基于状态空间的光伏MPPT控制方法及性能分析
发布时间：2020-11-03 07:27
太阳能是一种无污染、取之不尽用之不竭的新能源,太阳能发电在解决人类面临的能源危机和环境污染问题中占据重要的角色。本文主要研究DC-DC转换器的控制器参数设计以及在阴影遮挡等复杂情况下的最大功率点跟踪技术(Maximum Power Point Tracking,MPPT)问题。本文对光伏发电系统进行分析、DC-DC转换器建模、MPPT控制方法研究以及实验平台的搭建。本文主要研究内容如下:(1)首先对光伏电池的基本原理进行详细分析,根据理论知识搭建光伏电池的数学模型,并建立了数值仿真模型。在模拟环境条件下对光伏电池进行仿真,分析其输出特性,因为光照强度、环境温度和湿度的影响,所以光伏电池的输出呈现出I-V和P-V非线性曲线。最后介绍了几种常见的MPPT算法并分析其优缺点。(2)光伏电池在电压输出的时候受到环境因素的影响,研究调节光伏电池输出。首先对Buck电路进行分析,MOS管导通与断开使Buck电路拥有两种工作模式,此时DC-DC转换器的数学模型是一个非线性、时变的;其次,通过状态空间平均法进行数学建模,将DC-DC转换器的数学模型转变成一个线性的状态方程,从而可以使用控制理论对其控制与分析。最后根据光伏发电系统搭建了一个数值仿真模型,为进一步研究电压控制器和MPPT算法提供模拟实验平台。(3)通过研究光伏发电系统中的Buck电路的瞬态响应和稳态响应,得出其鲁棒性极差。分别对PI和PID补偿器进行分析,得出该补偿器不适合作为该系统的补偿器。通过提出Lead-Lag 进行补偿器的参数设置算法,比较实验结果,最终得到理想的补偿器参数,使得系统的瞬态响应和稳态响应达到指定的标准。在改善后DC-DC转换器基础上提出一种改进的变步长扰动观察法,在阴影遮挡的情况下快速实现最大功率点跟踪。通过MATLAB/Simulink来验证MPPT控制方案的可行性和有效性。(4)采用Buck降压型转换器作为MPPT控制板的硬件电路,团队基于STM32F103ZET6微处理器发开一台微型光伏电站模拟仪,通过MPPT主控板对DC-DC转换器进行控制,实现MPPT算法。实验证明,设置参数后的补偿器改善了 DC-DC转换器输出特性,并且优化了最大功率点跟踪,有效的提高了光伏电池的发电效率。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
?（ｂ）?２０１７?年??图Ｕ中国一次能源消费占比??通过对比图１．１（ａ）、１．１（ｂ）可知，化石能源占据着主要地位，但是占比在逐渐减少。而非??化石能源占比在逐渐增加。从图中可以发现中国在大力的发展清洁能源，为了缓解能源危机??和环境问题做出自己的贡献［７］。??太阳能是当今社会最具有发展和应用前景的可再生新能源［８］。太阳能相对其他化石能源??１??
二极管通过。这样可以避免正常光伏电池板受到有故障的光伏电池板的消耗而影响功率输出，??也可避免由于故障发生持续产热而造成严重后果。??光伏电池拓扑结构如图１．３所示。从图中可知，电池板可以串联也可以并联。根据实际需??求改变电池板的拓扑结构，从而满足实际需求。在每一块的光伏电池板两端并联一个旁路二??极管。当光伏组件中某一块发生故障后电流可以从旁边二极管通过，并且还有防倒流的作用。??当电池板出现故障时，故障的电池板就会被短路掉，电流就会从并联的二极管流过，从而就??不会影响其他的电池组件。??５??
不同的材料会直接影响光生伏打效应的转换率。由于半导体中ＰＮ结转换效率较高，所以现在??大部分光伏电池选用半导体作为材料，如单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多晶硅太??阳能电池等都是半导体材料［４１］。光伏电池工作原理如图２．１所示。??在没有光照的情况下如图２．１（ａ）所示，正负电子在半导体材料中随机分布。正负电子保持??平衡状态，中间形成一个消耗层，存在由Ｎ区指向Ｐ区的电场。当有太阳光照射的情况下，??电池内的原子将会吸收大量带有能量的光子，这些原子在力的作用下造成了带有正电荷的空??穴和带有负电荷的空穴。这些电子空穴对在受到电场影响，带有不同电荷的离子分别向Ｐ区??和Ｎ区移动。其负电子将会越过平衡线，移动到Ｎ区；而正电荷将会移动到Ｐ区。Ｎ区和Ｐ??区在光照下不断积累正负电子形成Ｐ－Ｎ结，从将半导体材料中上电极和下形成电势差，产生电??压，这就是“光伏效应”。图２．１（ｂ）就是半导体材料受到太阳光照射时，带正电的空穴，向Ｐ??区移动；带负电的电子
【参考文献】
本文编号：2868275
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
?（ｂ）?２０１７?年??图Ｕ中国一次能源消费占比??通过对比图１．１（ａ）、１．１（ｂ）可知，化石能源占据着主要地位，但是占比在逐渐减少。而非??化石能源占比在逐渐增加。从图中可以发现中国在大力的发展清洁能源，为了缓解能源危机??和环境问题做出自己的贡献［７］。??太阳能是当今社会最具有发展和应用前景的可再生新能源［８］。太阳能相对其他化石能源??１??
二极管通过。这样可以避免正常光伏电池板受到有故障的光伏电池板的消耗而影响功率输出，??也可避免由于故障发生持续产热而造成严重后果。??光伏电池拓扑结构如图１．３所示。从图中可知，电池板可以串联也可以并联。根据实际需??求改变电池板的拓扑结构，从而满足实际需求。在每一块的光伏电池板两端并联一个旁路二??极管。当光伏组件中某一块发生故障后电流可以从旁边二极管通过，并且还有防倒流的作用。??当电池板出现故障时，故障的电池板就会被短路掉，电流就会从并联的二极管流过，从而就??不会影响其他的电池组件。??５??
不同的材料会直接影响光生伏打效应的转换率。由于半导体中ＰＮ结转换效率较高，所以现在??大部分光伏电池选用半导体作为材料，如单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多晶硅太??阳能电池等都是半导体材料［４１］。光伏电池工作原理如图２．１所示。??在没有光照的情况下如图２．１（ａ）所示，正负电子在半导体材料中随机分布。正负电子保持??平衡状态，中间形成一个消耗层，存在由Ｎ区指向Ｐ区的电场。当有太阳光照射的情况下，??电池内的原子将会吸收大量带有能量的光子，这些原子在力的作用下造成了带有正电荷的空??穴和带有负电荷的空穴。这些电子空穴对在受到电场影响，带有不同电荷的离子分别向Ｐ区??和Ｎ区移动。其负电子将会越过平衡线，移动到Ｎ区；而正电荷将会移动到Ｐ区。Ｎ区和Ｐ??区在光照下不断积累正负电子形成Ｐ－Ｎ结，从将半导体材料中上电极和下形成电势差，产生电??压，这就是“光伏效应”。图２．１（ｂ）就是半导体材料受到太阳光照射时，带正电的空穴，向Ｐ??区移动；带负电的电子
【参考文献】
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本文编号：2868275
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