光伏系统中扰动观察法的建模及仿真
基于优化型变步长扰动观察法的光伏MPPT_仿真研究
文章编号：2095-6835（2023）20-0080-03基于优化型变步长扰动观察法的光伏MPPT仿真研究胡昊明，雷初聪，易荣卫（赣南科技学院，江西赣州341000）摘要：光伏电池最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术的核心任务是寻找到最大功率点的位置，以提高算法的利用效率。
目前常见的MPPT算法，例如扰动观察法、恒定电压法等存在着跟踪精度低、响应速度慢等问题。
选择在常用的扰动观察法上进行优化，利用输出功率与工作功率的绝对值作为扰动条件，得到改进后的变步长扰动观察法，用于保证系统尽可能处于最大功率点。
通过Matlab/Simulink仿真验证发现这种方法能够同时兼顾MPPT步长的速度和精度。
关键词：最大功率点跟踪；扰动观察法；Matlab/Simulink；步长中图分类号：TM615文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.023相比于化石、煤油、天然气等不可再生能源，太阳能、风能等可再生能源在发电领域具有更加广阔的应用前景[1-2]。
由于光伏发电具有能量密度大、发电便捷、发电灵活、便于利用等优点，相比于其他可再生能源，其在发电领域中得到了更为广泛的应用[3]。
然而，光伏发电也存在诸多不足之处，例如发电效率低、受自然环境因素影响较大、对电力系统正常的频率调整会对其有较大干扰等缺点，其中最为核心的问题是光伏发电效率低[4]。
为提高光伏发电的效率，常采用MPPT控制算法。
MPPT算法从自然影响因素入手，尽量去减少自然因素对系统的影响，想办法提升系统的适应能力，使光伏系统工作点尽量保持在最大功率点，提高系统的有效转换率[5]。
利用MTTP算法可以让光伏电池得到最大程度的利用，使光伏系统高效平稳地运行[6]。
目前常见的MPPT算法有扰动观察法、恒定电压法、电导增量法等，这些方法存在着跟踪精度低、响应速度慢、环境自适应能力差等缺点[7-9]。
一种应用于光伏系统M的变步长扰动观察法
一种应用于光伏系统M的变步长扰动观测方法1、本文概述随着全球能源危机和环境问题日益突出，光伏系统作为一种清洁可再生能源的转换方式，受到了广泛的关注和研究。
光伏系统的最大功率点跟踪技术一直是研究的热点和难点。
传统的固定步长摄动观测方法虽然简单可行，但在实际应用中存在跟踪速度慢、精度低、易振荡等问题。
本文提出了一种应用于光伏系统的变步长扰动观测方法，旨在提高最大功率点跟踪的效率和稳定性。
本文首先介绍了光伏系统的基本原理和最大功率点跟踪的重要性，然后详细阐述了传统固定步长扰动观测方法的原理和存在的问题。
此外，本文提出了一种基于可变步长策略的扰动观测方法，该方法动态调整扰动步长，以实现对不同光照和温度条件下光伏系统最大功率点的快速准确跟踪。
本文还对所提出的变步长扰动观测方法进行了理论分析和仿真验证，结果表明该方法具有跟踪速度快、跟踪精度高、稳定性好的特点。
本文还讨论了该方法的实际应用前景和可能的改进方向，为光伏系统中的最大功率点跟踪技术提供了新的思路和方法。
2、光伏系统基础知识光伏系统，又称光伏发电系统，是利用光伏效应将太阳能转化为电能的系统。
光伏效应是指太阳光照射到光伏材料（如硅）中的光子和电子之间的相互作用，导致电子从原子中逃逸，形成光生电流。
这种无噪声、无污染的发电方式越来越受到全球的关注和推广。
光伏系统主要由光伏组件、逆变器、支架和连接线组成。
光伏模块是系统的核心部件，由多个串联或并联的光伏电池组成，负责将太阳能转换为直流电。
逆变器负责将直流电转换为交流电，以连接到电网或其他电气设备。
支架用于固定光伏组件，确保其能够连续稳定地接收太阳辐射。
在光伏系统运行过程中，光伏组件的性能参数，如开路电压、短路电流、最大功率点电压和电流，对系统的整体性能有重大影响。
最大功率点（MPP）是光伏模块具有最高输出功率的工作点。
光伏系统的目标之一是使光伏模块尽可能接近MPP工作，以实现最大的能量转换效率。
为了实现这一目标，光伏系统通常使用最大功率点跟踪（MPPT）算法。
智能光伏发电系统的建模与仿真
智能光伏发电系统的建模与仿真随着环保意识的增强，太阳能发电逐渐成为人们关注的焦点，而智能光伏发电系统作为太阳能发电的一种方式，也越来越被重视。
