索引词 |
| 直流(DC)，最大功率点跟踪(MPPT)，光伏(PV)摄动和观察(P&O)。 |
介绍 |
| 日益增长的需求加上石油危机所证明的常规燃料供应可能减少，加上对环境保护的日益关注，推动了对更清洁、可再生和对环境影响较小的替代能源的研究和开发。在替代能源中，光伏(PV)电池的电能目前被认为是一种更有用的自然能源。因为它是免费的，丰富的，清洁的，分布在地球上，并作为地球上所有其他能源生产过程的主要因素参与。光伏电池的一大优点是减少二氧化碳的排放。光伏系统的主要缺点是初始安装成本相当高，能量转换效率相对较低。因此，通过使用高效的电源调节器，例如maximum，可以大大降低整个系统的成本 |
| 功率点跟踪器，即使在不利条件发生时，也能从光伏组件提取并保持峰值功率。传统的最大功率点跟踪包括爬坡[2]。扰动并观察(P&O)[4]，电导增量[6]。模糊逻辑和神经网络方案收敛速度快。在[1]中详细比较了不同的最大功率点跟踪技术。由于光伏发电的输出是直流，不需要外部逆变电路，因此直流系统可以用于较长的输配电路径，因此本文优先考虑直流负载。直流系统更适合于能源存储、可再生能源和替代能源，因为几乎所有这些都是固有的直流。在直流电路的情况下，错误检测和清除也很容易。不涉及直流频率或相位控制问题。本文讨论了直流电的优点。 |
光伏模型 |
| A.基础光伏电池 |
| 太阳能电池的基本结构是以少量硼原子为衬底的p型半导体。然后使用高温扩散法将磷原子添加到衬底上以形成pn结。在p-n结中，空穴和电子将被重新排列，形成一个势垒，以防止电荷的运动。当p-n结构受到阳光照射时，光子提供的能量将激发结构中的电子产生空穴-电子对。这些电荷被pn结的势垒隔开。电子将向n型半导体移动，而空穴将同时向p型半导体移动。如果此时太阳能电池的n型和p型半导体与外部电路连接，则n型半导体中的电子将通过外部电路移动到另一侧，与p型半导体中的空穴结合。这显示了外部电路的电流是如何产生的。由于太阳能电池的输出电压极低(约0.5-0.7V)，在实际应用中，太阳能电池将采用串联和并联的方式。连接后，太阳能电池必须通过支撑基板加强，并由钢化玻璃覆盖，以组成太阳能组件。 After this, solar modules can be connected in series and in parallel to create a solar array according to capacity demands. |
| B. PV电池的数学建模 |
| 一般型号的等效电路由一个光电流、一个二极管、一个表示漏电流的并联电阻组成，如图1所示 |
 图1所示。太阳能电池等效电路 |
| 基于二极管、电流和电压方程对光伏板进行建模。 |
| 电流输入光伏组件 |
输入: |
| PV电流IPV[A] |
| 日晒(W / m2) |
输出: |
| PV电压VPV [V] |
| PV输出功率Ppv [W] |
| 电压输入光伏组件 |
输入: |
| PV电压VPV [V] |
| 日晒(W / m2) |
输出: |
| PV电流IPV[A] |
| PV输出功率Ppv [W] |
| C.光伏电池电路模型及方程 |
| 电流方程 |
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图2 . .光伏面板仿真 |
图3。光伏板的I-V特性 |
图4光伏板的PV特性 |
MPPT方法 |
| 摄动观察法 |
| P&O法是一种广泛使用的MPPT方法。面板电压V和面板电流I作为其输入值，期望的工作电压Vref作为其输出值。这个过程的工作原理是通过增加或减少阵列工作电压来扰动系统，并观察其对阵列输出功率的影响。 |
图5 P&O MPPT算法流程图 |
| 图5给出了P&O算法的流程图。V和I的值是从面板上捕获的。测量V和I来计算电流阵列输出功率P(k)。将P(k)的这个值与上次测量P(k-1)得到的值进行比较。如果输出功率自上次测量以来有所增加，则输出电压的扰动将继续与上一个周期的方向相同。如果输出功率自上次测量以来有所下降，则输出电压的扰动将反转到与上一个周期相反的方向。该算法对每一个最大功率周期的工作电压进行摄动。一旦达到MPP, V将围绕理想工作电压Vmp振荡。 |
| 这就造成了一个功率损耗，它取决于单个扰动的阶跃宽度。如果步长宽度较大，则MPPT算法在稳定或缓慢变化的条件下对运行条件的突然变化做出快速响应，损失增加。如果阶跃宽度非常小，则稳定或缓慢变化条件下的损耗将减少，但系统只能对温度或日照的快速变化做出非常缓慢的响应。理想阶跃宽度的值与系统有关，需要通过实验确定。 |
