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基于多工况的光伏阵列的建模及输出特性分析

电源技术 2022年第9期46卷 1038-1042页

作者：陈佳凝魏霞王维庆新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐830047

针对光伏系统在实际工作中难以采集多工况下的输出问题,采用Matlab/Simulink搭建了一种实用性的光伏仿真模型,可以在不同温度、光照环境下对任意局部遮阴、短路、开路和老化工况下的输出特性进行单一或多工况的模拟。为贴合实际工作中... 详细信息

针对光伏系统在实际工作中难以采集多工况下的输出问题,采用Matlab/Simulink搭建了一种实用性的光伏仿真模型,可以在不同温度、光照环境下对任意局部遮阴、短路、开路和老化工况下的输出特性进行单一或多工况的模拟。为贴合实际工作中不同遮阴方式下的输出,该模型细化了光伏组件的局部遮阴模拟方式。仿真结果表明:该模型通过模拟光伏阵列多工况的输出特性,直观地展示出多工况下光伏阵列的输出,提供了一种方便且通用性强的仿真模型。

关键词：多工况局部遮阴光伏组件模型光伏阵列

局部阴影下基于GWO-P&O混合算法的光伏最大功率点跟踪

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Journal of Measurement Science and Instrumentation 2024年第1期15卷 64-71页

作者：赵峰肖成锐陈小强王英兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070

针对局部遮阴环境下传统灰狼优化(Gray wolf optimization,GWO)算法在跟踪最大功率点时P-U特性曲线出现多峰值、后期收敛速度慢、稳态精度低等问题,结合灰狼优化算法和扰动观察法(Perturbation and observation,P&O)各自的优势,提出了基... 详细信息

针对局部遮阴环境下传统灰狼优化(Gray wolf optimization,GWO)算法在跟踪最大功率点时P-U特性曲线出现多峰值、后期收敛速度慢、稳态精度低等问题,结合灰狼优化算法和扰动观察法(Perturbation and observation,P&O)各自的优势,提出了基于GWO-P&O的混合优化最大功率点跟踪(Maximum power point tracking,MPPT)算法。首先,采用灰狼优化算法逐渐向光伏的全局最大功率点靠近。其次,在灰狼优化算法收敛后期引入P&O法,既保持了灰狼优化算法较高的稳态精度,又能以较快速度寻找到局部最大功率点。最后,在不同环境工况下,将所提出的GWO-P&O方法与传统GWO算法进行对比。结果表明,改进的GWO-P&O算法在保证良好稳态性能的同时,一定程度上提高了GWO算法后期跟踪最大功率时的收敛速度。

关键词：灰狼优化算法扰动观察法局部遮阴混合优化最大功率点跟踪算法全局最大功率点

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光伏发电系统最大功率跟踪控制研究

光伏发电系统最大功率跟踪控制研究

作者：韩志国天津理工大学

学位级别：硕士

随着全球工业化的发展,人类对能源的需求愈发庞大,传统化石能源也面临着资源枯竭的问题,而且化石能源推动人类社会发展的同时也带来一系列气候、环境等难题,这就促使人们思考发展可再生新能源。在众多可再生新能源种类中,太阳能无疑是... 详细信息

