独立光伏系统最大功率点追踪算法的研究外文翻译资料

独立光伏系统最大功率点追踪算法的研究

V. Salas*, E. Olıacute;as, A. Barrado, A. Laacute; zaro

摘要

关于寻找最大功率点的算法的研究已经提出。正如已经指出的，区分寻找光伏发电最大功率点的方法有很多。在这篇文章中，他们被分成了直接和间接两组。间接法（准寻求）有特定的功能，最大功率点是由测量光伏发电机的电流和电压、辐射或经验数据，通过数值逼近的数学表达式估计的。所以，估计是由安装在系统中的光伏发电机进行的。因此，他们不能获得任何辐射和温度下的最大功率，其中任何一个都不能获得准确的最大功率点的，也被称为“准寻求”。

然而，直接法（真寻求法）也可以被区分。它们的优势在于从光伏电机的电压和电流的测量值中获得实际的最大功率。基于这种情况，他们适合于任何辐射和温度。所有的最大功率追踪算法中，不论直接的或间接的，都可以包括在一些DC/DC转换器中，成为独立的系统。

1.简介

近年来，世界对能源资源的需求正日益强烈，以期减少对传统能源的依赖。光伏资源或许是这种需求的答案。光伏电池正被应用于那些他们作为替代品在经济上具有竞争力的空间和地面。此外，自九十年代末以来每年30%的增长率，光伏产业在近几年被证明具有很高的增长率。

一般而言，光伏发电系统可以分为三类：独立型、并网型和混合型。对于那些远离传统的发电系统的地方，独立光伏供电系统一直被认为是一个很好的选择。在农村偏远地区，特别是在电网电源供应没有完全延伸到的地方，这些系统被看作是电力行之有效的、可靠的、经济的来源。这种系统可用于两种规模：较小规模应用是从1到10千瓦，在发展中国家用来供应电力，所谓的太阳能家用系统；和几十万瓦的独立式光伏系统，10到100千瓦，在住宅的屋顶。一般来说，他们具有使用简单的系统配置和控制方案的优点。我们的研究只考虑直流负载。典型的直流电压等级有12、24、48和60V。

在这些系统中，光伏系统的性能依赖于操作条件。光伏发电中获得最大功率取决于三个因素：光照，负荷（负载阻抗）和电池温度（环境温度），假设一个固定的电池效率。

商用光伏模组I-V特性随温度和辐射变化如图1-4所示。可以观察到的温度变化主要影响光伏输出电压，而辐射变化主要影响光伏输出电流。

然而，光伏系统应设计为在任何时间的温度和太阳辐射水平都在其最大输出功率水平。决定光伏生产能力功率的最后一个显著的因素，是负载的阻抗。在我们这里的情况下，包括一个直流负载和电池。然而，应该注意的是，这种阻抗是不恒定的。当光伏发电机直接连接到负载，系统将在I-V曲线和负载线的交叉点运行，这会远离最大功率点（MPP）。

在不同的大气条件下，最大功率的产生是基于负载线的调整。独立光伏系统的另一个重要因素是电池，因为光伏阵列输出的波动性质。此外，在许多情况下，负载需要保持恒定的功率水平。通常情况下，使用的是铅酸蓄电池，因为它们在很多规模下广泛的可用性，低成本和他们很好的理解性能。

因此，在大多数情况下，充电控制器是不可或缺的元素，除了有明确的荷载的小系统，使用低电压的“自调节模块”或使用大容量电池或小阵列。如果最后使用的电池充电，它将控制电压和充电电流，使其适用于电池，以保护它不会过充，过放并具有负载控制功能。

根据不同的充电技术的复杂程度，不同的充电算法，即，一个控制电气参数和时间的集合，与多个水平的电压和电流，从而适用于充电系统的硬件，用于对对电池适当的充电的目的。一般而言，电池的制造是指在电池充电循环四个不同的充电模式或者说阶段，如图5，散装，吸收，均衡和浮动。然而，并不是所有的电池充电器有四个阶段。

