局部阴影下的光伏阵列MPPT算法研究--《浙江大学》2014年硕士论文
局部阴影下的光伏阵列MPPT算法研究
【摘要】：能源是人类社会发展的物质基础和动力来源。一方面世界经济的高速发展以及世界人口的持续增长,使得能源的总需求量正以惊人的速度增长；另一方面全球的化石燃料储量日益减少,并存在枯竭的危机。此外,化石燃料的大量使用造成了严重的环境问题。所以开发利用绿色可再生能源迫在眉睫。光伏发电是新兴的可再生能源技术,以其自身特点得到了人们的关注。本文以光伏发电系统作为研究对象,以获得遮阴下的光伏阵列的最大输出功率为研究目标。从以下几个方面做了具体的研究。
1)基于matlab simulink搭建了光伏电池以及Boost电路的仿真模型。分析了光伏电池以及遮阴光伏阵列的输出特性曲线的变化规律,为遮阴光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)算法设计做准备。实测了两种天气下的光伏电池的峰值点数据,实测数据具有的规律与仿真分析的结果具有较好的一致性。
2)对比分析了四种传统的MPPT算法,包括恒定电压法、扰动观察法、增量电导法以及模糊逻辑控制法。在算法分析的过程中,为后三种算法设计了不同的变步长控制策略,并对它们各自的控制效果作了仿真分析。本文介绍了一种基于人工神经网络通过实测数据生成模糊逻辑控制规则的方法,为模糊控制规则的在线生成提供了条件。
3)存在局部阴影时,光伏阵列的功率-电压特性(P-V)曲线出现多个极值点、电流-电压(I-V)特性曲线呈现阶梯状,这使得基于单峰寻优的传统MPPT算法失效。为此,本文在研究遮阴光伏阵列输出特性规律的基础上,提出了一种具有全局搜索能力的MPPT算法。该算法先用粒子群优化(PSO)算法将输入位置调整到全局最优附近,再用变步长电导增量法得到全局最优解。新的算法在减轻系统振荡和加快搜索速度方面做了改进。仿真结果表明,该方法不仅较好地克服了现有算法使用PSO大幅度随机初始化粒子位置而导致的系统振荡问题,而且有效利用传统单峰寻优算法的优点,增强了系统搜索的快速性和稳定性,取得了较好的控制效果。
4)本文最后对小型光伏发电系统的硬件电路进行了设计。采用软开关技术实现的Boost电路提高了功率电路的转换效率。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM615;TP18【目录】：
致谢5-6摘要6-8ABSTRACT8-10目录10-13图目录13-15表目录15-16第1章 绪论16-22 1.1 课题研究的背景及意义16-17 1.2 课题的研究现状17-18 1.3 本文的主要工作和章节安排18-22第2章 光伏系统仿真模型22-36 2.1 引言22 2.2 光伏电池建模和仿真22-29
2.2.1 光伏电池数学建模22-24
2.2.2 光伏电池仿真模型24
2.2.3 光伏电池的输出特性24-26
2.2.4 遮阴光伏阵列的输出特性26-29 2.3 DC/DC变换器29-32
2.3.1 常见DC/DC电路简介29-31
2.3.2 Boost电路的建模和仿真31-32 2.4 实验验证32-34 2.5 本章小结34-36第3章 经典MPPT控制算法及仿真分析36-54 3.1 引言36 3.2 光伏阵列MPPT原理36-37 3.3 几种常规MPPT算法介绍37-43
3.3.1 恒定电压法37-38
3.3.2 扰动观察法38-39
3.3.3 增量电导法39-41
3.3.4 模糊逻辑法41-43 3.4 常规MPPT算法的仿真43-52
3.4.1 恒定电压法的仿真44-45
3.4.2 扰动观察法的仿真45-46
3.4.3 增量电导法的仿真46-47
3.4.4 INC变步长策略说明47-49
3.4.5 模糊逻辑法的仿真49-50
3.4.6 神经网络确定模糊控制规则50-52 3.5 本章小结52-54第4章 遮阴下的光伏阵列全局MPPT算法研究54-68 4.1 引言54 4.2 智能算法在光伏阵列MPPT中的应用54-56 4.3 基于改进PSO算法的全局MPPT算法研究56-60
4.3.1 粒子群算法简介56-57
4.3.2 PSO算法实现全局MPPT的参数设计57-58
4.3.3 PSO算法实现全局MPPT的几点改进58-60 4.4 仿真分析60-66
4.4.1 静态遮阴下的全局最大功率点跟踪60-62
4.4.2 动态遮阴下的全局最大功率点跟踪62-63
4.4.3 传统方法在动态遮阴下的跟踪63-66 4.5 本章小结66-68第5章 小型光伏发电系统的硬件电路设计68-76 5.1 引言68 5.2 功率电路的设计68-71
5.2.1 Boost电路分析与设计68-71 5.3 控制电路的设计71-74
5.3.1 DSP2812控制器简介71
5.3.2 驱动电路的设计71-72
5.3.3 采样电路的设计72-73
5.3.4 电源电路的设计73-74 5.4 本章小结74-76第6章 小结和展望76-78 6.1 研究工作小结76-77 6.2 进一步研究的展望77-78参考文献78-82附录 攻读硕士学位期间的研究成果及作者简介82