在建设智能光伏发电系统之前，首先需要进行建模与仿真，对光伏发电系统进行分析和优化。
本文将从建模与仿真的角度来探讨智能光伏发电系统的实现。
一、智能光伏发电系统的概述智能光伏发电系统是指通过能量转换将太阳能转化为可用的电能，实现对能源的利用。
在光伏发电系统中，太阳能电池是关键组件。
太阳能电池将太阳辐射能转化为电能，传送至直流侧逆变器将其转化为交流电后输出到电网中，完成光伏发电系统的整个工作过程。
二、智能光伏发电系统建模的必要性通过建模可以对系统进行仿真，通过仿真得到的结果进行预测、分析和优化，从而为实际工程提供指导。
在建设智能光伏发电系统之前，通过建模仿真可以比较直观地了解整个系统的运转情况，为后续的设计和优化提供依据。
综上所述，建模是智能光伏发电系统实现的必要步骤。
三、智能光伏发电系统建模方法智能光伏发电系统建模的方法有多种，常用的有Matlab/Simulink和PSCAD两种工具。
下文分别对这两种工具的建模方法进行介绍。
1. Matlab/Simulink建模方法Matlab/Simulink是较常用的一种建模仿真工具，以下是建模过程的具体步骤：（1）建立模型：在Simulink中选择合适的模块，并将其拖到和构建好的系统中。
（2）配置模块参数：对系统中选的模块进行特定的参数设置，达到满足需求的目的。
（3）连接模块：和建立模型类似，将所选模块通过箭头连接到一起，形成连接线路。
（4）仿真系统：在建立好的模型中选择仿真，并设置仿真时间段。
（5）分析仿真结果：基于仿真结果，进行后续的分析和优化。
2. PSCAD建模方法PSCAD是一种基于Windows下的电力仿真软件，以下是建模过程的具体步骤：（1）定义模型：选择所需的模块，命名后进行模型定义。
（2）配置模块参数：为每个模块设置特定的参数，以满足系统的要求。
光伏发电系统控制器的扰动观察控制方法
光伏发电系统控制器的扰动观察控制方法CVT控制方式只能在一定温度条件下实现最大功率跟踪，在不同温度条件下仍有功率损失。
真正的MPPT是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池的最大功率。
扰动观察法是通过实时改变系统的工作状态，跟踪太阳能电池阵列的最大工作点，从而实现系统的最大功率输出。
它是一种自主寻优方式，动态性能较好，但稳定性不如CVT。
太阳能电池在最大功率点两侧d P/d V的特性表达式为：式中：d P、d V分别代表相邻两个采样周期太阳能电池的输出功率和输出电压的变化。
扰动观察法就是利用太阳能电池这一特性进行最大功率点跟踪控制的，该方法通过不断调节太阳能电池MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后太阳能电池输出功率和输出电压的变化情况，再根据变化情况调整MPPT电路的工作，最后使太阳能电池工作在最大功率点附近，图1为该方法的控制流程图。
光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，方向可以是增加也可以是减小，控制对象为太阳能电池阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较该干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么按照上一周期的方向继续“干扰”过程；如果检测到输出功率减小，则改变“干扰”的方向。
这样，太阳能电池阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。
如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。
较好的折衷方案是控制器能够根据太阳能电池阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点附近时采用小步长。
扰动观测法的优点有：模块化控制回路；跟踪方法简单，实现容易；对传感器精度要求不高。
扰动观测法的缺点有：在太阳能电池阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；在特定情况下会出现判断错误情况。
光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究
