局部阴影下光伏电池功率多峰值MPPT控制策略的研究

【摘要】：阴影遮挡与受照不均是太阳能发电领域不可避免的问题,即使是光伏系统中一小部分受到遮阴也会影响到整个光伏发电系统中其他正常运行的电池板,这不仅使正常工作电池的耗损率上升,还会大大降低整个系统的输出功率效率。在局部遮阴情况下的光伏电池的功率输出曲线上存在多个峰值,传统MPPT控制算法失效,针对极值点“多寻一”的问题,目前主要有两种改进方法:一是运用具有多极值寻优能力的MPPT算法;二是改进局部阴影下光伏阵列结构,目前国内外对阵列结构讨论不够深入。针对局部阴影条件下P-V曲线呈多峰值情况,本文提出一种基于模拟退火思想的粒子群改进算法(SA-PSO)。在粒子群算法(PSO)中加入模拟退火算法(SA)的Metropolis选择机制,即动态概率的选择模式,在寻优前期以较大的概率接受粒子更新后的状态,不强求后状态强于前状态,增加了算法的跳跃性使算法有效跳出局部最优解,在寻优后期以小概率接受粒子更新状态,使粒子准确趋近全局最优解,该种改进算法摒除了传统改进算法中复杂的参数设置,弱化参数对结果的影响,并通过智能算法测试函数验证该种改进算法在多峰值寻优方面的优势。在基于SA-PSO算法MPPT控制过程中,在SA-PSO算法正常运行的主流程中加入嵌套流程,判断通过主流程的粒子是否稳定,有效避免了偶然因素,使全局最优值更准确,解决了局部遮阴下多峰寻优的问题。在局部阴影条件下的光伏阵列结构方面,采用了一种分布式MPPT控制的光伏系统结构,它不存在遮阴引起的光伏组件之间的不匹配损耗,每个组件具有独立的MPPT控制器,是未来最具有竞争力的光伏发电系统结构。为使不同状态的电池运行在同一光伏系统中,更好适应太阳能电池板Vin和Vout受光照强度或其他环境因素的变化而不同,增加系统的灵活性,采用双向H桥Buck-Boost结构的DC-DC变换器,其具备升压模式、降压模式、直通及旁路模式,能够实现光伏系统中电池运行状态的多样性。最后通过Matlab/Simulink和PVsyst仿真平台验证了分布式MPPT控制光伏系统结构能够有效提高局部遮阴条件下的光伏系统的输出功率,及该结构能够使不同状态的电池有效运行在同一系统中,增加了系统的灵活性。 【关键词】：局部阴影 MPPT SA-PSO算法 分布式结构 双向H桥Buck-Boost
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 前言11-17
• 1.1 课题研究的背景与意义11-12
• 1.2 局部阴影条件下光伏电池MPPT问题的提出12-13
• 1.3 局部遮阴情况下光伏电池MPPT研究现状13-15
• 1.3.1 MPPT算法研究现状13-15
• 1.3.2 光伏系统拓扑结构的研究现状15
• 1.4 课题主要的研究内容15-17
• 2 太阳能电池的输出特性仿真17-30
• 2.1 光伏电池的基本原理17-21
• 2.2 阴影情况下光伏电池的输出特性仿真21-26
• 2.2.1 阴影情况下光伏电池的输出特性21-22
• 2.2.2 阴影对电池阵列的影响分析与仿真22-26
• 2.3 最大功率点跟踪技术原理分析26-29
• 2.3.1 Boost变换器实现阻抗匹配原理27-28
• 2.3.2 Buck变换器实现阻抗匹配原理28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 基于SA-PSO算法的MPPT控制30-41
• 3.1 粒子群算法（PSO）简介30-32
• 3.1.1 PSO算法原理分析30-31
• 3.1.2 PSO算法流程31-32
• 3.1.3 PSO算法优缺点分析32
• 3.2 模拟退火粒子群算法（SA-PSO）改进策略32-35
• 3.2.1 SA-PSO算法改进原理32-34
• 3.2.2 SA-PSO算法的性能验证34-35
• 3.3 SA-PSO算法在多峰MPPT寻优中的控制策略35-37
• 3.4 局部阴影条件下的仿真验证37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 太阳能光伏系统结构的研究41-52
• 4.1 集中式系统研究与仿真41-44
• 4.2 分布式MPPT结构的研究44-46
• 4.3 分布式MPPT结构DC-DC变换器的设计46-50
• 4.3.1 基于BOOST电路的DC-DC变换器原理分析46-48
• 4.3.2 基于BUCK电路的DC-DC变换器原理分析48-49
• 4.3.3 双向H桥Buck-Boost电路的设计49-50
• 4.4 本章小结50-52
• 5 SA-PSO分布式MPPT的Matlab/Simulink仿真52-67
• 5.1 系统各模块的建模及参数选取52-53
• 5.2 分布式MPPT控制系统仿真及对比分析53-61
• 5.2.1 分布式MPPT控制系统设计与仿真53-55
• 5.2.2 仿真结果及对比分析55-61
• 5.3 含不同运行状态的电池分布式MPPT控制系统仿真及分析61-66
• 5.4 本章小结66-67
• 6 结论与展望67-68
• 6.1 结论67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文72

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