独立的、稳定的电能供给来维持其运行；因此它们只在高能量场合适合应用。另外一种算法基于利用公式 / 0 以搜索功作点，既由“ / ”产生的信号作为 MPPT的搜索的方向，电导增量法即为其中最为高效的控制算法之一。本节将重点讲解基于电导增量法的光伏电池控制电路。首先，本文所采用的控制框图如 3-7 所示。在该控制方法中，光伏电池选用PV-MF165EB3 单元，以值为 5Ω 的电阻作为负载，利用 Boost 直直变流器追踪最大功率点电压以输出功率给电阻负载。此时， MPPT控制器必须使得“ / 0” ，根据光照辐射度 S 和光电板的温度 T 调节占空比 α 则使上述控制得以实现。伴随着电导增量法计算的进行，将当前电压与参考电压的误差作为比例积分调节器的输入信号。信号与单极性三角波进行比较，输出 PWM信号以控制电力电子器件的开关。在本文所提出的控制电路中， BOOST直直变流电路中选用 IGBT作为开关器件。电感及电容如图 3-8 所示，其中， VGS为控制单元输出的 PWM信号，在 α T 时段， IGBT管导通，电源为电感线圈充电，在其余的（ 1- α ） T 时段， IGBT管关闭，电感线圈向负载侧放电。对于 Boost 电路，其等效输入阻抗为 Rin 1-D 2R，即可通过调整其占空比来控制