第31卷第9期华电技术Vol .31 No .9 2009年9月Huadian Technol ogySep.2009 光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究蔡晓峰1,2,张鸿博3(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009;2.河南工程学院机械工程系,河南新郑 451191;3.华北水利水电学院电力学院,河南郑州 450011)摘 要:介绍了一种光伏电池的仿真模型,分析了占空比扰动法实现最大功率点跟踪的原理。
为进一步简化算法,分析了基于输出电流检测实现最大功率跟踪的可行性,说明了算法的原理和实现思路,建立了Matlab 仿真模型并进行了仿真验证,仿真结果证明了算法的正确性。
关键词:光伏发电系统;光伏电池;最大功率点跟踪;占空比;扰动观察法;仿真模型中图分类号:T M 914 文献标志码:A 文章编号:1674-1951(2009-0019-03收稿日期:2009-05-050 引言光伏发电技术是新能源领域最近10多年发展起来的一个重要方向。
由于光伏电池的输出电压和输出电流随着太阳辐照度和电池结温的变化具有强烈的非线性,因此,在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点(MPP )。
为了尽可能多的利用太阳能,所有光伏系统都希望太阳能光伏阵列工作在最大功率点上,这就在理论上和实践上提出了太阳能光伏阵的最大功率点跟踪MPPT (Maxi 2mum Power Point Tracking )问题。
1 光伏电池的数学模型光伏电池利用半导体材料的光伏效应制成,所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能,由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象。
光伏电池组件的I -U 特性随太阳辐照度E (W /m 2)和电池温度T (K )而变化,即I =F (U,E,T )。
根据电子学理论,光伏电池的实际等效电路如图1所示[1-3],对应的I -U 函数为I =I L -I 0exp [q (U +IR s )A KT]-1-U +IR sR sh,(1)图1 光伏电池等效电路式中:I d =I 0{exp [q (U +IR s )A KT]-1}为二极管结电流,A;I L 为光伏电流,A;I 0为反向饱和电流(对于光伏单元而言,其数量级为10-4A );q 为电子电荷(1.6×10-19C );K 为玻耳兹曼常数(1.38×10-23J /K );T 为热力学温度;A 为二极管品质因子(当T =330K 时,为2.8±0.15);R s 为串联电阻(为低阻值,小于1Ω);R sh 为并联电阻(为高阻值,数量级为kΩ);U 为等效电压。
光伏发电系统的建模与仿真研究
光伏发电系统的建模与仿真研究随着人口的增加和经济的发展，对能源的需求和依赖日益增强，传统化石能源已经不能满足人们的需求，同时其排放的废气也对环境造成严重的污染。
因此，可再生能源逐渐受到人们的重视，其中光伏发电因其环保、可持续性和安全性等特点，已经成为了可再生能源中的主流。
在实际运行中，光伏发电系统的电气特性和光照条件会对其发电效率产生影响，因此需要对其进行建模和仿真研究，以提高系统的稳定性和适应性。
光伏发电系统的建模主要包括光伏电池建模、光伏电池组建模、光伏逆变器建模等。
光伏电池建模光伏电池是光伏发电的核心部件，因此对其进行详细的建模十分重要。
光伏电池建模可以简化为以下几个步骤：1. 光伏电池写出基本方程，包括光电流、反向饱和电流、产生的电流等。
2. 定义光伏电池的等效电路，包括电阻、电压源、电容等。
3. 通过数值计算的方法求出光伏电池组的输出电压和输出功率等参数。
光伏电池组建模光伏电池组建模是光伏系统建模的重要环节。
其建模可以简化为以下几个步骤：1. 将光伏电池连接起来形成电池阵列，定义其电路模型。
可以用串联模型或并联模型来表示电池阵列。
2. 定义电池阵列的输出电压和输出功率等参数，根据光照强度的变化来预测电池阵列的性能。
3. 通过数值计算的方法来求解电池阵列的输出电参数和输出功率等参数。
