基于光伏阵列拓扑的全局最大功率跟踪算法研究

【摘要】：随着科技的不断进步,传统能源的供给已经无法满足经济快速发展的需求,太阳能作为一种绿色、可再生替代能源,已成为人类的共识,光伏发电技术作为太阳能利用的主要技术,成为近年来广大学者的研究重点。当前,光伏发电的最大功率跟踪技术日趋成熟并得到大范围的推广应用,但是光伏阵列在遮阴影响下,由于输出曲线呈现多峰现象,传统的最大功率跟踪技术会陷入局部峰值点,影响输出效率。因此,研究遮阴影响下光伏阵列的全局最大功率跟踪控制方法,提高光伏发电效率,具有重要意义。本文提出一种适用于复杂光照条件下串联光伏阵列的全局最大功率跟踪控制算法,并分别在Matlab/Simulink仿真平台和构建的实验平台上验证了控制算法的可行性。具体内容如下:首先,以光伏电池的等效电路为基础建立等效简化数学模型,对模型进行等效简化,根据光照及温度变化对电池的影响,引入修正系数,得到符合工程精度需求的任意环境条件下的仿真用模型。利用该模型,对不同光照强度和温度下光伏电池的输出特性进行分析。其次,结合光伏电池的非线性特性,分析了利用Boost电路实现光伏电池最大功率跟踪的原理。对扰动观察法进行了重点研究,对比分析了占空比扰动和电压扰动的区别,提出扰动步长和扰动频率的确定方法,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建模型,分别在均匀光照情况下、光照突变情况下及光照持续变化情况下对扰动观察法的性能进行了分析。再次,对光伏阵列出现的热斑效应、失配现象及多峰现象进行分析研究,介绍了当前光伏阵列主要的拓扑结构,对不同阴影条件下不同拓扑结构光伏阵列的输出效率进行评估,选取组串式光伏阵列研究全局最大功率跟踪控制算法。结合单个光伏电池数学模型,推导出组串式光伏阵列模型,以扰动观察法为基础,提出了一种基于组串式光伏阵列全局最大功率跟踪算法,分别在均匀光照情况下、遮阴情况下及光照条件变化情况下对提出控制算法的性能进行仿真验证分析。最后,搭建小型光伏发电系统实验平台,介绍了光伏发电系统的硬件结构、参数确定、元件选型、电路设计以及控制器的调试;根据待验证的问题,设计了包含四种不同条件的实验方案,实验结果说明,本文提出的控制算法能够有效的追踪到光伏阵列的全局最大功率点,实现提高阵列输出效率的目的。 【关键词】：光伏系统 全局最大功率跟踪 输出特性 拓扑结构
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 背景及意义10-11
• 1.1.1 寻找新能源的紧迫性10
• 1.1.2 光伏发电的特点10-11
• 1.2 课题的研究现状11-15
• 1.2.1 光伏发电系统概述11-12
• 1.2.2 光伏电池模型研究现状12-13
• 1.2.3 光伏MPPT技术研究现状13-15
• 1.2.4 光伏变换器简介15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 光伏电池发电原理及建模仿真18-26
• 2.1 光伏电池发电原理18-20
• 2.1.1 光伏电池的光电效应18-19
• 2.1.2 光伏电池的分类19-20
• 2.2 光伏电池建模与仿真20-23
• 2.2.1 光伏电池的等效电路模型20-21
• 2.2.2 光伏电池的仿真模型21-23
• 2.3 光伏电池的输出特性23-24
• 2.4 本章小结24-26
• 第三章 MPPT原理及P&O仿真分析26-40
• 3.1 光伏MPPT基本原理26-27
• 3.2 Boost电路实现MPPT基本原理27-28
• 3.3 经典MPPT控制策略28-30
• 3.3.1 恒定电压法28-29
• 3.3.2 电导增量法29-30
• 3.4 扰动观察法30-38
• 3.4.1 工作原理30-32
• 3.4.2 扰动步长和扰动频率的确定32-34
• 3.4.3 仿真分析34-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 基于光伏阵列拓扑结构的全局最大功率点跟踪40-60
• 4.1 遮阴对光伏阵列的影响40-43
• 4.1.1 失配现象及热斑效应40-41
• 4.1.2 多峰现象41-43
• 4.2 不同光伏阵列拓扑输出效率的分析评估43-49
• 4.2.1 集中式系统阵列拓扑43-44
• 4.2.2 分布式系统阵列拓扑44-45
• 4.2.3 发电效率的评估45-49
• 4.3 遮阴条件下串联光伏阵列的最大功率跟踪49-58
• 4.3.1 遮阴条件下组串式光伏阵列数学模型49-50
• 4.3.2 组串式光伏阵列的输出特性分析50-53
• 4.3.3 全局最大功率跟踪控制算法53-55
• 4.3.4 仿真分析55-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 小型光伏发电实验平台的设计60-74
• 5.1 系统的总体结构60
• 5.2 主电路的设计60-64
• 5.2.1 电源及负载的选择60-61
• 5.2.2 Boost电路的设计61-64
• 5.3 控制电路的设计64-67
• 5.3.1 控制器的选择及配置64-66
• 5.3.2 驱动电路66
• 5.3.3 采样电路66-67
• 5.4 实验方案设计及结果分析67-72
• 5.4.1 实验方案68
• 5.4.2 实验结果分析68-72
• 5.5 本章小结72-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 攻读学位期间发表的学术论文82

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