光伏并联最大功率点跟踪系统独立应用程序外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

光伏并联最大功率点跟踪系统独立应用程序

摘要：本文介绍了用于独立光伏发电的并联最大功率点跟踪（MPPT）系统的分析，设计和实现。MPPT系统的并联连接减少了功率转换器损耗在整体效率中的负面影响，因为MPPT系统仅处理所产生的功率的一部分。此外，经典串联MPPT中使用的所有控制算法都可以应用于并行系统。针对MPPT实现提出了一种简单的双向DC-DC功率转换器，并提出了电池充电器和升压转换器的功能。通过在实际应用中实现原型来分析所提出的电路的操作特性。

关键词：DC-DC电源转换，光伏（PV）电源系统，太阳能。

1. 介绍

随着社会对化石燃料的广泛使用对环境影响的日益增强的认识，全球能源需求的持续增长导致了对可再生能源的探索，例如光伏（PV）技术。虽然PV能源在过去几十年中受到了相当多的关注，但PV系统的高安装成本和PV模块的低转换效率是大规模使用这种替代能源的主要障碍。因此，正在开发一些研究以尽量减少这些缺点。为了提取光伏阵列的最大功率，独立系统中最大功率点跟踪（MPPT）的经典实现通常通过光伏阵列与负载之间的串联DC-DC转换器来实现，或者能量储存元件。考虑到在串联连接中，DC-DC转换器始终处理所有产生的功率，PV系统的总效率在很大程度上取决于该系列DC-DC转换器的效率。作为这种配置的替代方案，本文提出了一种基于DC-DC转换器并联的MPPT系统。有了这个配置，只有一部分产生的能量由DC-DC转换器处理，与串联配置相比，可以提高PV系统的总效率。

本文介绍了并联MPPT系统实验室原型的工作原理，理论分析，设计方法和实验结果。

1. MPPT在独立的光伏系统中
2. 太阳能电池输出特性

PV模块的最大功率随气候条件而变化，电流（Impp）和电压（Vmpp）只有一个值，它定义了最大功率点（MPP），如图所示图1 。PV电流随着太阳辐射水平而变化，而PV输出电压随PV模块的温度而变化。因此，PV系统中的一个重要挑战是确保PV阵列的最大能量产生，其输出特性的动态变化和可变负载的连接。该问题的解决方案是在PV阵列和负载之间插入功率转换器，其可以通过使用控制算法动态地改变电路的阻抗。因此，可以在任何操作条件下获得MPP操作。

B.MPPT的串联连接

MPPT的经典实现是源和负载之间的DC-DC转换器的串联连接，如图2所示，它具有电池充电器和MPPT的功能。

为了从MPPT获得良好的动态性能，开发了不同的控制算法。利用从PV阵列提取的实际功率的数据，其通过测量PV阵列中的电压和电流而获得，这些算法的任务是改变转换器占空比以便达到MPP。

MPPT算法的实际实现通常通过使用微控制器或DSP的数字系统来完成。

如图2所示，直流负载可以直接从电池组供电。如果需要提供交流负载，必须使用升压型DC-DC转换器，以便将电池组电压增加到所需的直流总线电平，这对于产生110/220 V交流 输出电压是必要的。

直流-交流转换器。由于有多个转换器与此配置串联，因此其整体效率在很大程度上取决于每个转换器的效率。因此，必须优化每个级的效率以避免效率的过度降低，这将增加实施成本和PV模块的数量。

C. MPPT的并联连接

图3示出了基于并行MPPT系统实现独立PV发电的替代方案。MPPT电路的并联连接在[9]中介绍，这种配置的主要优点是DC-DC转换器仅处理所产生功率的一部分，与串联配置相比，可实现更高的效率。根据DC这一概念，本文提出了一种集成电源电路，具有以下多种功能：电池充电，电池调节器和升压转换器。当负载电流值等于PV模块MPP电流值（Impp）时，最佳运行条件发生，其中DC-DC转换器不处理功率。

根据直流负载电压水平，直流负载可以与PV模块（“DC负载-1”）并联连接和/或与电池组并联（“DC负载-2”）。然而，PV模块的电压电平高于电池电压。如果系统还必须提供交流负载，则可以将直流-交流转换器与PV并联模块，如图3所示。在这种情况下，输出变压器可用于产生标称交流电压，或者可以串联连接添加额外的PV模块，以获得产生所需的直流电压电平标称交流电压。可以看出，与串联独立系统相比，在所提出的并联独立系统中消除了PV模块和输出逆变器之间的两个转换级。

这可以表示系统的整体效率和可靠性的显着增加，除了能够降低所使用的电子系统的成本之外。另一方面，更多数量的PV模块的串联连接将显着减少所产生的能量，并且可能使得在一个或多个PV模块的阴影/缺陷的情况下难以获得MPP。