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京公网安备75号科技信息○科教前沿○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010年第31期
局部阴影条件下光伏电池输出特性实验研究
周俊冬马明
（南通广播电视大学江苏南通
【摘要】光伏电池在运行期间容易受到周围建筑物、树木和电线杆以及天空中的乌云等影响，导致输出特性变坏，能量输出能力降低。本文根据光伏电池的数学模型，搭建具体系统，对阴影遮盖条件下光伏电池输出特性进行了研究。实验结果表明：阴影对电压、电流影响很大且不成比例，当阴影遮盖面积超过1/2后光伏电池输出功率降到原来的1%。
【关键词】光伏电池；输出特性；局部阴影
ExperimentalStudiesonOutputFeaturesofPVCellsWithPartialShading
ZHOUJun-dongMAMing
（NantongRadioandTVUniversity,NantongJiangsu,226006,China）
【Abstract】ThePVcellsareeasytocomedowntheinfluenceofsurroundingsbuilding,trees,telephonepole,darkcloudintheskyandsooninmovementperiod,whichcausesoutputfeaturesgoesbadandtheabilityaboutoutputofenergygetsdown.Thepaperbuildsconcretesystem,doestheresearchofoutputfeaturesofPVcellswithpartialshadingbasedonthemathematicalmodelaboutPVcells.Theexperimentalresultindicatedtheshadowaffectvoltageandelectriccurrentseriouslyanddifferingsomuchastobebeyondcomparison,theoutputpowerreducesto1%withtheareaundershadowsurpasses1/2.
【Keywords】PVcells；Outfeatures；Partial
太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是光伏电池。太阳能的利用和光伏电池的特性研究是21世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。
光伏电池作为太阳能光伏发电系统的基本发电单元，容易受到周围建筑物、树木和电线杆以及天空中乌云等的影响，导致电池特性变坏，能量输出能力降低，甚至形成热斑，损坏电池[1]。因此，为了了解光伏电池的输出特性，提高光伏发电系统的使用效率，有必要研究局部阴影条件下光伏电池的输出特性。
——电子电荷(1.6×10-19C)；K———玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T———q—
绝对温度(T=t+273K)；A-PN结理想因子；Rsh———光伏电池并联电阻；——光伏电池串联电阻。此外，Rs—
所以，综合式（1）、（2）、（3）可得：
I=Iph-I0exp
q（v+IR）V+IR
光伏电池的实验系统
1光伏电池的数学模型
当光照恒定时，由于光生电流Iph不随光伏电池的工作状态而变
化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上，产生一股与光生电流方向相反的电流Id。此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻Rs。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大都在10-3欧至几欧之间。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Rsh来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在1K欧以上。太阳能光伏电池的等效电路如图1所示。
图1太阳能光伏电池等效电路
由太阳能光伏电池等效电路可得出：
（1）I=Iph-Id-Ish
其中I———流过负载的电流；Iph———与日照强度成正比例的光生电流；Id———流过二极管的电流；Ish———太阳能光伏电池的漏电极。而
q（v+IRS）
（2）Id=I0exp-1
上式中，I0———反向饱和电流（一般而言，其数量级为10-4A）;
太阳能光伏电池：
标称参数：
最大功率：160W开路电压：43.5V短路电流：5A
最大功率点电压：35.5V最大功率点电流：4.5A
2.2其它设备：电流表，电压表，划线变阻器，导线2.3地理条件：北纬32.23，东经119.26，海拔7.5米2.4电池方位角的选择：
所谓方位角一般是指东南西北方向的角度，对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为0°，顺时针方向（西）取正（如＋45°），逆时针方向（东）取负（如－45°）。