随着全球工业化的发展,人类对能源的需求愈发庞大,传统化石能源也面临着资源枯竭的问题,而且化石能源推动人类社会发展的同时也带来一系列气候、环境等难题,这就促使人们思考发展可再生新能源。在众多可再生新能源种类中,太阳能无疑是最具发展前景的一种新能源,具有绿色、无污染、成本低廉且取之不尽用之不竭等优点,因而受到社会各界广泛的关注。如何提高太阳能光伏发电的效率,一直是各界学者研究的热点问题。本文主要围绕光伏发电系统最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制算法进行研究,对提高光伏发电系统的效率具有重要研究意义。主要内容如下:1介绍光伏电池的原理,分析了光伏电池的工程数学模型,并通过仿真研究了外界光照和温度对光伏电池输出特性的影响。阐述了光伏最大功率点跟踪控制的基本原理,分析了常见的几种MPPT控制方法,选取Boost电路实现光伏最大功率跟踪控制,建立起等效MPPT数学模型。2针对光伏电池存在的强非线性、强耦合、强时变性的特性,结合线性自抗扰控制,本文提出基于鹈鹕-线性自抗扰控制的光伏MPPT算法,由鹈鹕优化算法给出最大功率点参考电压作为线性自抗扰控制的给定输入信号,通过加入总扰动延迟微分信号改进扩张状态观测器增强对扰动的观测能力,改善了系统的动态响应,最后在MATLAB/Simulink仿真平台中,搭建模型验证,仿真结果表明本文提出线性自抗扰MPPT控制算法的良好效果。3在复杂环境局部遮阴条件下,分析了光伏阵列输出特性呈多峰曲线特性,并介绍了鹈鹕算法的基本原理。针对传统MPPT控制算法难以跟踪最大功率点的问题,本文提出将改进鹈鹕优化算法应用到最大功率跟踪控制中,通过引入学习因子和莱维飞行,增强算法全局搜索能力,避免陷入到局部最优值,提高的算法的收敛速度和稳定性,选择四种通用测试函数进行验证,最后在MATLABMATLAB/Simulink仿真平台中,仿真验证本文提出算法的有效性和可行性,结果表明,改进鹈鹕算法在复杂遮阴条件下能有效跟踪最大功率点,且具有良好的动态跟踪性能。

关键词：光伏发电最大功率点跟踪线性自抗扰局部遮阴鹈鹕优化算法

基于改进鲸鱼—粒子群混合算法MPPT的研究

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基于改进鲸鱼—粒子群混合算法MPPT的研究

作者：王法凯太原科技大学

学位级别：硕士

当前科技水平飞速进步,电能成为我们在日常生活中必不可少的一部分,随着化石能源的日益枯竭,污染的日益严重,各国都在努力推动新型能源的开发,以此改善传统能源的结构,减轻一次能源对环境的破坏。太阳能是一种具有可再生性、低污染特征... 详细信息

当前科技水平飞速进步,电能成为我们在日常生活中必不可少的一部分,随着化石能源的日益枯竭,污染的日益严重,各国都在努力推动新型能源的开发,以此改善传统能源的结构,减轻一次能源对环境的破坏。太阳能是一种具有可再生性、低污染特征的清洁环保的能源,尽管光伏发电技术取得了一定的进展,但仍有许多挑战需要解决,其中实现复杂环境下最大功率点追踪就是其中重要一环。当出现局部遮阴时,光伏电池的P-V曲线会呈现出“多峰值”的特性,相对于传统的跟踪算法来说,在面对多峰值特性时无法准确快速追踪到全局最大功率点,容易出现局部最优问题,最终造成最大功率点的追踪失败。目前随着一些智能算法的提出,在追踪全局最大功率方面表现有所进步,但是它们的搜索速度相对较慢,前期输出波形波动较大因此无法发挥其应有的效果。本文提出改进鲸鱼-粒子群混合算法,可以更有效地实现对最大功率点的追踪,从而提高系统的性能。完成的主要工作如下:首先应用MATLAB/Simulink仿真平台搭建了光伏电池模型,对其输出特性曲线进行综合分析,得出电池阵列在不同温度、光照强度下所受的影响不同。实际生活当中,光伏电池在使用过程中出现局部遮阴的现象是非常常见的,因此构建光伏阵列模型,通过恒定温度来控制变量,调节光照强度来模拟局部遮阴的环境条件,来分析对光伏阵列性能的影响,以及外界环境局部遮阴情况下光伏阵列输出特性。在对控制电路进行综合分析后,决定DC-DC转换单元选用Boost升压电路。其次,研究分析了传统的最大功率点追踪的控制方法,简要的阐述了对最大功率追踪的目标和控制原理,对传统算法进行了简单的介绍,对扰动观察法、电导增量法进行仿真模型搭建,并进行对比分析。针对陷入局部最优,介绍了粒子群算法与鲸鱼算法,进而提出一种通过改进算法的收敛因子和引入随机策略因子的改进鲸鱼-粒子群混合算法(IWOA-PSO),优化了跟踪性能,能快速和稳定的对最大功率点进行追踪。最后MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了控制模型,将改进鲸鱼-粒子群混合算法仿真结果与粒子群算法和鲸鱼算法进行比较,得出改进鲸鱼-粒子群混合算法的MPP跟踪可以有效解决传统方法陷入局部最优解问题,并且跟踪速度快,输出功率波动小,从而实现对最大功率点的有效追踪,相比其它算法具有很好的优越性。