光伏逆变器建模光伏逆变器是将光伏电池组输出的直流电转换成交流电并输出到电网中的设备。
因此，光伏逆变器的建模也十分重要。
其建模可以简化为以下几个步骤：1. 根据逆变器的特性将其建模为一个电路模型，包括开关、电感、电容等。
2. 计算出逆变器的输出波形和输出功率等参数，并与电网的要求进行匹配。
3. 通过数值计算的方法来求解逆变器的输出参数和输出功率等参数。
仿真分析通过对光伏发电系统进行建模，可以进行系统的仿真分析。
仿真分析可以模拟出一定时间和光照条件下光伏发电系统的电气特性，进而预测其性能表现，并对其进行优化。
优化控制策略在光伏发电系统中，光照条件会对其发电效率产生影响。
光伏发电系统的建模与仿真分析
光伏发电系统的建模与仿真分析随着环保意识的不断提高和可再生能源技术的不断发展，光伏发电系统正在逐步被人们所接受和利用。
在实际应用中，为确保光伏发电系统的稳定性和可靠性，建模和仿真分析是必不可少的步骤。
本文将就光伏发电系统的建模和仿真分析进行探讨。
一、光伏发电系统建模光伏发电系统主要由太阳能电池板、逆变器、支架、组串箱、电缆等组成。
建立光伏发电系统的数学模型需要考虑这些组成部分的物理特性。
以下为各组成部分的建模方法：1. 太阳能电池板的建模方法：太阳能电池板是光伏发电系统的核心部分，它将光线转化成直流电能。
太阳能电池板的数学模型应当考虑其内部电学特性和恒定阻抗和动态响应之间的关系。
常用的太阳能电池板数学模型包括等效电路模型和数学模型。
2. 逆变器的建模方法：逆变器是将太阳能电池板输出的直流电能转化为交流电能的设备，其数学模型应考虑堵转电流、失步电流、输出电压、输出电流等参数。
3. 支架和组串箱的建模方法：支架和组串箱是安装太阳能电池板的设备，其数学模型主要考虑支撑结构的稳定性、组串箱内部的接线和绝缘等特性。
4. 电缆的建模方法：电缆在光伏发电系统中作为输电和连接电网的部分，其数学模型主要考虑其电学特性和热特性。
以上为光伏发电系统各组成部分的建模方法，建立完整的光伏发电系统模型需要将各部分的数学模型进行整合。
二、光伏发电系统仿真分析在建立光伏发电系统的数学模型之后，通过仿真分析可以得到该系统的静态特性和动态响应。
1. 静态特性仿真分析静态特性主要包括电压、电流、电功率等参数，静态特性仿真分析可以求出光伏发电系统在不同光强、温度等条件下的输出特性，对光伏发电系统的电能输出效率进行评估。
2. 动态响应仿真分析动态响应包括瞬态响应和稳态响应两部分内容。
瞬态响应主要考虑系统在启动、光线强度变化、阴影、故障等异常情况下的响应情况。
稳态响应主要考虑系统在长时间工作状态下的稳定性和可靠性。
通过动态响应仿真分析，可以对光伏发电系统进行性能评估、设计优化，为系统的实际应用提供依据。
光伏发电系统建模与仿真分析
光伏发电系统建模与仿真分析随着社会的不断发展和科技的不断进步，环保节能成为了现代社会追求的目标之一。
其中，光伏发电作为一种清洁、可再生能源逐渐受到了人们的关注和重视。
本文将介绍光伏发电系统建模与仿真分析，旨在帮助读者深入了解光伏发电的原理和运作机制。
一、光伏发电系统的基本原理光伏发电系统利用光伏电池将太阳能转化为电能，主要由太阳能电池板、逆变器、电池组和监控系统等组成。
太阳能电池板是整个光伏发电系统的核心部件，它将光能转化为直流电能，然后通过逆变器将直流电转换为交流电，最后由电池组存储电能并供电使用。
二、光伏发电系统的建模过程1、光伏电池的模型建立在建立光伏发电系统的模型时，首先要对光伏电池进行建模。
光伏电池将太阳能转化为电能的物理过程可以表示为：P=I×V其中，P表示光伏电池的输出功率，I表示电流，V表示电压。
在建模时，可以采用I-V特性曲线对光伏电池进行描述，因为它能够同时反映出光照强度、温度、电流和电压等参数之间的关系。
2、光伏发电系统的模型建立在光伏电池模型建立完成后，可以继续建立光伏发电系统的模型。
主要建立的内容包括太阳能电池板、逆变器、电池组和监控系统等。
在建立模型时，需要考虑各元件之间的相互作用和影响，确保模型的真实性和可靠性。
三、光伏发电系统的仿真分析1、光伏电池的仿真分析对于光伏电池的仿真分析，一般采用Simulink软件进行搭建和模拟。
在建立模型时，需要输入太阳辐射强度、光谱分布、环境温度和太阳能电池板的参数等信息。