一般来说，电池的方位角取正南方向（0°），以使电池的单位容量的发电量最大。如果受电池设置场所，如屋顶、土地、山、建筑物的阴影等的限制时，则考虑与屋顶、土地、建筑物等的方位角一致，以避开山、建筑物等的阴影的影响。例如在已有的屋顶上设置时，为了有效地利用屋顶的面积应选择与屋顶的方位一致。如果旁边的建筑物或树木等的阴影有可能对电池阵列产生影响时，则应极力避免，以适当的方位角设置。另外，为了满足昼间最大负载的需要，应将电池阵列的设置方位角与昼间最大负载出现的时刻相对应进行设置。因此，电池的方位角可以选择南向、屋顶或土地的方位角、避开建筑物或树木等阴影的角度以及昼间最大负载出现时的时角等。2.5电池倾斜角的选择：
倾斜角为水平面与电池组件之间的夹角，倾斜角0°表示电池组件为水平设置，90°则表示电池组件为垂直设置。最理想的倾斜角可以根据电池年间发电量最大时的年间最大倾斜角来选择。但是，在已建好的屋顶设置时则可与屋顶的倾斜角相同。有积雪的地区，为了使积雪能自动滑落，倾斜角一般选50°～60°。所以，电池阵列的倾斜角可以选择年间最大倾斜角、屋顶的倾斜角以及使雪自动滑落的倾斜角等。
2.6搭建的试验系统基本电路
2010年第31期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION○科教前沿○科技信息
从上向下遮挡数据曲线图
3实验数据及处理分析
测量在有阴影情况下，随着阴影面积的变化，光伏电池的输出电流、输出电压及功率的变化情况。3.1从右向左遮挡：
表1阴影对电池的影响(倾角：45°，负载为12.1Ω左右)
阴影情况电压(v)电流(A)
本文选取160W多晶硅光伏电池组件，对其在遮挡情况下进行了大量实验。由实验结果可知：阴影对电压、电流影响很大且不成比例，以致对光伏电池输出功率造成巨大影响，当阴影遮盖面积超过1/2后光伏电池输出功率降到原来的1%。实验结果也为深入了解光伏电池的运行特性和未来更好地利用光伏电池进行发电奠定了基础。科
1/4被遮挡15.01.51
1/2被遮挡14.21.37
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作者简介：周俊冬（1978—），男，汉族，江苏南通人，南通广播电视大学教师，主要研究方向为汽车技术研究及应用。
通讯作者：马明（1983—），男，汉族，江苏宿迁人，硕士，南通广播电视大学教师，主要研究方向为智能控制理论及应用。
从上向下遮挡：
表2阴影对电池的影响(倾角：45°，负载为12.1Ω左右)
阴影情况电压(v)电流(A)
表2可获得以下曲线。
图3从右向左遮挡数据曲线图
［责任编辑：曹明明］
（上接第91页）学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于±10mm，因此可以满足加密施工控制网的精度要求。3.2GPS的动态测量（rtk）在新建工程的应用
东京大道新建工程周围地势起伏较大，在北城墙外jd4～jd5区间穿越五十公顷面积的国家森林公园，用全站仪和测距仪通过导线形式完成了该路段进行了控制测量。该路段实施GPS的rtk动态测量，对中线进行恢复和校核。
以已知控制点jd4、jd5为基准点，然后在基准点jd4上架设GPS基准台，用GPS1h和gps2两台天宝（trimble）4800GPS接收机分别安置在控制点上，测出点hz4、zd7、zd8、zd9、zd10、zh5、的三维坐标，每点测量时间为5s。根据所测坐标计算出相应边长值。
为验证市勘察设计院2000年的对东京大道新建工程在控制测量的精度，我们分别以jd4和jd5为基准站对国家森林公园周围原加密的控制点）a、b、c、d、e也进行了rtk测量，进行了坐标比较。运用gps测量的基线有14条，边长差值最大为16mm。控制点坐标测量点数7点，除e点发现有人为的破坏痕迹外，三维坐标能够比较的元素有27个，差值小于施工测量规范规定的要求，从以上比较可知，rtk测量可以用
于工程的控制测量是非常有效的新技术。原来10人20天的外业任务，使用GPS测量能大大提高作业的效率，减轻劳动强度。
通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：
4．1GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制。4．2GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。
4．3gpsrtk技术将彻底改变公路测量模式。rtk能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。
4．4GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。
4．5GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。科
［责任编辑：常鹏飞］
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因此 , 为了了解光 伏电池的输出特 性,提高光伏发电系统的使用效率,有必要研究局部 阴影条件下光伏电池的输出特性 。 —— 电子电荷 (6×10-19c) ;k— —.........
