独立光伏发电系统及其MPPT的研究
单级式光伏发电系统MPPT的实现与稳定性研究
ｒ ａｉｅ ｙ ｕ ｉｇ ｉ ｒ ｖ ｄ Ｐ ｔ ｏ ．ｈ ｎ ｔ ｅ ｓａ ｉ ｔ ｎ ｕ ｎ ｅ ｙ ｔ ｅ ｉ ｔｒ ｃｉｎ ｏ ｅ ｆ ｒ ｇ ｉ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌｍｅｈ ｄ ｅ ｌ ｄ ｂ ｓｎ ｍｐ ｏ ｅ ＆Ｏ ｍｅｈ ｄＴ ｅ ｈ ｔ ｂｌ ｙ ｉ ｆ ｅ ｃ ｄ ｂ ｈ ｎ ｅ ａ ｔ ｆｔ ｏ ｅ ｏｎ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｓ ｚ ｉ ｌ ｏ ｈ ｗ ｓ ａ ａｙ ｅ ． ｉ ａｌ ｈ ｏ ｒｃ ｎ ｓ ｎ ｖ ｉ ｂ ｌ ｙ ｏ ｕ ｈ ｔ ｅ ｒ ｒ ｒ ｖ ｄ ｂ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎｓ ａ ｎ ｌｚ ｄＦ ｎ ｌ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓａ ｄ ａ ａｌ ｉ ｔ ｆｓ ｃ ｈ ｏ ｙ ａｅ ｐ ｏ ｅ ｙｔ ｅ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｘ ｅ ｉ ｙ ａ ｉ ｏ ｍｅ ｔ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｖ ｒｅ ；ｆ ｔ ｒ ｈ ｔｖ ｈ ｉ ｒｄ ｃ ｎ ｅ ｔｄ ｙ ｒ ｓ ｉ ｅｔ ｒ ｉ ｅ ／ｐ ｏｏ ｏ ａ ｃ ｇｉ — ｏ ｎ ｃｅ ｎ ｌ
Ｅ ｅ ｔ ｎｃ （ ｏ Ｒ Ｋ ０ ５ １ ｌ ｒ ｉ Ｎ ． Ｅ ２００ ） ｃｏ ｓ Ｄ
１ 引 言
随着 传统 能源 的 日益枯 竭 ．太 阳能 已成 为极具 发 展潜 力 的新能源 ．而 光伏 发 电是 当前利 用太 阳能 的主要 方式 之一 『 光伏 发 电系统可 分 为独立 供 电系 ｌ Ｊ 。 统和 并 网系统两 种 ．在此 讨论 单级 式光 伏并 网 发 电 系统 ， 其最 大优 点就 是效 率 高 ， 只有 一个 能量 变 换环 节， 拓扑 结构 简单 ， 无需储 能 环节 。 单级 式光 伏并 网发 电系 统采 用 电压型光 伏 并 网 逆变 器 实现 了逆变 功 能 ：通 过数 字控 制技 术在 并 网 逆 变器 交流侧 实现 了最 大 功率跟 踪 功能和 单位 功率 因数并 网运 行 ，同 时利用波 形控 制技 术 降低 了并 网 电流 波 形 的 Ｔ Ｄ， 少 了谐 波 对 电 网 的污 染 ， 到 Ｈ 减 达 了 高质 量 的并 网发 电 以及 高效 率 的要求 。 在此 ，主 要针 对三 相光 伏并 网发 电系统 的运行 特点、 系统 结构 、 网控制 策 略及最 大 功率跟 踪 的 实 并 现 等性 能要求 进行 了理 论分 析 ．针对 最大 功率 跟踪 算 法 的实现和 并 网控制 策 略的配 合 问题进 行 了稳 定 性 分析 ，最 后给 出一种 适合 三 相单级 式光 伏 并 网系 统 的控制 方 案 ，满 足 了太 阳 能光 伏 发 电系 统 ＭＰ Ｔ Ｐ 的实现 和 并 网发 电的要求 。通 过仿 真和 实验装 置 验
光伏发电系统MPPT算法研究
光伏发电系统MPPT算法研究1. 引言随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的需求增加，光伏发电系统被普遍认为是未来能源供应的重要组成部分。
然而，光伏发电系统的效率和稳定性受到诸多因素的制约，其中最重要的是光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）算法。
本文将探讨光伏发电系统MPPT算法的研究进展和应用。
2. 光伏发电系统简介光伏发电系统是利用太阳能将光能转化为电能的一种技术。
它由太阳能电池板、逆变器、储能系统和电网组成。
其中，太阳能电池板是光伏发电系统的核心部件，负责将太阳辐射能转化为直流电能。
然而，与其他能源发电技术相比，光伏发电系统的输出功率和效率受到多种因素的影响，如光照强度、温度和阻抗变化等。
3. MPPT算法的意义MPPT算法是光伏发电系统的核心控制算法，其主要功能是确保光伏阵列处于最大功率点以获取最大的能量转换效率。
光伏阵列的最大功率点随着环境因素的变化而变化，因此需要实时跟踪和调整以保持在最大功率点。
4. 传统MPPT算法研究在过去的几十年里，许多传统的MPPT算法已经得到了广泛的研究和应用。
其中，有三种常见的传统算法是基于理论分析和试验数据的结果：恒压法、增量-减量法和跟踪法。
这些算法具有简单、易实现的特点，但是在光照强度变化大、温度变化剧烈和负载变化快速的情况下，传统算法的精度和性能并不理想。
5. 新型MPPT算法研究为了克服传统算法的局限性，近年来出现了许多新型的MPPT算法。
这些算法基于不同的原理和算法思想，如人工智能算法、模糊控制算法、模型预测控制算法等。
这些新型算法能够更精确地跟踪最大功率点，并且具有更好的动态性能和稳定性。
例如，基于人工智能的算法可以通过学习和自适应调整来适应不同的光照环境。