图1.MPP时四种不同辐射下的光伏I-V特性曲线

图2.MPP时四种不同辐射下的光伏P-V特性曲线

图3.三种温度水平下的I-V特性曲线

图4. 三种温度水平下的P-V特性曲线

图5.一般充电电池算法的四个阶段

以前的充电模式是可以用几种可能的方式实现的。最常见的电池充电调节控制器拓扑结构是并联和串联型。要点是在两个拓扑结构中，重复几次后，光伏电池板通常是被迫在电池电压运行。这种情况几乎总是低于峰值功率点，所以会损失一些发电能力。

为了克服对输出光伏发电的不良影响，得出其最大功率，可以在光伏发电机和蓄电池之间插入直流/直流转换器，，它除了包括分配给控制器的典型功能外，还可以控制的MPP的寻求。这些转换器通常称为最大功率点跟踪（MPPTs）。他们组成的拓扑结构和控制电路，含有一个MPP寻求算法。如图6所示，由光伏阵列组成的直流转换器件输入部分和由电池和负载形成的输出部分组成。MPPT系统的作用是保证光伏发电机在最大功率点运行，获取最大可用功率。

然而，他们的损失必须足够小，以提高整个系统的效率。这可能会在光伏峰值功率电压和电压之间增加一个间隙，他们被迫在一个没有峰值功率的系统中运行。从理论上说，可以预见的是，MPPT将在寒冷的天气里产生可观的收益，因为这会提高光伏阵列的最大功率点电压,远高于通常的电池工作电压。

图6展示了一个含最大功率点跟踪电池充电系统的总体框图，使用一个通用的直流/直流转换器。这个系统和光伏发电机，电池和负载配置连接（如电阻、直流/直流电机）。

图6.具有MPPT功能的独立光伏系统的总体框图

主要目标是在第一负载电池阶段从光伏发电机获得最大功率。也就是说，当电池完全或部分放电，在某些状态下的电荷小于100%时，那么控制一个/或一些输入/输出变量如表1是必要的。

表1. 在直流/直流转换器可能控制的变量

2.寻求算法分类

第一种方法，用于航空航天应用，从20世纪70年代起，在公司或研究中心使用，如霍尼韦尔公司或美国航空航天局[3-9]。到目前为止，开发的方法可以按不同参数进行分组。如果他们根据在寻求过程中所涉及的控制变量（测量）分组，他们分成双变量和单变量方法。

双变量的方法使用的测量电压，和电流的光伏输出功率的。其中，分化和扰动观察（P＆O）和电导增量（CI）方法可以引用。

另一方面，使用单变量控制的方法也可以区分，与此有关的是反馈电压，开路电压，光伏发电机，开路电压，光伏电池以及短路电流法。

其他分类可以基于所使用的方法或控制策略的功能。因此，可以提出两种分类：直接法和间接法。本文也将提出这种分类，并将在这篇文章的其余部分的详细介绍。

2.1 间接控制：“准寻求”

间接法是基于使用一个包括参数和数据的数据库，例如，不同光强和温度光伏发电机典型曲线，或使用数学函数的经验数据来估计MPP。在大多数情况下，需要光伏发电机进行事前评估，否则它是基于经验数据的数学关系，这不符合所有的气候条件。下面的方法就属于这一类：曲线拟合，查表，光伏发电机的开路电压，短路光伏发电机和开路电池。这些将在更多的细节下进行研究。

2.1.1 曲线拟合

光伏发电机的非线性特性可以模拟离线，从传统的单二极管，双二极管和改良双二极管模型，利用数学公式或数值逼近法[10-11]。然而，他们的分辨率通过模拟控制是不可能的，传统的数字控制也是非常困难的。因此，他们的应用似乎并不适合获得MPP。然而，可以用其他的基于模型的方法 [12-14 ]。例如，根据参考文献[14]，方程（1）是光伏发电机的P–V特性，其中a，b，c和d是在需要的间隔由采样确定的光伏电压、光伏电流和光伏发电功率的系数。因此，在最大功率为最大时的电压，通过式（2）确定。

（1）

（2）

为了找到一个好的MPP这个过程应该每隔几毫秒就重复。准确度取决于取样的数量。

这种方法的缺点是，它不但需要有关的电池材料和制造规范精确的参数而且表达式不是适用于所有的气候条件。此外，它计算的数学公式可能需要一个大的内存容量。

2.1.2 查表法

在这种情况下，光伏发电机的电压和电流的测量值与存储在控制系统中的值相比，在具体气候条件下，相应的运行在最高点[15]。该算法的缺点是存储的数据需要大容量存储器。此外，实施必须根据具体光伏面板调整。此外，它是很难记录和存储所有可能的系统条件。

