太阳能最大功率点自动跟踪的系统设计

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  【摘 要】隨着经济的不断发展,全球能源逐步趋于紧张,环境污染的现象日趋严重,而太阳能由于其具有可再生及洁净的特点,所以越来越受到人们的青睐。在以后的发展过程中,太阳能的光伏电池使用率将越来越高,因此如何提高太阳能发电系统的效率是现在需重点研究的方向。
  【关键词】太阳能;光伏;最大功率点;自动跟踪;系统设计
  引言:
  太阳能的技术含量较高,对环境不存在破坏,本文通过对光伏发展历程及太阳能光伏发电最大功率点自动跟踪的实现进行阐述,探讨太阳能最大功率点自动跟踪的系统设计。
  一、我国光伏的发展历程
  我国从60年代开始在空间使用太阳能光伏电池,在70年代初期开始在地面使用了光伏电池,而在80年代中期创建了低成本的技术以及生产能力,我国在光伏电池/组件的总生产能力已经实现了4.5MW,光伏行业已经初具规模。到了上世纪90年代中期,光伏产业在我国已经逐步趋向稳定,年生产量逐步提高。在“九五”期间,国家科委已经将太阳能屋顶系统归到国家科技攻关计划当中,并分别在北京与深圳创建了7KW和17KW的光伏发电系统。
  在90年代末期,我国的光伏发电产品大多以单晶硅电池及非晶硅电池为主,而多晶硅电池仅使用在实验室以及正式投产前的实验当中[1]。可是2000年以后,多晶硅的产品渐渐走出实验室,开始构成具有规模的生产方式,不断拉近了与发达国家之间的技术差距。为了加快光伏技术以及产业的发展,国家在2003年10月,由发改委、科技部颁布了未来5年的太阳能资源研发规划,发改委将在光明工程中筹资100亿用在推动太阳能光伏发电技术的使用上,计划在2005年,我国光伏发电系统的总装机容量将实现300MW。在2008年北京奥运会期间,我国也将太阳能光伏发电使用在奥运建筑当中,大范围的使用了太阳能等绿色能源技术。
  二、实现太阳能最大功率点自动跟踪
  1、实现最大功率点自动跟踪的原理
  最大功率点跟踪(the Maximum Power Point Tracking,MPPT)的目的就是使太阳能电池尽可能工作在最大功率点(the Maximum Power Point,MPP)所对应的工作状态,将光伏组件产生的最大直流电能及时地尽可能多地加以利用,使光伏系统的系统能量利用率尽可能高。太阳能电池的最大功率点跟踪功能对于提高系统的整体效率有着重要的作用,其相关的软硬件在目前实际应用的光伏系统中是不可缺少的部分[2]。
  2、增量电导法
  增量电导法根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压,从而避免了这种现象的出现。dP/dV的值是与输出电压值一一对应的。
  三、太阳能发电系统设计
  1、硬件设计
  从电路原理来讲,Boost变换器具有效率高,响应快的优点;由于Buck和Buck-Boost变换电路的开关管位于电路的干路上,当开关关断时,太阳能电池输出的电能事实上无法利用(为了避免这个问题,需要在电路输入端并联大的输入电容)。因此,在同等配置下,Boost变换器的实际运行效率高于前者。因此从电路原理上来讲,对比Buck变换器和Buck-Boost变换器,Boost变换器更有优势。
  但是考虑到目前太阳能电池板的内部损耗问题,实际应用场合都是尽量避免太阳能电池板过多的并联,而采用串联的形式。以-48V通信基站电源为例,太阳能组件一般选用12V(开路电压为21V,工作电压为17V)的太阳能组件四块串联或选用24V(开路电压为44V,工作电压为36V)的太阳能组件两块串联为-48V的电源系统供电。由于这个因素,太阳能电池板配置的输出电压比系统工作电压高,因此目前在通信用太阳能发电系统普遍采用的Buck变换器[3]。
  四、系统matlab/Simullnk仿真结果
  正常状况下,控制器如果稳定在最大功率点,太阳能电池输出电压为71V左右;如果光照突然减半时,控制器可以迅速进行调整,追踪到最大功率点,太阳能电池输出电压为66V左右,输出电流基本与光照强度成正比,减少到一半左右;在温度线性变化时,控制器可以快速调整,追踪到最大功率点,太阳能电池输出电压则为50V左右。
  结束语
  太阳能的随机性及不确定性使得太阳能发电系统的控制变得较为复杂。简化系统结构、提出行之有效的控制策略对降低系统成本、提高系统运行可靠性具有重要的理论意义和实用价值。
  本文在分析和研究太阳能发电最大功率控制系统结构及运行特性的基础上,研究了太阳能发电控制策略,并在Matlab/Simullnk环境中搭建了太阳能发电系统和风力发电系统的仿真模型。对太阳能发电系统最大功率控制系统工作模式进行了仿真和分析。
  从仿真结果来看,本文提出的太阳能最大功率控制系统在光照及温度变化时均能快速进行调节,从而实现太阳能发电系统的最大功率控制。
  参考文献:
  [1]贺婷.光伏发电系统中最大功率点跟踪控制器的研究[D].广西大学.2012:1-72.
  [2]常玲.一种改进的模糊控制太阳能跟踪系统[J].黑龙江科技信息.2011.(36):59-60.
  [3]陈剑,赵争鸣,袁立强,查澜曦.光伏系统最大功率点跟踪技术的比较[J].清华大学学报(自然科学版).2010.(05):700-704.
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