而基于模糊控制的算法则能够克服传统算法在光照强度突变时的不稳定性。
6. 算法评估和比较为了评估和比较不同的MPPT算法，研究人员通常依据某些标准指标进行性能评估，如能源转换效率、稳定性和响应时间等。
光伏发电系统MPPT控制策略研究
（1）跟踪速度快。（2）收敛速度快。
不足在于：
（1）随机初始化时，容易丢失功率的极值点。（2）增加了系统的复杂度。（3）硬件实施难度较高。
5光伏发电系统MPPT控制策略
神经网络控制技术，神经网络有输入层、隐藏层和输出层三层结构，每层中节点数量各不相同。神经网络的输入变量可以是辐照度和温度等光伏阵列参数；输出变量可以是多个参考信号，神经网络控制技术具有可进行复杂的逻辑操作、响应速度快和处理非线性信息等优点，由于多数光伏阵列具有不同的输出特性，所以神经网络需要经过反复地训练以提高其准确跟踪最大功率点的能力。
3光伏发电系统MPPT影响因素
在光伏发电系统中，几乎每一个环节都会涉及对电流和电压的控制。因此，所选用的电力传感器将影响到光伏发电系统最大功率点跟踪的有效性。常见的传感器有电流传感器、温度传感器、湿度传感器和电压传感器等。因为电压传感器具有响应快、线性好和不损失测量能量等优势，所以已经广泛应用于光伏发电系统的逆变装置和电源等领域。太阳能作为清洁环保的可再生能源，提高其利用效率意义重大，在光伏发电系统中采用合适的传感器非常重要。由于传感器具有性能稳定、结构简单和实用性强等多个优点，所以其可以有效应用于光伏发电系统。
ACO算法的优势在于：
（1）更快的收敛速度。（2）稳定性较强。
不足在于：
（1）跟踪速度一般，容易造成小部分功率损失。（2）控制方法复杂度高，难以在控制器上实现。
4.3人工蜂群算法
人工蜂群算法ABC（Artificial Bee Colony algorithm）中，通过蜂群寻找蜜源的行为提出的一种智能算法。在光伏发电系统中，每个蜜源所在的位置代表转换器的占空比D，每个蜜源的多少代表光伏阵列的输出功率的大小。通过改变不同的占空比，来实现对输出功率最大点的追踪。最终算法保留蜜源最优的点，即输出功率最大点。
光伏系统中的MPPT算法研究
光伏系统中的MPPT算法研究本文提出了恒定电压法与变步长的滞环比较法相结合的MPPT新算法。
该算法有效地克服了传统MPPT算法中存在的振荡和误判现象，同时兼顾到跟踪速度和精度的要求。
标签：MPPT；恒定电压法；滞环比较法；Matlab/Similink0 引言本文根据光伏电池输出特性与光照度和温度的关系，建立了基于Boost电路的MPPT仿真模型，在分析恒定电压法和常规扰动观察法的优缺点基础上，对扰动观察法进行了改进，提出了一种将恒定电压法发和变步长滞环比较法相结合的MPPT控制新算法。
2 MPPT算法的提出2.1 恒定电压法根据1.2中的P-U特性曲线，在辐射度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P-U曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。
因此，若能将光伏电池输出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT控制称为恒定电压法[1-2]。
由上所述，可以认为光伏阵列的最大功率点电压近似为恒定电压，即：（1）其中，系数k的取值取决于光伏电池的特性，一般k的取值大约在0.8左右。
恒定电压法是一种开环的MPPT算法，其控制简单迅速，但由于其忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，因此温差越大，恒电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也就越大。
2.2 变步长的滞环比较法扰动观察法是采用两点进行比较，即现在的工作点与扰动前的工作点进行比较，根据功率的变化方向决定电压的扰动方向，除造成较多的扰动损失外，还可能出现误判。
变步长的滞环比较法可在日照强度快速变化时不跟随移动工作点，而是等到日照强度比较稳定后再跟踪到最大功率点，减少了扰动损失[3]。
变步长滞环比较法的基本工作原理为：假设A点为当前工作点且未发生误判，以A点为中心，左右各取一点形成滞环，依据判定的扰动方向扰动至B点，再反向两个步长扰动至C点，如果C、A、B的功率测量值依次为、、，三点的电压为、、，且满足：、。
光伏发电系统中的动态MPPT算法研究
光伏发电系统中的动态MPPT算法研究近年来，光伏发电系统逐渐成为可再生能源领域的热门研究方向，其在可持续发展和减少对传统能源的依赖方面具有巨大的潜力。
然而，光伏发电系统的效能受到多种因素的影响，如天气条件、温度变化和阴影等。
为了最大化光伏发电系统的发电效率，研究人员采用了各种最大功率点跟踪（MPPT）算法。
其中，动态MPPT算法是一种研究热点，旨在实时监测、调整和优化光伏发电系统的工作状态，以提高其整体性能。
动态MPPT算法的研究是为了解决传统MPPT算法在变化环境下性能不稳定的问题。
传统MPPT算法通常假设光照条件和系统参数是恒定的，而实际工作环境中，光照强度、温度和电池状态等因素经常发生变化。
因此，设计一种适应性强且稳定性较好的动态MPPT算法对于改善光伏发电系统的效能至关重要。
