光伏電池仿真剪輯

3.2最大功率點(diǎn)跟蹤的原理隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前太陽(yáng)能電池陣列的MPPT控制一般是通過(guò)DC/DC變換電路來(lái)完成的。其原理框圖如下圖3.1所示。光伏電池陣列與負(fù)載通過(guò)DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測(cè)光伏陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對(duì)DC/DC變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3.1MPPT系統(tǒng)原理框圖光伏充電系統(tǒng)可簡(jiǎn)化模型為如下圖3.2所示。將光伏電池簡(jiǎn)化為恒壓源和內(nèi)阻Ri,外部電路簡(jiǎn)化為負(fù)載Ro。則負(fù)載功率為：PRo上式兩端對(duì)Ro求導(dǎo)得：dP所以，當(dāng)Ri=R圖3.2光伏充電系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型對(duì)于線性電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源的內(nèi)阻時(shí)，電源即有最大功率輸出。雖然光伏電池和DC/DC轉(zhuǎn)換電路都是強(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實(shí)現(xiàn)了光伏電池的MPPT。3.4DC/DC電路實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)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(diào)的直流電壓，這一過(guò)程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比D來(lái)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(diǎn)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的根本方法都是通過(guò)改變DC/DC電路開(kāi)關(guān)管的PWM波占空比。所以，下面針對(duì)幾種DC/DC電路進(jìn)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(diào)制形式可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、混合調(diào)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(fù)合型直流-直流變換器（Boost-BuckConverter）、庫(kù)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(fù)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(duì)其中常用的三種進(jìn)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(jiǎn)單，也是最基本的一種。其電路拓?fù)淙鐖D2所示。Buck變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好。其缺點(diǎn)是：①輸入電流的脈動(dòng)會(huì)引起對(duì)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(gè)輸入濾波電容。②穩(wěn)態(tài)電壓比永遠(yuǎn)小于1，只能降壓；③開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)射極不接地，使得其驅(qū)動(dòng)電路很復(fù)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(kāi)關(guān)管Q、二極管D、電感L和電容C。Vin為電源電壓，R為負(fù)載電阻，Vo為輸出電壓。在工作狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管反復(fù)導(dǎo)通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖形式的電壓，再經(jīng)過(guò)L、C濾波，形成直流電壓輸出。下圖為開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的等效原理圖：圖3.7降壓式DC/DC變換電路開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通(a)、關(guān)斷(b)時(shí)等效原理圖從上圖可以看出，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給儲(chǔ)能元件電感充電，電感L上的電流逐漸增大，而在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)電感放電，電感L上的電流逐漸減小。電容起濾波作用，使負(fù)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(fù)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(shí)，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓Vin通過(guò)開(kāi)關(guān)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?yàn)長(zhǎng)fd當(dāng)t=Ton時(shí)，達(dá)到最大值iLfmax?iLf（+）式中D=T當(dāng)t=Ton時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，iLf通過(guò)二極管D繼續(xù)流通。此時(shí)，加在Lf上的電壓為L(zhǎng)fdiLfdt當(dāng)t=Ts時(shí)，iLf達(dá)到最小值iLfmin。在開(kāi)關(guān)管Q截止期間，?iLf（-）在t=Ts時(shí)，開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間，流過(guò)它的電流就是電感電流iLf；在Q截止期間，流過(guò)二極管D的電流也是iLf。流過(guò)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(dòng)，在根據(jù)能量守恒，Q導(dǎo)通期間iLf的增長(zhǎng)量等于它在Q?iLf（+）得：Vin-VoL上式可簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(xué)模型。由于Buck電路輸入電流的脈動(dòng)會(huì)引起對(duì)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(gè)輸入濾波電容。圖3.14降壓式DC/DC變換電路開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通(a)、關(guān)斷(b)時(shí)等效原理圖對(duì)圖3.14（a），由基爾霍夫定律有:ic1t=C1dic2t=C2dvLt=LdiL對(duì)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(nèi)阻為5Ω，其建模如下圖3.16。圖3.15負(fù)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(gè)作用:一是調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)，使其工作在最大功率點(diǎn)處;二是限制蓄電池充電電壓范圍。本文著重討論如何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池工作點(diǎn)這一功能。通過(guò)上文的分析可知，由于太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線受外界環(huán)境(如日照強(qiáng)度、溫度等)的影響，對(duì)于不同的外界環(huán)境，太陽(yáng)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(yáng)能電池的I-V輸出曲線固定，但是相對(duì)于不同的工作點(diǎn)，太陽(yáng)能電池的輸出不同。因此，只要能夠調(diào)節(jié)外電路的等效電阻，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)的功能。在與太陽(yáng)能電池輸出相連接的降壓變換器的電路中，通過(guò)改變變換器開(kāi)關(guān)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?jīng)Q定。V0=DVin其中V0、VIo=IinDRin=VinI從上式可以看出，當(dāng)Ro固定不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比D就可以調(diào)節(jié)Rin的值，從而也就實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池工作點(diǎn)的功能。下圖仿真模型可輸出通過(guò)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(lèi)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(guān)系。圖3.17為Buck變換電路的P-D關(guān)系圖，可見(jiàn)它與光伏陣列的P-V圖類(lèi)似，并且當(dāng)dP/dD=0時(shí)，輸出功率達(dá)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(qiáng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單著稱。由圖3.3干擾觀察法流程圖，將其對(duì)電壓擾動(dòng)改為對(duì)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(shè)定占空比調(diào)整步長(zhǎng)dD為0.007，零階保持器采樣周期為0.007s。對(duì)上圖3.18中算法仿真模型進(jìn)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(fù)載模塊進(jìn)行連接，之后加入環(huán)境溫度和光照強(qiáng)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(qiáng)度變化曲線如下圖3.20所示。光照強(qiáng)度在2s時(shí)從500w/m2上升到1000w/m2；環(huán)境溫度在4s時(shí)從25℃通過(guò)對(duì)圖中曲線觀察可以發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度25℃，光照強(qiáng)度1000w/m2時(shí)，仿真系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池輸出功率為175W（a）（b）圖3.20光照強(qiáng)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(diǎn)后，輸出功率仍然處于波動(dòng)狀態(tài)。因此會(huì)造成一定的功率損失，這是由于對(duì)占空比的擾動(dòng)造成