光伏電池仿真剪輯

3.2最大功率點跟蹤的原理隨著電子技術的發(fā)展，當前太陽能電池陣列的MPPT控制一般是通過DC/DC變換電路來完成的。其原理框圖如下圖3.1所示。光伏電池陣列與負載通過DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測光伏陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對DC/DC變換器的PWM驅動信號占空比進行調節(jié)。圖3.1MPPT系統(tǒng)原理框圖光伏充電系統(tǒng)可簡化模型為如下圖3.2所示。將光伏電池簡化為恒壓源和內阻Ri,外部電路簡化為負載Ro。則負載功率為：PRo上式兩端對Ro求導得：dP所以，當Ri=R圖3.2光伏充電系統(tǒng)簡化模型對于線性電路來說，當負載電阻等于電源的內阻時，電源即有最大功率輸出。雖然光伏電池和DC/DC轉換電路都是強非線性的，然而在極短的時間內，可以認為是線性電路。因此，只要調節(jié)DC-DC轉換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內阻，就可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實現(xiàn)了光伏電池的MPPT。3.4DC/DC電路實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤原理DC/DC變換器，亦稱為直流斬波器。它能將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的直流電壓，這一過程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。DC/DC變換器接入到光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，和最大功率跟蹤裝置一起實現(xiàn)整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤。上文介紹的幾種常用最大功率跟蹤算法雖然算法不同，但是在最大功率點調節(jié)環(huán)節(jié)的根本方法都是通過改變DC/DC電路開關管的PWM波占空比。所以，下面針對幾種DC/DC電路進行介紹3.5典型DC/DC變換電路DC/DC變換器可以分為很多種，按照調制形式可分為脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）、混合調制。按照變換電路的功能可分為降壓式直流-直流變換（BuckConverter）、升壓式直流-直流變換器（BoostConverter）、升壓-降壓復合型直流-直流變換器（Boost-BuckConverter）、庫克直流-直流變換（CukConverter）、全橋式直流-直流變換（FullBridgeConverter）。按輸入直流電源和負載交換能量的形式又可分為單象限直流斬波器、二象限直流斬波器。現(xiàn)針對其中常用的三種進行介紹。3.5.1降壓式變換器（Buck）降壓式變換器是PWM型變換器中最簡單，也是最基本的一種。其電路拓撲如圖2所示。Buck變換器的優(yōu)點是電路簡單，動態(tài)性能好。其缺點是：①輸入電流的脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以工程中常在電源和變換器之間加入一個輸入濾波電容。②穩(wěn)態(tài)電壓比永遠小于1，只能降壓；③開關晶體管發(fā)射極不接地，使得其驅動電路很復雜。其電路原理圖如下：圖3.6降壓式DC/DC變換電路原理圖從圖3.6可以看出，電路的主要元件有：開關管Q、二極管D、電感L和電容C。Vin為電源電壓，R為負載電阻，Vo為輸出電壓。在工作狀態(tài)下，開關管反復導通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將直流電壓轉換為脈沖形式的電壓，再經過L、C濾波，形成直流電壓輸出。下圖為開關管處于導通和截止狀態(tài)時的等效原理圖：圖3.7降壓式DC/DC變換電路開關管導通(a)、關斷(b)時等效原理圖從上圖可以看出，在開關管導通時，電源給儲能元件電感充電，電感L上的電流逐漸增大，而在開關管截止時電感放電，電感L上的電流逐漸減小。電容起濾波作用，使負載上的電壓的紋波減小。圖3.8顯示了電感L、電容C上電流的變換波形和負載R上的輸出電壓波形。圖3.7降壓式DC/DC變換電路的輸出波形在t=0時，開關管Q導通，電源電壓Vin通過開關管加到二極管D和輸出濾波電感L、輸出濾波電容上C，故二極管D截止。由于輸出濾波電容電壓保持不變，因此加在Lf上的電壓為Vin-Vo。