储能式光伏发电功率变换器mppt控制设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)

储能式光伏发电功率变换器mppt控制设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理如图 所示，忽略温度效应时，光伏阵列在不同日照强度下的最大功率输出点 39。 39。 39。 39。 39。 edcba 和、 总是近似在某一个恒定的电压值 mU 附近。 假如曲线 L 为负载特性曲线， a、 b、 c、 d 和 e 为相应关照强度下直接匹配时的工作点。 显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。 为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压跟踪方法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统实现稳压器的功能，使阵列的工作点始终稳定在 mU 附近。 这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大输出功率，如中所示。 采用恒定电压跟踪恒压控制与直接匹配的功率差值在图中可以视为曲线 L 与曲线 mUU之间的面积。 因而，在一定的条件下，恒定电压跟踪方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪（ MPPT）控制。 024681_1I 2_1I 3_I 4_1I51 0 1 5 2 0 2 5)(VU2/8 00 mW 2/6 0 0 mW 2/1000 mW2/400 mWabcd 39。 a39。 b39。 c39。 dLmaxPmU 图 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线 CVT 方式具有控制简单，可靠性高，稳 定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得 20%的电能，较之不带 CVT 的直接耦合要有利得多。 但是，这种跟踪方式忽略了温度对光伏阵列开路电压的影响。 以单晶硅光伏阵列为例，当环境温度每升高 1℃ 时，其开路电压下降率为 % %。 这表明光伏阵列最大功率点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。 对于四季温差或日温差比较大的地区， CVT 方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到光伏阵列的最大功率点。 武汉科技大学本科毕业设计 11 扰动观测法 扰动观察法 (Pamp。 O)通过调节输出电压来达到光伏电池板的最大功率输出点。 在光伏电池板接功率变换器的情况下，可以通过向功率变换器给扰动来调节电池板输出电压。 0 5 1 01 52 0 2 5MPPP AI/MPPU02468 图 扰动观察法 通过图 我们可以看到，当处在最大功率点左边时功率随着电压的增大（减小）而增大（减小），当处在最大功率点右边时候功率随电压的增大（减小）而减小（增大）。 因此在扰动作用下，如果输出功率变大，这扰动方向不变，反之，功率减小扰动方向要反向 ,运算规则如表 所示，算法流程图如图 所示。 由表 可知，只要在每个开关周期内只发生一次采样，当参与运算的数据不是平均值而是瞬时电压值和瞬时电流值时规则一样成立。 表 扰动观测法扰动方向 扰动方向 功率变化 下次扰动方向 正方向 增大 正方向 正方向 减小 反方向 反方向 增大 反方向 反方向 减小 正方向 武汉科技大学本科毕业设计 12 开 始初值设定 pvUPVPV IU 和采样KP计算1 KK PP保 持 干 扰 方 向 改 变 干 扰 方 向KK PP 1NY 图 扰动观测法流程图 在扰动观测法中，扰动过程将会一直周期进行，直到达到最大功率点，然后光伏电池的工作点将一直在最大功率点附近来回振荡，并可以通过减小扰动步长来将震荡减小，但同时也会减慢跟踪速度。 一种解决这种矛盾的方法是运用变步长的方法，随着功率点向最大功率点靠近，扰动步长也减小。 可将最大功率跟踪分两个阶段，在开始阶段加快跟踪速度，而在 稳定阶段优化跟踪精度。 给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。 由于在寻优过程中。 不断地调整参考电压，因此，光伏阵列的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上，从而也造成了一定的功率损失。 同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。 以图 为例说明：假设系统处于稳态，光伏阵列工作电压在 maxP 点左右波动，当日照强度突然增加时，光伏阵列输出功率增加，这时如果参考电压偏移到 1的位置，则系统会 认为此时参考电压调整的方向与功率变化的方向相同，而继续增大参考电压使工作点移动至位置 2，导致工作点进一步远离最大功率点。 武汉科技大学本科毕业设计 13 MAXP1 2P / WU / V0 图 扰动观测法示意图 对干扰观测法的优点总结如下： 1． 模块化控制回路； 2． 跟踪方法简单，实现容易； 3． 对传感器精度要求不高。 缺点为： 1． 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行导致一定功率损失； 2． 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度； 3． 在特定情况下会出现判断错误情况。 电导增量法 电导增量法（ IncCond）运用了光伏板功率曲线的斜率在最大功率点处为零的原理，在最大功率点左边，斜率为正，右边为负。 所给出的 点右边点左边点M P P ,0/M P P ,0/M P P ,0/dPdUdPdUdPdU （ ） 由于 dUU dIIdUU dIIdIUddUP //U/)(/d  （ ） 由公式（ ）可写成 点右边点左边点M P P ,//M P P ,//M P P ,//UIdUdIUIdUdIUIdUdI （ ） 因此当输出 电导的变化量等于输出电导的负值时。 光伏电池输出最大功率。 若不相等，则要判断 dUdP/ 或者 dUdI/ 是大于零或小于零。 