CN101694676A - 基于psim软件的太阳能最大功率点跟踪算法及仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法及仿真系统，仿真系统包括太阳能光伏电池模型，还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器，太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，比较器，功率变换电路；所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理输出PWM波形信号，所述PWM波形信号控制所述功率变换电路的占空比，从而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池的最大功率点跟踪。

Description

基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法及仿真系统

技术领域

本发明涉及太阳能最大功率点跟踪算法研究及仿真系统，尤其涉及一种算法能根据太阳能电池板上的太阳能光照强度和太阳能电池周围温度来调节输出电压和电流，使负载始终工作在该环境下的最大功率点。

背景技术

从能源的角度看，太阳能必将实现其从补充能源向替代能源的角色过渡，太阳能发电将逐渐从无电地区向有电地区发展。光伏电池是太阳能发电的核心部分，具有将太阳能转化为电能的功效，最大功率点跟踪能最大效益的利用太阳能，降低成本，提高利用率。

由于光伏电池的特殊性，在光伏发电系统中，整个系统的优化设计十分重要，它是降低系统成本，提高系统可靠性和系统效率的保证。光伏发电系统属于电力电子应用系统的一种，有很多软件可以对其进行仿真分析，如PSPICE，MATLAB，SABER，SIM-PLORER和PSIM等，传统的最大功率点跟踪程序即MPPT算法基本上是在MATLAB软件中来仿真验证算法的正确性的，通常都只采用变步长或定步长的一种跟踪方法。出现的问题有仿真结果不准确，如果单单采用定步长的跟踪方法会导致程序复杂计算时间长。

发明内容

本发明的目的之一在于在PSIM软件中建立光伏电池的仿真系统模型，能根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时调节输出光伏电池的电压、电流值，还能跟踪外界因素变化时对光伏电池的电压电流值影响程度。

本发明的另一目的是在PSIM软件中建立验证太阳能最大功率点的跟踪算法，从仿真的现象中改进MPPT算法的参数设置。

本发明实施例提供一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，包括太阳能光伏电池模型，还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器，太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，比较器，功率变换电路；

所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理输出PWM波形信号，所述PWM波形信号控制所述功率变换电路的占空比，从而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池的最大功率点跟踪。

进一步，所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器，电流传感器检测后，还直接传送到所述功率变换电路。

进一步，所述功率变换电路采用BOOST斩波电路，根据BOOST斩波电路的占空比与负载的等效阻抗的关系来匹配功率阻抗。

进一步，所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中采用的跟踪方法是变步长和定步长相结合的电导增量法。

本发明实施例还提供一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法，包括：

(1)通过太阳能光伏电池模型根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压、电流值；

(2)将所述光伏电池的电压、电流值分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理，输出PWM波形信号；

(3)通过所述PWM波形信号控制功率变换电路的占空比，进而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池阻抗与实际负载等效阻抗的匹配，即光伏电池的最大功率点跟踪。

具体的，是在PSIM软件中建立太阳能光伏电池的仿真模型，并对其输出P-I值进行仿真，输出P-I仿真曲线与理论曲线基本相同；然后把用VC软件编写的太阳能最大功率点跟踪程序即MPPT程序在PSIM软件中用动态链接库DLL连接起来，使MPPT程序运算得到所述控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理，输出PWM波形信号，控制BOOST斩波电路的占空比，从而控制BOOST斩波电路的等效阻抗，实现光伏电池的最大功率点跟踪。

所述太阳能最大功率点跟踪程序是变步长和定步长相结合的电导增量法，当电压没有改变时采用定步长的电导增量法跟踪，当电压改变时采用变步长的电导增量法跟踪，整体上提高了MPPT算法的跟踪速度。

采用本发明的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法及仿真系统，其中PISM软件是针对电力电路以及电力拖动而设计的软件，而系统用到的器件都基本采用理想模型，设计速度非常快，在建模上有很大的灵活性。利用PSIM软件对光伏阵列进行的仿真，其准确度非常高，并能够准确快速地反映其物理特性。所述仿真电路系统能模拟出跟踪的结果，能反映出跟踪的整个过程及跟踪效果。利用PSIM软件对光伏电池建模及MPPT算法的研究，对太阳能发电系统的研究具有重要的作用，为整个光伏发电系统的仿真分析奠定了基础，更为以后发电系统的建立提供科学可靠的理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的仿真系统结构框图

图2是本发明实施例提供的光伏电池仿真模型图

图3是本发明实施例提供的光伏电池P-I仿真曲线图

图4是本发明实施例提供的电导增量法程序流程图

图5是本发明实施例提供的MPPT跟踪曲线图

图6是没有MPPT控制模块的跟踪曲线效果比较图

图7是本发明实施例提供的仿真系统电路原理图

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，包括太阳能光伏电池模型，还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器，太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，比较器，功率变换电路；

所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理输出PWM波形信号，所述PWM波形信号控制所述功率变换电路的占空比，从而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池阻抗与实际负载等效阻抗匹配的过程，即实现光伏电池的最大功率点跟踪。

图2为根据光伏电池的数学模型建立的PSIM仿真模型，模型能根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压，电流值，能跟踪外界因素变化时的电压电流值。模型中的参数由不同产商生产的光伏电池的实物所提供的参数决定，参数的设置对仿真的结果有很大的影响，不同的光伏产品参数不同。图3上半部分为光伏模型输出的电流随电压变化曲线，即I-V曲线。图3下半部分为光伏模型输出的功率随电压变化曲线，即P-V曲线。图3的横坐标虽然为时间轴，但是实际代表的电压轴，表示电压值的线性变化，时间的增加等效于电压的线性增加。图3仿真曲线的变化趋势跟光伏电池的理论输出曲线基本一致，能准确放映因光照和温度变化而引起的电压、电流、功率的变化。