首先，动态MPPT算法需要一个准确且快速的控制策略，以实时获取光伏发电系统的工作特性。
其中，大部分算法都会使用电池电压和电流来确定最大功率点位置，从而调整光伏板的工作电压和电流输出。
然而，动态MPPT算法相比于传统MPPT算法，更加关注不同光照和温度条件下的系统性能，因此需要更加准确和快速的控制策略。
其次，动态MPPT算法需要考虑光伏发电系统的稳定性和可靠性。
光伏发电系统通常安装在户外环境，这意味着它会受到各种不稳定因素的影响，如风、雨、雪、尘等。
为了保证系统的稳定运行，动态MPPT算法需要在不同的气候条件下进行充分的测试和验证，并针对性地调整控制策略，以保证光伏发电系统能够在不同的环境中实现最佳性能。
此外，动态MPPT算法还需要考虑能耗和成本的问题。
对于光伏发电系统，虽然光伏电池阵列是可再生能源，但监测和调节算法所需的能耗是不可忽视的。
因此，设计一种能够在提高系统性能的同时降低能耗和成本的动态MPPT算法，对于实际应用具有重要意义。
最后，动态MPPT算法需要满足实时性的要求。
光伏发电系统是一个动态的系统，其性能受到外部环境的影响，因此及时地收集和处理数据对于实现最优性能至关重要。
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究随着全球气候变化的加剧，人们迫切需要寻找新能源替代传统能源，以达到能源安全和环保的目的。
光伏发电是一种新兴的能源技术，它可以将太阳能转换为电能，而且没有任何污染，十分环保。
但是，由于天气、季节、太阳角度等因素的影响，太阳能的输出不稳定，因此需要一种能够根据当前太阳能输出功率自动调节电压和电流的控制系统，以提高发电效率。
这就是MPPT算法。
一、MPPT算法简介MPPT（Maximum Power Point Tracking）是一种广泛应用于光伏发电领域的算法，它能追踪太阳能电池板的最大输出功率点，从而将太阳能的输出转化为最大的电能输出，提高光伏发电效率。
MPPT算法通常分为两种类型：模拟算法和数字算法。
模拟算法包括 Perturb and Observe 算法（简称 P&O 算法）和 Incremental Conductance 算法（简称 IC 算法）。
P&O 算法通过周期性地改变太阳能电池板电流和电压来找到最大功率点，但是由于其存在震荡，对最大功率点的跟踪速度较慢，精度也较低。
IC 算法根据太阳能电池板的导电率，快速跟踪最大功率点，但是其算法复杂度较高，难以实现。
数字算法包括 Perturb and Observe 算法和 Incremental Conductance 算法的改进方法，如 Hill Climbing 算法、Gradient Descent 算法、Adaptive Perturb and Observe算法等。
这些算法通过使用数学模型来代替硬件电路来优化太阳能电池板输出功率，能够达到更高的跟踪速度和精确度，但是相对复杂，需要较高的计算能力。
二、MPPT算法优化在实际的光伏发电系统中，MPPT算法的优化是非常重要的，它能够提高发电效率，减少能源浪费，变相地提高光伏发电的经济效益和环保效益。
以下是几种MPPT算法的优化方法。
1、遗传算法优化遗传算法是一种基于自然选择和遗传进化理论的全局寻优算法，它通过模拟生物进化过程来搜索最佳解，具有强大的优化能力。
光伏发电系统中的MPPT算法研究
光伏发电系统中的MPPT算法研究随着环境保护意识的增强和可再生能源的重要性日益凸显，光伏发电作为一种清洁、可靠的能源来源得到了广泛应用。
然而，光伏发电系统的效率和能量利用率受到多种因素的影响，其中最为重要的就是最大功率点追踪（MPPT）算法的选择和研究。
本文将对光伏发电系统中的MPPT算法进行深入研究，并探讨其在提高系统性能和增加能量利用效果方面的重要性。
MPPT算法是光伏发电系统中至关重要的一个环节，其主要功能是通过动态调整光伏阵列输出电压和电流，以最大化输出功率。
光伏发电系统的输出功率取决于光照强度、温度和阵列特性等因素，因此，MPPT算法的主要任务是找到一个最佳操作点，在光伏阵列的特性曲线上获取最大功率点。
实现了MPPT算法后，能够大幅提高光伏发电系统的效率和能量利用率，从而增加系统的经济效益和可靠性。
目前常用的MPPT算法包括传统的模拟算法和现代的数字算法。
模拟算法中，传统的Perturb and Observe（P&O）方法、Incremental Conductance（IC）法和Hill Climbing（HC）法被广泛应用于光伏发电系统中。
这些算法通过采集光伏阵列的电流和电压信息，根据功率曲线的斜率或连续的功率变化进行调整，逐渐趋近于最大功率点。
然而，模拟算法在快速变化的光照条件下，容易产生震荡现象并且对阵列输出电流和电压的采样速度较慢，导致系统响应较慢。
与传统的模拟算法相比，现代的数字算法更加精确和灵活。
这些算法基于微处理器或数字信号处理器，利用精确的测量数据进行最优功率点追踪。
其中，基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）的MPPT算法是近年来的研究热点之一。
该算法通过对光伏阵列的模型进行建模和预测，利用最小化误差的优化控制方法实现最大功率点追踪。
相比于传统算法，MPC算法具有更好的动态响应性能和较快的追踪速度，可以有效应对光照变化的快速性。