电导增量法流程图如图 所示武汉科技大学本科毕业设计 14 此跟踪方法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小。 缺点为算法较复杂而且在调节工作点电压的电导增量法中，当光照强度快速变化时，调节方法会出现 “误判 ”的情 况，理论上该方法跟踪精度高，但由于传感器的精密度等因素，此法在实际应用中仍有误差存在。 开 始采 样 U k 、 I k0dUUIdUdI  0dIUIdUdI UUU  e x pe x p UUU  e x pe x p UUU  e x pe x p UU  e x pe x p0dI11KKKKIIUU结 束YYYNNNNNYY 图 电导增量法流程图 武汉科技大学本科毕业设计 15 其他 MPPT 算法 MPPT 还包含很多其他方法，其中间歇扫描法实现 MPPT 的核心思想是定时地扫描一段 (一般为 ~ 倍的开路电压 )阵列电压，同时记录下不同电压下对应的阵列电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点，而不需要一直处于搜寻状态。 这种方法一般不会产生振荡，同时避免了其它方法由于需要搜索而引起的功率损失。 这种方案的最大缺点是在需要有连 续输出的光伏系统中无法应用，同时该方法需要有较大的存储空间和运算能力。 除此之外还有模糊控制、神经网络 (Neutral Network)、线性电流控制法、最优梯度法、 RCC(Ripple Correlation Control)，基于状态的 MPPT(Statebased MPPT)，滑模控制(Slide Mode Control)，负载电压或电流最大化方法等。 综上所述，这些方法在复杂性，是否需要传感器、收敛速度、成本、效率、硬件实现、广泛性等方面都有所不同，难以分出孰优孰劣。 应根据系统结构、应用场合等 选择适合的 MPPT 技术。 MPPT 算法的 优化 及实现 在本设计中，使用了电导增量法实现 MPPT。 电导增量法只需要采样太阳能电池电压和电流，最多计算一次电导增量，它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，相对于常用的恒压跟踪法和扰动观测法，其控制精度更高。 增量电导法则是根据光伏阵列 UP 曲线为一条一阶连续可导的 单峰曲线的 特点，利用一阶导数求极值的方法，即对 UIP 求全导数，可得 UdIIdUdP  （ ） 两边同时除以 dU ，可得 dUU dIIdUdP //  （ ） 令 0/ dUdP ,可得 UIdUdI //  （ ） 式（ ）即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。 这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析： (1) 假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有 0/ dUdP 即 UIdUdI //  ，说明参考电压应向着增大的方向变化。 (2) 同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有武汉科技大学本科毕业设计 16 0/ dUdP ， UIdUdI //  ，说明参考电压应向着减小的方向变化。 (3) 假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处 (附近 )，此时将有 0/ dUdP ，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。 电导增量法控制流程图如图 所示，图中 kU 、 kI 为检测到光伏阵列当前电压、电流值， 1kU 、 1kI 为上一控制周期的采样值。 这种方法比干扰观察法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高。 在程序中，定义一个期望输出电压值 expU ，通过如图 所示的流程向 expU 给扰动。 同时，通过比例积分（ PI）调节器进行电压跟踪，使实际电压能够快速准确地稳定在期望值上  tp edtSeKU 00e x p （ ） 只有在电压跟踪实现后进行电压电流的采样和功率反馈，才能避免因采样数据不准确而产生误判，而通过恒压跟踪法可以很容易测试 PI 调节特性和实际电压的跟踪能力。 虽 然电导增量法的理论推导是完满的，但此法是以改变光伏电池的输出电压来达到最大功率点，若仅凭微分判断式来调整电压，在外在因素持续变化的情况下，在最大功率点处，由于传感器精度原因， 0/ dVdP 很难准确判断，因此就需要不断地调整参考电压，光伏电池的工作点就会始终在最大功率点附近振荡，会造成一定的功率损失。 而且其需要的计算量较大，对系统的性能要求较高。 因此，在对此算法的实际应用中，对判断式设定一个适合的阈值，可以使系统能在最大功率点附近的某个区域 内保持稳定，而不是来回持续变动，也就是说适当的引入阀值可以在不影响精度的情况下增强系统稳定性并减少计算量。 所以，在最大功率点处，可以引入新的判断条件 |3||2||1|eUIdVdIedIedV （ ） 在条件成立时，即判定已经达到了最大功率点，直接结束判定然后赋值，如图 所示。 武汉科技大学本科毕业设计 17 开 始采 样 U k 、 I k|1| edU |3| eUIdUdI  |2| edI UIdUdI UUU  e x pe x p UUU  e x pe x p UUU  e x pe x p UU  e x pe x p0dI11KKKKIIUU结 束Y YYY YNNNNN 图 改进的电导增量法流程图 本章小结 本章中主要研究了 MPPT 的常用算法，并根据算法 给出了相关的程序流程图。 通过对各种方法的所有缺点比较，选择了电导增量法作为本设计的 MPPT 实现算法，并在原有电导增量法的基础上进行了适当 优化 ，通过 PI 调节提高了反馈的精度，而且通过设定阀值有效减小了最大功率点附近的振荡，使 MPPT 算法的实现更加精准。 武汉科技大学本科毕业设计 18 4 蓄电池充电管理 铅蓄电池的充电特性 蓄电池储能的独立光伏系统中， PV 阵列和蓄电池是典型的非线性电源和负载。 但是，在较短的工作时间内，由上 第二章节 的分析可知，当 PV 阵列的工作条件没有出现大的变化时，认为 PV 阵列的输出电压保持不变是合理的。 根据戴 维南定理，建立 PV阵列的线性等效模型，同理，也可以将蓄电池线性化，如图 所示。 该模型。