光伏发电系统的最大功率跟踪算法的研究与仿真

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1、光伏发电系统的最大功率跟踪算法的研究与仿真　　摘要：最大功率点跟踪是光伏发电系统中应重点考虑的部分。光伏电池的输出特性呈非线性，功率最大值只在某一特定点上，为提高光伏电池的光电转换效率，确保太阳能电池工作在最大功率点，本文提出了一种新型的变步长扰动法。该方法是一种对光伏发电系统最大功率点进行实时跟踪的MPP控制方法，是新型的太阳能电池最大功率跟踪的动态系统。文章使用该法对光伏发电系统进行Matlab/Simulink仿真，仿真结果表明，从跟踪速度和精度方面较传统方法都有很大提高。　　关键词：光伏发电系统；最

2、大功率点跟踪；变步长扰动法；直流变换器　　引言　　光伏电池输出特性具有非线性，受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率[1]。如何通过光伏电池的最大功率点跟踪控制，使太阳能光伏电池获得最大输出功率，充分利用太阳能光伏阵列的能量，对提高光伏电池的转换效率，降低光伏发电成本，具有重要的意义。本文在Matlab/simulink的仿真环境中，建立了光伏电池的最大功率跟踪仿真模型，并运用一种基于极值搜索原理的算法控制BuckDC/DC变换电路，实现最大功率

3、点跟踪。　　1直流变换电路的工作原理　　将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。它利用电力电子器件的通断控制，通过改变通断时间比（通常称为占空比，SwitchDutyRatio，用D表示）来改变输出电压的平均值，因此也称为开关型DC/DC变换电路或称直流斩波器。直流变换器　　图1基本的直流变换电路及波形　　被广泛地应用在直流开关电源和直流电机拖动系统中[2～4]。　　最基本的直流变换电路如图1（a）所示，图中Q为可控开关，R为纯阻性负载。当开关在t＼-1时间接通时，电流I＼-a

4、经负载电阻R流过，R两端就有电压V＼-a；开关在t＼-2时间断开时，R中的电流I＼-a为零，电压V＼-a也变为零。直流变换电路的负载上电压、电流的波形如图1（b）所示，输出电压的平均值V为　　式中，为开关的工作周期，t＼-1为开关的导通时间，D为开关占空比，D=t＼-1/。假设Q为理想开关，无能量损耗，则输出功率为　　式（1）中，V＼-0为输入直流电压，由于占空比D的取值在0～1之间，因此可知输出电压的平均值V总是小于输入电压V＼-0，则改变D值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变t＼-

5、1或来实现。由式（1）可知，改变负载端输出电压有以下两种调制方法：　　（1）脉冲频率调制（PFM）工作方式　　脉冲频率调制工作方式是指开关管导通时间t＼-1保持不变，改变开关周期。在这种调制方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。　　（2）脉宽调制（PWM）工作方式　　脉宽调制工作方式是指开关周期保持不变，改变开关管导通时间t＼-1。在这种调制方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设

6、计比较容易。鉴于PWM优于PFM，本论文采用PWM。　　2光伏发电系统最大功率跟踪的实现　　在常规的线性电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时，负载上就可以获得最大功率。为了实现对太阳能电池最大功率跟踪常采用DC/DC变换器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种直流电压，其中二极管是起续流作用，LC电路用来滤波。典型的DC/DC变化电路有降压式（buck）、升压式（boost）、升降压式（buck-boost）、库克式（cuk）

7、等[]。　　DC/DC变换器在光伏发电系统中，主要有两种功能：一是调节太阳能电池的工作点，使其始终工作在最大功率点处，二是控制蓄电池充电电压范围。在此我们重点研究如何实现调节太阳能电池工作点这一功能。由于太阳能电池的输出特性曲线受外界环境（如日照强度、温度等）的影响，对于不同的外界环境，太阳能电池的输出特性曲线不同，而在特定的环境下，太阳能电池的I-V输出曲线不变，但太阳能电池的工作点不同，其输出功率也会不同，因此，只要能够调节外电路的等效电阻，就可以达到调节太阳能电池的工作点的功能。　　图2太阳能电池输出端

8、的Buck变换器电路　　图2为与太阳能电池输出相连接的降压变换器的电路图，其中，通过改变变换器开关的PWM占空比可以控制功率通量，电路的平均输出电压的大小由式（1）决定[6]。　　式中，V＼-in、V＼-out分别为变换器的输入、输出电压，D为占空比（0﹤D﹤1）。在理想状态下，变换器的输出功率等于输入功率，则，由（3）式可以推出下面的式子：　　从上式（）可以看出，当R＼-out固定不变时，通过调节