基于改进变步长扰动观察法的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进变步长扰动观察法的仿真方法，包括光伏电池建模与仿真、MPPT仿真等步骤，其中光伏电池建模与仿真步骤包括根据光伏电池等效电路计算光伏电池的输出电流、建立光伏电池工程模型等步骤。本发明专利技术方法可靠、易实施。

【技术实现步骤摘要】
基于改进变步长扰动观察法的仿真方法
本专利技术涉及一种基于改进变步长扰动观察法的仿真方法。
技术介绍
近年来世界经济的发展迅速发展，各国对能源的消耗与日俱增。众多不可再生能源的消耗殆尽和环境污染问题的日益严重，21世纪初进行的关于世界能源储能数据的调查显示，化石能源的可开采量已经是屈指可数[1]。在此情况下，太阳能作为取之不尽，用之不竭且分布范围极广的绿色能源必将在今后的能源转移中占据主导地位。然而，光伏电池的输出特性在光照强度及环境温度变化时，具有明显的非线性特征，因此，通过建立太阳能电池模型来研究太阳能电池输出特性变化很有必要。在一定的光照强度和温度下，光伏电池的输出功率只有在某一输出电压值时才能达到最大值，在光伏发电系统中，要提高系统整体效率，必须对光伏电池进行最大功率点追踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)[2]。经典的最大功率点跟踪方法有扰动观察法、电导增量法和爬山法等，其中扰动观察法策略简单、对参数检测的精度要求不高、跟踪效率高；电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和追踪特性较好，鉴于以上优点这两种方法得到广泛的应用[3]。但是这两种方法都存在着一个共同缺点，即步长固定：步长较小时，导致光伏阵列长时间滞留在低功率区；步长较大时，会导致系统震荡。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可靠、易实施的基于改进变步长扰动观察法的仿真方法。本专利技术的技术解决方案是：一种基于改进变步长扰动观察法的仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)光伏电池建模与仿真(1)根据光伏电池等效电路计算光伏电池的输出电流由光伏电池的等效电路可得：I＝Iph-Id-Ish(1)I为太阳能电池的输出电流、Iph为太阳能电池板的光生电流、Id为流过二极管的电流，Ish为流过旁路电阻的电流；对于Id有：式中，Id为流过二极管的电流；Io为光伏电池的反向饱和漏电流；V为太阳能电池输出电压；q为单个电子所含电荷量：1.6×1019C；K为波尔兹曼常数：1.38×1023J/K；A为光伏电池的二极管理想因子：A＝1～5，用来决定其与理想P-N结半导体间的差异；T为光伏电池的温度，以绝对温度表示；RS为串联电阻，小于1，主要由电极导体电阻、扩散层横向电阻、基体材料电阻和前后电极与基体材料的接触电阻组成，exp()是指数函数；对于Ish有：Ish为流过旁路电阻的电流，V为太阳能电池输出电压，I为太阳能电池的输出电流，RS为串联电阻，Rsh为旁路电阻；所以光伏电池的输出电流I为：(2)建立光伏电池工程模型在公式(4)的基础上，通过两点近似处理，即：(1)当光照较强时，非常小，可忽略不计；(2)设定Iph＝Isc，因为通常情况下RS远小于二极管正向导通电阻；在此条件下，令C1＝Io/Isc，C2Voc＝AkT/q，太阳能电池的数学模型简化为如下：I＝Isc{1-C1*exp[V/(C2*Voc)]-1}(5)I为太阳能电池的输出电流，Isc为电池板短路电流，V为太阳能电池输出电压，Voc为电池板开路电压，C1和C2为经过经近似处理后引进的参数；当光伏电池工作在最大功率点时，由Iph＝Im，V＝Vm可得，I＝Isc{1-C1*exp[Vm/(C2*Voc)]-1}(6)I为太阳能电池的输出电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压，C1和C2为经过经近似处理后引进的参数；在标准条件下，exp[Vm/(C2*Voc)]＞＞1，则可忽略“-1”项，由上式可解得：C1＝(1-Im/Isc)exp[-Vm/(C2*Voc)](7)C1和C2为经过经近似处理后引进的参数，Im为最大功率点电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压；当光伏电池开路时，把Iph＝0，V＝Voc和式(7)代入到式(5)可得：由于exp[1/C2]＞＞1，可得C2＝(Vm/Voc-1)[ln(1-Im/Ioc)]-1(9)C1和C2为经过经近似处理后引进的参数，Im为最大功率点电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压；把式(7)和式(9)带入式(5)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式；当光照强度和环境温度变化时，新条件下光伏电池的参数变化为：ΔT＝T-Tref(10)ΔV＝-β*ΔT-RsΔI(12)式中，Sref、Tref分别为辐射强度和光伏阵列温度的参考值；S和T分别为辐射强度和光伏阵列温度的实际值；α为电流变化温度系数；β为电压变化温度系数；ΔT为温度的变化量；ΔI为电流在环境变化时的变化量；ΔV为电压在环境变化时的变化量；则修正后的光伏电池输出特性表达式为：C1和C2为经过经近似处理后引进的参数，Isc为电池板短路电流，Voc为电池板开路电压，ΔI为电流在环境变化时的变化量，ΔV为电压在环境变化时的变化量，V为太阳能电池输出电压；根据上述公式，在MATLAB/Smulink中搭建光伏电池的工程模型，建立模型后，在相同光照不同温度条件下进行仿真,选取型号为STP150S-24/AC的电池板参数进行仿真：Voc＝43.3V，Isc