两个不同日照条件下两个光伏组件的输出特性如图4所示。黑色曲线表示模块在太阳总辐照下工作的输出特性，灰色曲线表示阴影模块的输出特性。太阳辐射。图5示出了串联连接的PV模块的等效输出特性，其中一个模块利用部分太阳辐射进行操作。除了最大功率的降低之外，由于存在两个功率峰值，经典MPPT算法可能难以达到MPP。图6所示的配置不仅可以产生高直流电压，还可以解决PV模块串联连接的问题。建议平行MPPT电路呈现模块化特性，两个或多个电路可串联连接，获得高直流电压。每个MPPT电路可以提供个性化的MPPT，减少PV模块的阴影/故障的影响并最大化系统产生的能量。

iii.建议的MPPT控制器

A.电源电路操作

为了验证图7所示的所提出的并联MPPT系统的操作特性，仅考虑与PV模块并联连接的直流负载（图3，“DC负载-1”）。它由电池组存储能量，（C）电容器，（L）电感器和功率半导体支路（S1 D1 和S2 D2）组成。双向转换器在电池充电模式下用作降压转换器，在电池必须为负载供电时用作升压转换器（Rl）或当负载能量需求高于产生的能量时。转换器占空比由串联MPPT中使用的相同控制算法生成。提出了所提出的转换器的操作分析以用于硬切换脉冲宽度调制。但是，必须强调的是，通过使用软开关技术可以提高电源电路的效率[14]，[15]。

1. 降压操作模式：图8显示了降压操作模式期间发生的两个拓扑级。电池组电压必须低于PV模块电压才能正常工作。当产生的能量足以供应负载时，超过的能量用于给电池充电。当电源开关S1 接通时，电感器L存储能量，并且能量从PV模块流到电池组。当电源开关S1 断开时，二极管D2导通，并且存储在电感器L中的能量被传递到电池。开关的指令信号是互补的，因此，开关S2在二极管D2导通期间导通。
2. 升压运行模式：如果MPP产生的能量不足以为负载供电，则电力系统作为升压转换器运行，将能量从电池转移到负载。在这种情况下，当开关S2 接通时，电感器L存储来自电池的能量，如图9所示。当开关S2 关闭时，存储在电感器中的能量被传输负载。图10示出了降压和升压操作中的功率开关S1（Vcs1）和S2（Vcs2）和电感器电流波形（Il）的命令信号。

所提出的具有双向电源电路的并行MPPT系统的最大优点是如图7所示，其是在单个成本有效的转换器中集成多个功能，其结合了简单性，可靠性和低成本。该系统的多种功能如下：电池组充电器，即当光伏阵列产生的能量高于负载消耗时;MPPT控制器，用于从光伏阵列中提取最大能量;和升压DC-DC转换器，即当光伏阵列的能量不足以供给负载时。控制算法确保MPP上的PV模块的操作，实现MPPT功能。

数字控制系统也观察电池充电状态，避免电池过充电或过度放电，以延长电池寿命。

B.系统运行模式

并行MPPT系统的基本电路可以考虑气候条件和负载变化呈现五种操作模式。图在图11-15中，示出了操作模式，并且为了简化的目的，PV模块由电流源（If）表示。

1) 无负载运行（Ic = 0） - 模式1（图11）：未连接负载时，电池充满PV模块电流（If = Ib和Ic = 0）。MPPT算法确保转换器电流（Ib）等于PV模块MPP电流（Impp）。

另外，电池和电容器电压之和（Vb Vc）等于PV模块MPP电压（Vmpp）。该系统用作降压转换器以对电池充电。

1. 负载电流低于MPP电流的操作（Ic lt;Impp） - 模式2（图12）：如果负载电流值（Ic）低于PV模块MPP电流（Impp），PV模块产生的能量的一部分用于为负载供电，另一部分用于为电池充电。控制算法保持负载电流和转换器电流之和等于MPP电流(If = Impp = Ic Ib).该系统用作降压转换器以对电池充电。

3) 负载电流等于MPP电流的操作（Ic = Impp） - 模式3（图13）：当负载电流值（Ic）等于PV模块MPP电流时（Impp），由DC-DC转换器处理的功率为零。在这种情况下，电力系统的效率可以被认为接近100％，因为PV模块的最大功率被传输到负载而无需DC-DC转换器的任何功率处理。

4) 负载电流高于MPP电流的操作（Ic gt; Impp） - 模式4（图14）：如果负载电流值（Ic）高于PV模块MPP电流（Impp），PV模块产生的所有能量都提供给负载。补充所需的额外功率负载功率必须由DC-DC转换器提供。控制算法将PV模块电流维持在MPP（If = Impp = Ic Ib）。在此操作模式期间电池放电，并且DC-DC转换器用作升压转换器。