通过对光伏电池的电流、电压和功率等参数进行仿真分析，可以评估光伏电池的性能和能量输出效率，为后续的优化提供参考依据。
2、光伏发电系统的仿真分析对于光伏发电系统的仿真分析，一般采用Matlab软件进行搭建和模拟。
在建立模型时，需要考虑光伏电池板的参数、环境温度、光照强度、逆变器的效率等因素。
通过对光伏发电系统的电流、电压和功率等参数进行仿真分析，可以评估整个系统的性能和能量输出效率，为后续的优化提供参考依据。
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电力 电子 ● Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
光伏系统中扰 动观 察法 的建模及仿真
文／ 季 鹏 翔
１ ． １光伏电池等效模型
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光伏 电池 单元 的等 效 电路 模 型如 图 １所
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图１ ： 光伏电池等效模型
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２ 改 进 算 法 的 原 理
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图５ ：ｍ 参数的框图
图６ ：Ｒ 参数框图
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图 ３ ： 太 阳 能框 图 的子 系统 框 图
图４ ：Ｉ 。 参数框 图
１ ８ ４ ・电子技 术与软 件 工程
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ＆Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
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３ 仿 真 结 果 分 析
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目前光伏系统价格昂贵，转换效率低，大大阻 碍 了光伏产业的发展。因此如何实现最大功率
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Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ● 电力 电子
当Ｉ ｐ ￣ ＝ Ｏ时 ， 可 以得 到 Ｌ 太 阳 能 电池 的 开 路 ｎ ＝ Ｏ ， ０ ０ ２ ５ ／ Ｃ， ｐ ＝ Ｏ ． ０ ０ ０ ５ ／ （ ｗ／ ） ，Ｙ＝ Ｏ ． ０ ０ ２ ８ ８ 电建 了光伏 电池模 型。再利用此模
型 对 国 内光 伏 行 业 最 常 用 的 扰 动 观 察 法 进 行 了
波尔兹曼常数１ ． ３ ８ ×ｌ ０ Ｊ／ Ｋ， Ｔ为绝对温度 ，
Ａ 为 二 极 管特 性 因 子 。理 想情 况 下 ， Ｒ 为 零 ，
一１ ］ （ １ ・ ４ ）
以 上 模 型 在 不 同 曰照 和 温 度 下 所 仿 真 的 Ｐ ． ｖ 曲
线。
图７ ：相 同温 度 不 同 日照 下的 Ｐ － Ｖ曲线
由 图 ７可 知 ， 光 伏 电池 的 输 出 功 率 随 光
由 于 在 常 温 条 件 下， ｅ ｘ ｐ 【
＞ ＞１ ，所 以 （ １ ． ４）式 口 ］ 进” 。 ＿ 步简化为：
建模及仿真，通过仿真结果充分说 明此建模的
可行性。
为无穷大 ，Ａ＝ Ｉ ，则式 （ １ ． １ ）简化为 ：
ｑ Ｕ Ｊ ． ／
光 伏 发 电以其 安全无 污染 、不受 区域 限 制等 优点，受到世界各国越来越多的关注 。但
１光伏电池的等 效模 型及 特性
， ＝， 一Ｉ ｏ ［ ｅ
度 要 求 不 高 ， 需 要 测 量 的参 数 较 少 ，所 以 是 目 前 最 大 功 率 点 跟 踪 中应 用 最 广 泛 的 一 种 。 它 通 过加入一个小的扰动量 ， 然后计算出当前功率， 并 通 过 与 上 次 功 率 的 比较 ，确 定是 继 续增 大 扰 图 ８ ： 相 同 日照 不 同 温 度 下 的 Ｐ — Ｖ曲 线