光伏发电系统中的MPPT技术研究
光伏发电系统中的MPPT技术研究随着环保意识的不断提高，太阳能作为新一代清洁能源正成为人们关注的热点。
而光伏发电系统是利用太阳能转换为电能的一种重要技术。
然而，在光伏发电过程中，太阳能电池板输出功率与辐照度和温度等因素密切相关，因此需要采用最大功率点跟踪（MPPT）技术来实现光伏发电系统的最大转换效率。
本文将探讨MPPT技术在光伏发电系统中的应用研究。
一、MPPT技术的原理及分类最大功率点跟踪技术(MPPT)是一种分析太阳能电池在不同辐照度和温度下的工作特性的技术，以确定太阳能电池的最大工作点，使太阳能电池输出的电能转换效率最高。
MPPT技术原理有两种：模拟和数字。
模拟MPPT技术是使用一些传统的电路器件进行电压或电流变化的测量，通过计算求解出最大功率点，并控制电荷控制器输出电压和电流来不断调整太阳能电池板工作点。
相对而言，数字MPPT技术则采用数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）等数字电路对太阳能电池板的电压、电流和输出功率进行实时监测和分析，然后通过软件算法来实现最大功率点跟踪的控制。
根据控制极点的不同，MPPT技术还可以分为定态响应型和动态响应型。
定态响应型是指在实际操作中，控制器对太阳能电池板电压、电流和输出功率的计算公式固定不变。
而动态响应型则采用更为灵活的控制方法，可以根据太阳能电池板的瞬态特性实时调整计算公式，以确保最大功率点具有更强的稳定性和实用性。
二、MPPT技术在光伏发电系统中的应用研究MPPT技术在光伏发电系统中得到了广泛的应用。
其中，目前较为流行的是基于动态响应型数字控制器的MPPT技术。
该技术采用多种功率点跟踪算法，实现太阳能电池板工作点的快速、精确和稳定跟踪，提高了光伏发电系统的效率和可靠性，具有广泛的应用前景。
在实际应用中，MPPT技术还有许多值得探讨的问题。
例如，如何优化MPPT算法，提高最大转换效率和动态响应特性；如何选取合适的数学模型和控制算法来构建MPPT系统；如何集成MPPT控制器与光伏发电系统的其他控制模块等。
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最大功率点跟踪(MPPT)方法是光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。本文在介绍 光伏阵列输出特性及其仿真模型的基础上提出了最大功率点 跟踪的方法和原理并介绍常 见 MPPT 方法。建立了以 Boost 电路为核心实现独立光伏发电系统 MPPT 的仿真模型，利 用该模型不需要精确的内部电路特性和相关参数，就可以实时模拟光伏阵列及其 MPPT 的 实现。在此基础上，针对固定步长干扰观察法存在的问题，提出了一种改进的自适应变步 长干扰观察 MPPT 方法。并对此算法运用 Matlab/Simulink 进行仿真。仿真结果表明：这种 改进的变步长干扰观察 MPPT 方法能够稳定、高效地跟踪光伏阵列最大功率点；同时，在 日照强度、环境温度等系统参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点，保持系统稳定， 表现出很好的动态特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。
南京航空航天大学 硕士学位论文
独立光伏发电系统及其MPPT的研究 姓名：王厦楠
申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制
指导教师：周洁敏 20080201
南京航空航天大学硕士学位论文
摘 要
光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源来源 的潜力。本论文以太阳能发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，开展 了太阳能独立光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论和仿真研究。
KEY WORDS：Solar Energy, Photovoltaic Cell, MPPT, Matlab Simulation, Boost
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南京航空航天大学硕士学位论文
图表清单
