光伏系统最大功率点跟踪算法的研究与实现

【摘要】：在全球面临环境污染和能源危机的双重压力下，太阳能因其储量大、无污染、不受地域限制等优点正在成为世界能源组成中的重要部分。在太阳能光伏发电系统中，提高光伏阵列的转换效率是需要解决的核心问题之一，采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术可以有效解决这一问题。在MPPT控制中存在两个相互矛盾的问题：响应速度和跟踪精度，目前的研究主要集中在如何调整步长平衡这两个问题。该论文针对以上问题，立足于现有研究成果和技术，主要从以下几个方面对光伏发电MPPT算法进行了研究： （1）提出基于分数阶微分补偿的扰动观察MPPT算法，在保证响应速度的前提下提高了跟踪精度。在扰动观察法微分判断条件的前提下，引入具有独有特性的分数阶微分，将其作为一阶纯微分的辅助新信息加入判断条件。提出一阶纯微分与分数阶微分结合的方法，利用分数阶微分的滤波特性，有效地削弱功率振荡，克服跟踪精度与响应速度不能同时兼顾的缺点。同时给出所提出算法的直观理论分析。仿真结果表明，所提出的算法能有效地减小稳定运行时的固有振荡，减少跟踪过程中的功率损失，提高算法的跟踪效率。 （2）提出基于坐标变换的变步长扰动观察MPPT算法，在保证跟踪精度的前提下提高了响应速度。以光伏阵列输出特性曲线的最大功率点电压为基准，分别对其两侧电压坐标进行自然对数变换。利用自然对数非线性递增的特性，对光伏阵列输出特性曲线进行不等比例地压缩，实现步长随实时电压调整的变步长跟踪。仿真结果表明，所提出的控制算法可以实现快速起动，并能快速准确地跟踪外界环境变化，提高了光伏阵列的利用率。 （3）在光伏系统MPPT实验平台上对所提出的基于分数阶微分补偿的扰动观察MPPT算法进行实验验证，并与传统扰动观察法进行综合性能比较。实验分为室内模拟光伏阵列实验和室外普通光伏阵列实验，实验结果表明，在两种实验环境下所提出的基于分数阶微分补偿的扰动观察法比传统的扰动观察法在稳态性能上均有明显的提高。 【关键词】：光伏发电系统 最大功率点跟踪 分数阶微分 坐标变换 扰动观察法 跟踪效率
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-13
• §1.1 研究背景及意义8
• §1.2 光伏发电的现状及前景8-9
• §1.3 光伏系统 MPPT 的发展及现状9-11
• §1.4 该论文的研究内容11-13
• 第二章 光伏系统概述及 MPPT 原理13-22
• §2.1 光伏电池的数学模型13-16
• §2.1.1 光伏电池的基本原理13
• §2.1.2 光伏电池的等效模型13-15
• §2.1.3 光伏电池的工程用模型15-16
• §2.1.4 光伏电池的仿真模型16
• §2.2 光伏电池的输出特性分析16-18
• §2.3 光伏系统 MPPT 原理18-21
• §2.3.1 光伏系统 MPPT 组成18-19
• §2.3.2 MPPT 跟踪过程及原理19-20
• §2.3.3 最大功率点判断条件20-21
• §2.4 该章小结21-22
• 第三章 基于分数阶微分补偿的扰动观察 MPPT 算法22-35
• §3.1 扰动观察法的原理及存在的问题22-24
• §3.2 分数阶微分的特性及 P-U 曲线的分数阶微分24-27
• §3.2.1 分数阶微分的特性25-26
• §3.2.2 P-U 曲线的分数阶微分26-27
• §3.2.3 P-U 曲线分数阶微分与一阶微分的关系27
• §3.3 基于分数阶微分补偿的扰动观察法 MPPT 算法研究27-34
• §3.3.1 算法定性分析27-29
• §3.3.2 算法定量分析29-31
• §3.3.3 系数选定31
• §3.3.4 仿真结果31-34
• §3.4 该章小结34-35
• 第四章 基于坐标变换的变步长扰动观察 MPPT 算法35-47
• §4.1 变步长扰动观察法35-37
• §4.2 固定电压法结合扰动观察法37-39
• §4.3 基于坐标变换的变步长扰动观察 MPPT 算法研究39-42
• §4.3.1 P-U 特性曲线变换39-41
• §4.3.2 变步长的计算41-42
• §4.4 仿真结果42-46
• §4.4.1 与固定电压法结合扰动观察法跟踪过程对比43-44
• §4.4.2 与变步长扰动观察法跟踪过程对比44-46
• §4.5 该章小结46-47
• 第五章 基于光伏系统 MPPT 实验平台的控制策略研究47-66
• §5.1 光伏系统 MPPT 实验平台简介47-51
• §5.1.1 硬件实验平台47-50
• §5.1.2 软件开发平台50-51
• §5.2 软硬件参数选择与设计51-53
• §5.3 实验评价标准与环境条件53-54
• §5.3.1 实验评价标准53
• §5.3.2 实验环境条件53-54
• §5.4 扰动观察法实验结果54-58
• §5.4.1 室内跟踪实验54-56
• §5.4.2 室外跟踪实验56-58
• §5.5 基于分数阶微分补偿的扰动观察 MPPT 算法实现58-63
• §5.5.1 室内跟踪实验58-59
• §5.5.2 系数选择对实验结果的影响59-62
• §5.5.3 室外跟踪实验62-63
• §5.6 跟踪特性综合对比分析63-64
• §5.7 该章小结64-66
• 第六章 总结与展望66-68
• §6.1 论文总结66-67
• §6.2 工作展望67-68
• 参考文献68-73
• 致谢73-74
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果74

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