5) 无太阳辐射操作（If = 0） - 模式5（图15）：DC-DC转换器在运行期间为负载供电，无需太阳辐射或遮挡。在这种情况下，MPPT算法被禁用，并且数字电压控制环路调节负载电压。

在此操作模式期间电池放电，并且dc-dc转换器用作升压转换器，考虑电池作为输入源。控制系统还验证电池放电状态，并在电池电量达到最低限值时关闭dc-dc转换器。

C.控制算法

该系统的控制策略由不同的算法组成，必须控制MPPT过程（操作模式1,2和4），电池组的充电过程（操作模式1和2），以及输出电压调节（操作模式5）。

1. MPPT算法：监控PV电压和电流，并且可以像串联系统一样控制PV功率。有许多研究分析了不同MPPT算法的能量效率，文献[4] - [8]提出了几种不同性能的控制算法。必须在并联连接的MPPT系统中不会出现负载不连续的情况下发生不同操作模式之间的转换。对于串联系统，MPPT算法的收敛时间通常并不重要，因为气候转换以高恒定时间发生，并且因为负载连接到电池组。然而，快速收敛MPPT算法的使用对于并联系统是重要的，以便最小化输出电压随负载变化的瞬态。由于MPPT算法的分析不是本文的重点，因此采用了扰动和观测方法，控制算法如图16所示.PV模块电压Vf(n) 和电流If(n) 的样本）用于计算瞬时功率Pf(n)。将在最后一次迭代Pf(n) 中获得的功率与在先前迭代Pf(nminus;1)中计算的功率进行比较。另外，将最后一次迭代D(n) 的占空比值与先前的占空比D(nminus;1) 进行比较，以确定转换器占空比是否必须增加或减少以便达到MPP。

2）电池充电控制：当PV模块产生能量时，MPPT算法处于活动状态并保持PV模块以最大功率运行。如果PV电流高于负载电流，则电池组将充电这些电流之间的差值。PV模块在最大电流值处呈现电流源输出特性，如图1所示。因此，如果在电池组的设计中考虑最大PV电流，则不需要电流控制环来限制最大值电池充电电流。当系统以最大的太阳辐射和无负载运行时发生最高电池充电电流。当PV产生的能量低于负载需求时，电池组提供必要的额外能量。因此，充电或放电电池电流由MPPT算法控制。在MPPT算法的操作期间，验证电池的充电状态，并且当充电状态达到其最低水平时，电池放电功能被禁用，并且系统被关闭。另外，当电池充电状态达到其最高限制水平时，MPPT算法被禁用，并且输出电压控制环被启用（操作模式5）。在这种情况下，恒压控制环路所采用的参考电压必须定义一个接近PV MPP电压但更高的输出电压，以便允许电池放电。在小的部分电池放电之后，MPPT算法返回操作，并且当电池完全充电并且产生的能量高于负载能量需求时，发生MPPT和电压调节算法之间的循环转换。为并行MPPT开发的控制算法仅在连接到系统的电池组上运行。

3） 电压控制环路：当PV模块的能量非常低或为零时，电压控制环路也会被激活。在这种情况下，MPPT算法被禁用，dc-dc电源电路作为升压转换器工作，电池组为负载提供恒定电压。在这种情况下，比较控制算法中定义的参考电压输出电压和误差信号施加到数字电压补偿器。控制动作定义转换器占空比以调节输出电压。所考虑的电压参考等于15V，这是在实际实施中使用的PV模块的MPP电压的中间值。如在电压控制回路操作期间使用MPPT算法所发生的那样，验证电池充电状态，并且当电池达到其最低水平时系统关闭。

D.设计参数

在实际实施中使用的PV模块的MPP电压（Vmpp）在大约12.5和50之间

对于典型的气候条件，电压为17.5 V，电池电压必须较低，以便在降压和升压工作模式下允许电源电路工作。在实际实施中使用的电池呈现等于6V的标称电压。在确定主要原型组件时考虑连续导通模式操作，其基于图7中所示的电路。组件和半导体考虑到最高电流水平下的运行条件，必须设计并联MPPT系统的运行条件，该运行条件发生在没有太阳辐射的增压运行模式中（模式5）。开关频率定义为等于30 kHz。PV模块的最大功率为45 Wp，在设计中考虑了该值。

1. 电感：升压运行中的平均电感电流由（1）定义，考虑效率等于eta;= 90％

在电感确定中考虑了等于20％的电流纹波

定义的工作点是占空比等于D = 0.67，这是为了获得等于18 V的负载电压，电池电压等于6 V.电感由下式计算：

1. 电容:滤波器电容器的设计采用了等于5%的电容电压纹波

电容计算方法是：

电容器电流定义为：

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[609500]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word