局部阴影条件下光伏电池输出特性实验研究_专业资料。光伏电池在运行期间容易受到周围......
局部阴影遮挡下太阳电池串联组输出特性实验研究打印_电子电路_工程科技_专业资料...北京大学出版设. 【11】刘邦银,段善旭,康永.局部阴影条件下光伏.........
毕业设计(论文)开题报告 题 目 局部阴影遮挡下太阳电池输出 特性实验研究 专班...并联了旁路二极管的光伏模组,在局部阴影条件下 pv 特性曲线可能出现多 个极点, .........
局部阴影遮挡条件下 光伏组件输出特性的探究 摘要:通过对光伏组件不同位置进行遮挡的实验,得到不同阴影条件 下的 i-v 曲线,并对所得数据进行对比分析,探究阴影.........
局部阴影条件下光伏阵列输出特性方程研究_电力水利_工程科技_专业资料。局部阴影...文献[5-7]只研究了阴影对单个电池板的 影响,并没有考虑光伏阵列在阴影条件下.........
24 no. 5 may, 2012 本文以工程用太阳能电池的电流方程为基础, 建立局部 阴影条件下光伏阵列的仿真模型。基于该模型,对阴影条件 下光伏阵列的输出特性进行仿真.........
并对其进行实验验证, 证明所建模型能 较好地描述阴影条件下光伏阵列的输出特性。...ns1 1 局部阴影条件下光伏阵列的建模在实际应用中,太阳电池板生产厂家通常仅为 .........
只是研 究了局部阴影下光伏电池板的输出特 性, 并没 有考 虑光 伏阵列 的运 行 特性 。虽 然对 阴影 条件 阵列 的输 出特性 进行 了分 析,但并没 有.........
局部阴影条件下光伏模组特性的建模与分析_能源化工_工程科技_专业资料。太阳电池阴影遮挡维普资讯 http: 第 2卷9 第2 期 太 阳 能 学 报 .........
基于神经网络的光伏阵列局部阴影建模研究张杰, 王宏华, 韩伟 ( 河海大学 能源与电气学院,江苏 南京 211100) 摘 要:在局部阴影条件下,光伏阵列的输出特性将发生.........
伏屋顶系统、光伏幕墙系统等),尤其是局部阴影问题的出 现,光伏阵列的输出特性...通过理论分析、计 算机仿真及系统实验等方法, 研究阴影分布的影响, 提出在 .........
根据光伏电池的 工程应用模型,结合串并联电路的原理,建立了 光伏阵列在局部阴影条件下的数学模型 , 研究光伏阵列在局部遮挡情 况下的输出特性与阴影数量 、 阵列.........
第5期 钱念书 ,等: 光伏电池建模及其输出特性研究 79 本质进行描述 , 而是...因此 , 在实际光伏系 统中 我们应考虑局部阴影条件下光伏阵列的最大 功率点.........
局部阴影条件下光伏阵列数学模型研究_数学_自然科学_专业资料。第1 3卷第 3期...光伏 阵列的,_u特性呈现 阶梯 状、p- u特性存在 多峰 值 以及 输出曲线.........
实现全局最大功率点的追踪,文献[5]提出了基于导 局部阴影条件下光伏阵列输出特性为了限制局部阴影情况下的热斑效应[9--o].往往 会给光伏电池反并联一个旁路.........
局部阴影条件下光伏发电系统的优化设计_机械仪表_...以下试验通过多块 光伏 组件 (3)设计过程 中要 ...得出 电池 组件在不同遮挡情况下伏安特征曲线} , .........
局部阴影条件下的光伏阵列建模与特性仿真_专业资料。在光伏阵列数学模型的基础上,推导了局部阴影条件下的光伏阵列数学模型,并在matlabsimulink软件上进行了3种典型局部.........
[url]ki.netkcmsdetails.html 局部 阴影条件 下光伏 电池 多峰值最大 功率点控制策略 赵 玉林 ,张冬梅 ,马文.........
主要内容:在局部阴影遮挡光伏阵列输出特性实验研究的基础上,建立能准确描述阴 影遮挡时光伏阵列数学模型,通过 matlab 软件编程研究阴影情况下光伏阵列的输出特 性与.........
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只是研 究了局部阴影下光伏电池板的输出特 性, 并没 有考 虑光 伏阵列 的运 行 特性 。虽 然对 阴影 条件 阵列 的输 出特性 进行 了分 析,但并没 有.........
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