图 1.1 一次能源的探明剩余储量比较................................................................................ 1 图 1.2 光伏阵列.................................................................................................................... 5 图 1.3 独立光伏发电系统的结构........................................................................................ 6 图 2.1 光生伏打效应简图.................................................................................................... 8 图 2.2 光伏电池等效电路图................................................................................................ 9 图 2.3 光伏电池等效简化电路.......................................................................................... 10 图 2.4 I ph 子模块 ................................................................................................................ 13
Maximum Power Point Tracking (MPPT) method is an important means to improve the system efficiency of PV power generation system. MPPT theory and various MPPT algorithms are introduced in the literature. Furthermore, this article analyzes the principle of boost circuit and impedance transformation characteristic in stand-alone PV system with MPPT technology applications. The simulation study of boost circuit applied in the MPPT is completed based on Simulink simulation model. Based on those researches, this thesis proposes a novel implementation of an adaptive duty cycle P&O algorithm that can reduce the main drawbacks commonly related to the traditional P&O method, at the same time, the simulation results verify that the novel MPPT algorithm can track PV array‘s MPP efficient, even under the circumstance of isolation level, ambient temperature changing rapidly.
图 2.5 Uoc 子模块................................................................................................................ 14
图 2.6 Vt 子模块.................................................................................................................. 14
关键词：太阳能，光伏阵列，ＭＰＰＴ，ＭＡＴＬＡＢ 仿真，Ｂｏｏｓｔ
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独立光伏发电系统及其 ＭＰＰＴ 的研究
Abstract
With the development of photovoltaic (PV) technologies, applications of photovoltaic have grown rapidly, indicating that the photovoltaic are attractive to produce environmentally benign electricity for diversified purposes. In order to maximize the use of solar energy, this thesis focuses on the PV power generation systems, which includes modeling of PV systems, maximum power point tracking (MPPT) methods for PV arrays.