2.1.3 开路电压法

这种算法在参考文献[16-20]中有用到，它基于在MPP时的光伏发电机电压，与开路电压大致成线性比例，比例系数为。比例常数主要取决于太阳能电池的制造技术，填充因子和气象条件。

（3）

此特性可以通过图7的框图实现。

图7.开路电压法流程图

光伏发电机的开路电压通过一定的频率，中断系统的正常运行来测量，存储测量值。然后，根据式（3）计算MPP，运行电压调至最大电压点。这个过程将定期重复。这种方法虽然看似简单，但是选择一个最优值的常数是很难。然而，在文献[20–22]中，多晶硅光伏组件值范围从0.73到0.80，以及15 ms采的样典型区间[20]。

若的参考电压调整为一个固定范围，假设它的温度和太阳辐射常数在一个大的范围内保持恒定，并且随着阵列的老化不会明显改变，，这种方法不能被集成在一个“真寻求MPP方法”中。工作电压调整到最大电压是否正确，取决于这个范围的选择，比较和的实际关系。

因此，该方法具有的优点是，简单和廉价。它只使用一个反馈回路。尽管如此，它仍有缺点，当扫描整个控制范围，中断系统的运作会产生功率损耗，。因此，不认为是从面板上获得真正的功率。也就是说，因为它是假定，对于给定的开路电压最大值点确定如果运行点值不正确或稍不精确，获得的功率不会是最大值。

2.1.4 光伏发电机的短路法

方法类似于文献[23-24] 使用的程序。在这种情况中，它基于MPP电流和短路电流之间的线性相关性的经验事实，从而实现关系（4）。和前面的方法一样，比例常数主要是取决于太阳能电池的制造技术，填充因子和气象条件。然而，这种方法中多晶光伏组件，常数是0.85左右。

（4）

然而，在许多情况下，确定的方法比只确定一个固定值复杂，如文献[ 24 ]。在该文献中，为确定，光伏每隔几分钟扫描一次。后，系统仍然与（4）近似，直到下一次计算。

类似于开路电压法，然后是控制的流程图。因此，这种方法与上述控制具有相同的优缺点。

2.1.5 开路电压光伏检测电池法

为了避免参考文献[6,25-28]提出的与频繁中断系统有关的缺点，，作为一种替代，额外使用一个电池检测。因此，光伏发电机的开路电压从单电池测量，这是独立于光伏阵列的其余部分。所得到的值将被应用到主光伏发电机。

（5）

这种方法的优点是，它简单又经济，它只使用一个反馈回路控制。此外，它避免了在以前的方法中，光伏发电操作中断所带来的问题。

它有一个缺点是它假设，测试单元光伏主发电机每个单元格具有相同的属性。因此，电池测试的被认为与用于选择MPP的光伏单元的成正比。如果假设是不正确的，将不能获得最大功率。，它可不适用于表面限制的应用场合（即太阳能车辆）。

2.2 直接控制：“真追求”

直接方法包括使用光伏电压和/或电流测量的方法。由于这些，并考虑到光伏发电机的工作点的变化，得到最佳的操作点。这些算法的优点是独立于光伏发电机特性的先验知识。因此，操作点是独立的隔离，温度或降解水平。这些错误严重影响跟踪精度。其中属于该组的方法有分化，反馈电压（电流）、Pamp;O、C.I.，汽车振动以及模糊逻辑。其他类型的分类，区别于采样和调制方法，可以包括在这组。

2.2.1 抽样法

在这些过程中，样品是由光伏发电机的电压和电流。然后在每一个采样，光伏输出功率（t）集合，使用不同的策略。这样的抽样，为上述变量的相对时间演化确定一个目标。所以，首先，计算（t）。在第二阶段，再次计算光伏发电（T Delta;T）。控制器收集过去和现在的信息，做出一个决定，这取决于操作点的位置。这个跟踪过程将无限期地重复下去，直到达到峰值功率点。以下方法可以按照这个原则区分。

2.2.1.1 分化法

在文献[29-30]中提出到了这一技术，基于MPP处的性质求解方程（6）。

（6）

然而，为了提供

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