＝4.72A,Vm＝34.5V，Im＝4.35A，取S＝1000W/m2；T＝0℃；T＝15℃；T＝25℃；T＝40℃；然后在相同温度不同光照条件下进行仿真，取T＝25℃；S＝300W/m2；S＝600W/m2；S＝800W/m2；S＝1000W/m2，绘制U-I、P-U特性曲线；(二)MPPT仿真采用改进型扰动观察法：设Vk、Ik为当前的电压值和电流值，计算出Pk＝VkIk；设步长Cp＝n|Vk-Vm|正比于实时采样得到的当前光伏电池电压值与电池工作在最大功率点时电压的差值，这样就可以实现当工作点在距离最大功率点越远时，扰动步长越大，能够更快速的向最大功率点处移动，从而提高响应速度；当工作点距离最大功率点越近时，则步长越小，越是能够精确的到达最大，进而能提高跟踪精度，减少在最大功率点震荡的能量损失；计算出k时刻与k-1时刻的功率大小，如果Pk<Pk-1，则说明经过本次控制后功率输出降低了，应控制使光伏电池输出电压按原来相反的方向变化，如果Pk>Pk-1就控制光伏电池输出电压按原来相同的方向变化。进一步进行仿真分析：在MATLAB/Simulink中搭建系统仿真模型，整个系统主要由光伏电池模块、MPPT模块、PWM模块和DC/DC电路模块组成；PWM脉宽调制模块产生的PWM脉冲信号，控制Boost电路开关器件的通断；零阶保持器的采样周期与MPPT仿真模块周期相同，三角载波频率决定PWM频率；模型中三个零阶保持器的采样周期与MPPT控制的采样周期相同；仿真时采用变步长的ode23tb，两种算法的仿真时间均设为0.4s，在t＝0.2s时，改变系统的光照参数；仿真时，MPPT模块和PWM模块中的零阶保持器均采用相同的采样周期，才能得到更为精确的仿真结果。本专利技术方法可靠、易实施。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是光伏电池等效电路图；图2是光伏电池工程模型示意图；图3是光伏电池在不同光照强度下的输出特性示意图；图4是扰动观察法流程图；图5是光伏系统仿真模型示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进变步长扰动观察法的仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)光伏电池建模与仿真(1)根据光伏电池等效电路计算光伏电池的输出电流由光伏电池的等效电路可得：I＝Iph‑Id‑Ish     (1)I为太阳能电池的输出电流、Iph为太阳能电池板的光生电流、Id为流过二极管的电流，Ish为流过旁路电阻的电流；对于Id有：

【技术特征摘要】
1.一种基于改进变步长扰动观察法的仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)光伏电池建模与仿真(1)根据光伏电池等效电路计算光伏电池的输出电流由光伏电池的等效电路可得：I＝Iph-Id-Ish(1)I为太阳能电池的输出电流、Iph为太阳能电池板的光生电流、Id为流过二极管的电流，Ish为流过旁路电阻的电流；对于Id有：式中，Id为流过二极管的电流；Io为光伏电池的反向饱和漏电流；V为太阳能电池输出电压；q为单个电子所含电荷量：1.6×1019C；K为波尔兹曼常数：1.38×1023J/K；A为光伏电池的二极管理想因子：A＝1～5，用来决定其与理想P-N结半导体间的差异；T为光伏电池的温度，以绝对温度表示；RS为串联电阻，小于1，主要由电极导体电阻、扩散层横向电阻、基体材料电阻和前后电极与基体材料的接触电阻组成，exp()是指数函数；对于Ish有：Ish为流过旁路电阻的电流，V为太阳能电池输出电压，I为太阳能电池的输出电流，RS为串联电阻，Rsh为旁路电阻；所以光伏电池的输出电流I为：(2)建立光伏电池工程模型在公式(4)的基础上，通过两点近似处理，即：(1)当光照较强时，非常小，可忽略不计；(2)设定Iph＝Isc，因为通常情况下RS远小于二极管正向导通电阻；在此条件下，令C1＝Io/Isc，C2Voc＝AkT/q，太阳能电池的数学模型简化为如下：I＝Isc{1-C1*exp[V/(C2*Voc)]-1}(5)I为太阳能电池的输出电流，Isc为电池板短路电流，V为太阳能电池输出电压，Voc为电池板开路电压，C1和C2为经过经近似处理后引进的参数；当光伏电池工作在最大功率点时，由Iph＝Im，V＝Vm可得，I＝Isc{1-C1*exp[Vm/(C2*Voc)]-1}(6)I为太阳能电池的输出电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压，C1和C2为经过经近似处理后引进的参数；在标准条件下，exp[Vm/(C2*Voc)]＞＞1则可忽略“-1”项，由上式可解得：C1＝(1-Im/Isc)exp[-Vm/(C2*Voc)](7)C1和C2为经过经近似处理后引进的参数，Im为最大功率点电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压；当光伏电池开路时，把Iph＝0，V＝Voc和式(7)代入到式(5)可得：由于exp[1/C2]＞＞1可得C2＝(Vm/Voc-1)[ln(1-Im/Ioc)]-1(9)C1和C2为经过经近似处理后引进的参数，Im为最大功率点电流，Isc为电池板短路电流，Vm为最大功率点电压，Voc为电池板开路电压；把式(7)和式(9)带入式(5)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式；当光照强度和环境温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，陈建波，顾菊平，王建山，张桂红，李俊红，顾海勤，杨元培，梅天祥，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32