因為Lfd當t=Ton時，達到最大值iLfmax?iLf（+）式中D=T當t=Ton時刻，開關管Q關斷，iLf通過二極管D繼續(xù)流通。此時，加在Lf上的電壓為LfdiLfdt當t=Ts時，iLf達到最小值iLfmin。在開關管Q截止期間，?iLf（-）在t=Ts時，開關管在開關管Q導通期間，流過它的電流就是電感電流iLf；在Q截止期間，流過二極管D的電流也是iLf。流過Q的電流也是電源的輸入電流，為了減小電源輸入電流的脈動，在根據(jù)能量守恒，Q導通期間iLf的增長量等于它在Q?iLf（+）得：Vin-VoL上式可簡化為：V0=DVin其中D為占空比，且D≤1，所以這種電路只能降壓3.6最大功率跟蹤控制算法simulink仿真分析3.6.1降壓式變換器建模由于實驗中最大功率跟蹤系統(tǒng)的蓄電池充電電壓低于光伏電池陣列的端電壓，故本文采用降壓變換器模擬仿真最大功率跟蹤。首先建立降壓式變換器數(shù)學模型。由于Buck電路輸入電流的脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以工程中常在電源和變換器之間加入一個輸入濾波電容。圖3.14降壓式DC/DC變換電路開關管導通(a)、關斷(b)時等效原理圖對圖3.14（a），由基爾霍夫定律有:ic1t=C1dic2t=C2dvLt=LdiL對圖3.14（a），由基爾霍夫定律有:ic1t=C1ic2t=C2dvLt=LdiL由上式可得：iLt=1D[iot=iLvint=1D[根據(jù)以上三式可用MATLAB/simulink模塊建立buck變換器模型如下圖3.15所示。其中C1=100μF、C2圖3.15降壓式DC/DC變換器simulink模型其封裝模型如下圖3.16所示圖3.16降壓式DC/DC變換器封裝后模型蓄電池等效為純電阻，內阻為5Ω，其建模如下圖3.16。圖3.15負載回路（a）、封裝后（b）模型3.6.2干擾占空比的最大功率跟蹤算法光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/DC變換器主要有兩個作用:一是調節(jié)太陽能電池的工作點，使其工作在最大功率點處;二是限制蓄電池充電電壓范圍。本文著重討論如何實現(xiàn)調節(jié)太陽能電池工作點這一功能。通過上文的分析可知，由于太陽能電池的輸出特性曲線受外界環(huán)境(如日照強度、溫度等)的影響，對于不同的外界環(huán)境，太陽能電池的輸出特性曲線不同。而在固定的外界環(huán)境下，太陽能電池的I-V輸出曲線固定，但是相對于不同的工作點，太陽能電池的輸出不同。因此，只要能夠調節(jié)外電路的等效電阻，就可以達到調節(jié)太陽能電池的工作點的功能。在與太陽能電池輸出相連接的降壓變換器的電路中，通過改變變換器開關的PWM占空比可以控制功率通量，電路的平均輸出電壓由下式決定。V0=DVin其中V0、VIo=IinDRin=VinI從上式可以看出，當Ro固定不變時，通過調節(jié)占空比D就可以調節(jié)Rin的值，從而也就實現(xiàn)了調節(jié)太陽能電池工作點的功能。下圖仿真模型可輸出通過仿真分析發(fā)現(xiàn),占空比D的大小決定了光伏陣列的輸出功率，不同類型的直流變換電路占空比與光伏陣列輸出功率存在不同的P-D關系。圖3.17為Buck變換電路的P-D關系圖，可見它與光伏陣列的P-V圖類似，并且當dP/dD=0時，輸出功率達到最大值，因此干擾觀察法的原理仍然適用。圖3.16占空比功率曲線生成模型圖3.17環(huán)境溫度25℃，光照強度600w/3.6.3干擾觀察法干擾觀察法是MPPT的常用算法，以其算法結構簡單著稱。由圖3.3干擾觀察法流程圖，將其對電壓擾動改為對占空比的操作。建立其算法MATLAB仿真系統(tǒng)建模如下圖3.18所示。圖3.18占空比干擾觀察法仿真模型其中設定占空比調整步長dD為0.007，零階保持器采樣周期為0.007s。對上圖3.18中算法仿真模型進行封裝，再與上文中建立的光伏電池模塊、降壓變換器模塊、負載模塊進行連接，之后加入環(huán)境溫度和光照強度變量dT、dS，最后取光伏電池輸出電流電壓相乘得功率后由示波器輸出。圖3.19占空比干擾觀察法整體仿真模型環(huán)境溫度和光照強度變化曲線如下圖3.20所示。光照強度在2s時從500w/m2上升到1000w/m2；環(huán)境溫度在4s時從25℃通過對圖中曲線觀察可以發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度25℃，光照強度1000w/m2時，仿真系統(tǒng)中太陽能電池輸出功率為175W（a）（b）圖3.20光照強度（a）和環(huán)境溫（b）度變化曲線觀察下圖3.21曲線圖可發(fā)現(xiàn)：此占空比干擾觀察法在跟蹤到最大功率點后，輸出功率仍然處于波動狀態(tài)。因此會造成一定的功率損失，這是由于對占空比的擾動造成