The modeling of PV arrays is the base of research on PV systems. This thesis presents simulation model of PV arrays based on the output characteristics formulas. It can be directly applied in circuit simulation and system analysis.
图 2.7 I0 子模块.................................................................................................................. 15
图 2.8 光伏阵列 Simulink 模型 ......................................................................................... 16 图 2.9 基于 Simulink 的光伏阵列仿真模型 P −V 曲线 ................................................... 17 图 2.10 光伏阵列仿真模型函数流程图............................................................................ 19 图 2.11 基于 M 函数的光伏阵列仿真模型 ....................................................................... 20 图 2.12 不同日照不同温度情况下，光伏阵列的输出特性曲线。................................ 22 图 3.1 典型的独立光伏系统结构图.................................................................................. 25 图 3.2 带有 MPPT 功能的光伏发电系统结构图 .............................................................. 25 图 4.1 MPPT 方法示意图 ................................................................................................... 28 图 4.2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线...................................... 29 图 4.3 P&O 法示意图.......................................................................................................... 30 图 4.4 P&O 法流程图.......................................................................................................... 31 图 4.5 电导增量法控制流程图.......................................................................................... 33 图 4.6 模糊逻辑控制流程图............................................................................................... 35 图 4.7 基本的 BOOST 变换电路....................................................................................... 37 图 4.8 功率开关管 Q 导通时等效电路............................................................................. 37 图 4.9 功率开关管 Q 截止时等效电路............................................................................. 38 图 4.10 Boost 电路阻抗变换............................................................................................... 39 图 4.11 光伏阵列 MPPT 原理仿真模型............................................................................ 40 图 4.12 光伏阵列仿真波形（ RL = 100Ω ）....................................................................... 41