光伏电池的电压电流经采样后送入到太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，实现光伏电池的最大功率点跟踪，跟踪方法采用变步长跟定步长相结合的电导增量法，此模块是整个仿真电路的核心部分。所述电导增量法的理论依据为：通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪功能，由光伏电池的功率变化曲线可得最大功率值处的斜率为零，因此有：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}=I+U*\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}=0$ 式(1)

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}=-\frac{I}{U}$ 式(2)

式(1)是要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时太阳能电池阵列工作于最大功率点，太阳能电池阵列工作于最大功率点即如式(2)所示。具体的跟踪过程如图4电导增量法控制流程图所示，当dU＝0，采用定步长跟踪方法，当dU≠0时采用变步长的跟踪方法，变步长为dD＝A*abs(dP/dU)，将变步长和定步长结合能达到最快跟踪速度。

采用单一的定步长dD2跟踪时，如果步长小虽然跟踪的精度比较高，但是跟踪速度因为步长小的原因比较慢，从而导致跟踪到最大功率点所需的时间比较长，响应速度差；反之如果跟踪的步长比较大时虽然能够快速的跟踪到最大功率点附近，但由于步长大的原因可能导致一直在最大功率点附近震荡，无法准确的跟踪最大功率点。如图4所示，采用定步长跟变步长结合可以有效的解决上述问题，电导增量法中既能快速跟踪又能保证跟踪的精度，当电压变化量为0时，采用定步长跟踪，跟踪步长根据输出控制量的量程来确定，比如定步长dD2＝0.001，在硬件能够识别情况下尽量保证步长小；当电压变化量不为0时采用变步长算法，步长为：dD1＝A*abs(dP/dU)，其中dP/dU为P-V曲线(功率随电压变化曲线)的变化率，当离最大功率点远时dP/dU值大，因而跟踪步长大，当离最大功率点比较近时的值比较小，跟踪步长小，当在最大功率点时dP/dU的值为0，步长变为0，公式中A为调节系数，取值一般与定步长的值相等，把定步长跟变步长结合确保控制精度和响应速度。功率变化如附图3中的下半部分所示，曲线前部分斜率大于0，后部分斜率小于0。所述MPPT算法流程图如附图4所示，当dU不为0时，dI/dU＞(-I/U)表示斜率处于大于0的情况，即功率上升过程，还没有到达最大功率点，此时增加控制量，使之靠近最大功率点；反之亦然。dU为0时，dI＞0表示在功率的上升过程，还没有到达最大功率点，此时增加控制量，使之靠近最大功率点；反之处于下降过程。

图5为不同光照强度下MPPT算法的跟踪曲线，由曲线可以看出算法能快速的跟踪电压电流的变化过程，使光伏电池始终处于最大功率点处，极大的提高了光伏电池的利用效率。图6可以清晰的看到没有MPPT控制模块的光伏电路有较大的功率损耗。

图7是本发明实施例提供的仿真系统电路原理图，在PSIM软件中建立太阳能光伏电池的仿真模型，并对其输出P-I值进行仿真，输出P-I仿真曲线与理论曲线基本相同；然后把用VC软件编写的太阳能最大功率点跟踪程序即MPPT程序在PSIM软件中用动态链接库DLL连接起来，使MPPT程序的输出所述控制信号Vref，并与方波载波信号经过比较器处理，输出PWM波形信号，控制BOOST斩波电路的占空比，占空比的改变引起Boost功率变化电路等效负载的变化，经过MPPT算法的不断调整从而使光伏电池的输出阻抗等于Boost电路等效阻抗，达到功率的阻抗匹配，实现最大功率跟踪。

以上所述是本发明的具体实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，包括太阳能光伏电池模型，其特性在于：

还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器，太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，比较器，功率变换电路；

所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理输出PWM波形信号，所述PWM波形信号控制所述功率变换电路的占空比，从而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池的最大功率点跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，其特征在于，所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器，电流传感器检测后，还直接传送到所述功率变换电路。

3.根据权利要求1所述的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，其特征在于，所述功率变换电路采用BOOST斩波电路，根据BOOST斩波电路的占空比与负载的等效阻抗的关系来匹配功率阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪计算仿真系统，其特征在于，所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中采用的跟踪方法是变步长和定步长相结合的电导增量法。

5.一种基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法，其特征在于，包括：

(1)通过太阳能光伏电池模型根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压、电流值；

(2)将所述光伏电池的电压、电流值分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理，输出PWM波形信号；

(3)通过所述PWM波形信号控制功率变换电路的占空比，进而控制与所述功率变换电路输出端连接的负载的等效阻抗，实现光伏电池阻抗与实际负载等效阻抗的匹配，即光伏电池的最大功率点跟踪。

6.根据权利要求5所述的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法，其特征在于，具体是在PSIM软件中建立太阳能光伏电池的仿真模型，并对其输出P-I值进行仿真，输出P-I仿真曲线与理论曲线基本相同；然后把用VC软件编写的太阳能最大功率点跟踪程序即MPPT程序在PSIM软件中用动态链接库DLL连接起来，使MPPT程序运算得到所述控制信号，所述控制信号与载波信号经过比较器处理，输出PWM波形信号，控制BOOST斩波电路的占空比，从而控制BOOST斩波电路的等效阻抗，实现光伏电池的最大功率点跟踪。

7.根据权利要求6所述的基于PSIM软件的太阳能最大功率点跟踪算法，其特征在于，所述太阳能最大功率点跟踪程序是变步长和定步长相结合的电导增量法，当电压没有改变时采用定步长的电导增量法跟踪，当电压改变时采用变步长的电导增量法跟踪。

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