| P&O方法的另一个缺点是，在日照突然增加的情况下，P&O算法的反应就好像增加是由于先前阵列工作电压的扰动造成的。因此，下一个扰动将与前一个扰动的方向相同。这将导致一个远离实际MPP的操作点。这个过程一直持续到日晒的增加减慢或结束。 |
| 在快速变化的大气条件和频繁变化的日照水平的环境中，这种偏离MPP的情况会导致严重的功率损失。这项技术主要是因为它的低成本和简单。 |
并行和独立操作 |
| 面板的并联独立操作是基于面板的照明。 |
图7。两个MPPT的连接配置(a)单机;(b)
平行的;
(c)可能改变配置的条件 |
| mppt的可能连接配置如图6所示。在独立配置中，由于太阳光照的不同，mppt可能会在不同的模式下工作。在并联配置中，mppt的输入电压将非常接近。在线pv管柱配置的确定就是基于这一现象。然而，在独立模式下，由于它们与太阳照明相似，它们的输入电压可能很接近。首先，检查MPPTs的输入电压。如果MPPT的输入电压高于阈值电压，即2V，则该MPPT将被标记为独立，反之亦然。如果两个mppt的两个输入电压非常接近(在1v以内)，则连接配置将被检测为并联模式。相反，连接配置标记为独立模式。并联运行提高了面板[5]的运行效率。 In parallel operation current balancing is also done, if the difference of current is greater than threshold current duty cycle of that panel is increased else decreased. This is done so that the panel with greater illumination will generate more voltage and current. |
仿真结果 |
| 利用MATLAB软件进行仿真。根据单机和并联的状态检查，对面板的输入电压和日照进行轻微的调整。整个电路图如下所示 |
图7所示。独立和并行操作的仿真。
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图8所示。根据日照条件输出(字符串检查)。 |
图9所示。P&O技术的输出 |
图10所示。输出电压波形 |
图11所示。输出电流波形。 |
图12所示。输出功率波形。 |
| 图10、11、12为生成的仿真模块的电压、电流、功率输出。在并联运行期间，面板产生并提供给负载的功率较多。并联操作的优点是，即使其中一个转换器发生故障，电源也可以通过另一个转换器从两个面板提供给负载。这在独立操作中是不可能的。独立运行时，模块产生的电流和功率较小。在线配置检查检查两个面板之间的电压差，如果电压差小于阈值，则两个面板并联运行，如果电压差高于阈值电压值，则两个面板串联运行。 |
并 |
| 本文根据日照条件实现了并联和单机状态，在线完成了串组态校核。电流值在并联运行时增大，在独立运行时减小。采用Perturb和Observe方法跟踪最大功率，并对仿真结果进行了验证。 |
参考文献 |
- T. Esram和P. L.Chapman，“光伏阵列最大功率点跟踪技术的比较”，IEEE反式。EnergyConvers。，第22卷，第2期。2，第439-449页，2007年6月。
- A. K. Abdelsalam, A. M. Massoud, S. Ahmed, P. N. Enjeti，“基于光伏微电网的高性能自适应扰动和观察MPPT技术，”IEEE反式。电力电子。，第26卷，第26期。4, pp. 1010-1021, 2011年4月。
- M. E. Baran和N. R. Mahajan，“工业系统的直流分布:机遇与挑战”，IEEE反式。印第安纳州,达成。，第39卷，no。6，第1596-1601页，11 / 12月。2003.
- N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli，“扰动和观察最大功率点跟踪方法的优化”，IEEETrans。电力电子。，第20卷，no。4，第963-973页，2005年7月。
- L.-J。高，R. A.杜格尔，s . y。刘，R. A. Iotova，“并行连接的太阳能光伏系统解决部分和快速波动的阴影条件，”IEEE翻译。印第安纳州。电子。，vol.n56, no. 5, pp. 1548–1556, May 2009.
- A. Safari和S. Mekhilef，“基于cuk转换器直接控制方法的增量电导MPPT的仿真和硬件实现”，电子工程学报。印第安纳州。电子。，vol. 58, no. 4, pp. 1154–1161,2011.
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图1所示。太阳能电池等效电路