关键词：光伏发电局部遮阴最大功率点追踪改进鲸鱼-粒子群混合算法

基于混合蛙跳的两阶段粒子群算法MPPT控制

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基于混合蛙跳的两阶段粒子群算法MPPT控制

作者：刘震曲阜师范大学

学位级别：硕士

随着传统能源的枯竭和环境问题的日益严重,人们的注意力更多地集中在新能源的开发和利用上。太阳能与其它可再生能源相比,具有能源储量大、环境效益好、经济性强的优点,因此得到大量的应用。随着社会生产力的不断稳步提高,光伏发电系统... 详细信息

随着传统能源的枯竭和环境问题的日益严重,人们的注意力更多地集中在新能源的开发和利用上。太阳能与其它可再生能源相比,具有能源储量大、环境效益好、经济性强的优点,因此得到大量的应用。随着社会生产力的不断稳步提高,光伏发电系统及相关产业已成为发展最快的产业,光伏发电系统的研究变得越来越重要。在光伏发电系统的研究中,最关键的问题就是光伏电池的光电转换效率低,容易受到环境变化的影响。因此,需要通过控制算法使光伏电池板输出的功率达到最佳状态。首先,参考了大量相关文献,比较研究各类光伏发电系统最大功率点跟踪算法的利弊,发现传统控制算法缺乏全局搜索能力,仅适用于均匀光照的环境,只能寻优单峰P-U曲线。而现实生活中光伏电池常常受到外界因素或人为因素的影响发生局部遮阴现象,使P-U曲线呈现多峰型,所以通常使用智能控制算法实现最大功率点跟踪控制。并且根据光伏电池的工作原理,在Matlab/simulink中搭建出PV模型,通过改变环境温度和光照强度模拟光伏电池在均匀光照条件和局部遮阴条件下的I-U和P-U曲线。分析比较传统控制算法的优缺点,得出在多峰值的P-U曲线中,传统控制算法不具备全局搜索能力,产生失效性,不适合作为局部遮阴条件下的控制算法。其次,分析了标准粒子群算法的工作原理,发现在多峰值的最大功率点追踪中,标准粒子群算法具有全局搜索能力,但是需要较大规模的种群才能覆盖一定范围内的所有最优解。此外,为避免错过最佳粒子,搜索速度不能太高,所以标准粒子群算法收敛速度慢。另一方面,若粒子的搜索速度过快可能导致搜索精度低,重新陷入局部寻优。最后,提出了基于混合蛙跳的两阶段粒子群优化算法,用于提高收敛速度和搜索精度,减少稳态振荡。在标准粒子群算法中加入混合蛙跳算法的分组方法,确保快速准确地搜索全局极值。改进的粒子群算法还引入了自适应速度因子,进一步提高了算法的收敛速度。并且通过Matlab/simulink中的仿真模块分别对标准粒子群算法和基于混合蛙跳的两阶段粒子群优化算法仿真分析,验证了两阶段粒子群算法在跟踪速度和稳态振荡方面优于标准粒子群算法。

关键词：最大功率点跟踪局部遮阴光伏电池粒子群优化

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基于模型的光伏阵列最大功率点跟踪方法研究

基于模型的光伏阵列最大功率点跟踪方法研究

作者：许立斌南昌航空大学

学位级别：硕士

太阳能是一种清洁能源,需以光伏电池单体为媒介转换成电能。而光伏阵列的电气特性易受外界环境影响,且局部遮阴下呈现多波峰现象。因此,为获取阵列最大功率值,需增添含最大功率点跟踪技术(MPPT)的控制器。目前多数MPPT算法仅通过测量阵... 详细信息

太阳能是一种清洁能源,需以光伏电池单体为媒介转换成电能。而光伏阵列的电气特性易受外界环境影响,且局部遮阴下呈现多波峰现象。因此,为获取阵列最大功率值,需增添含最大功率点跟踪技术(MPPT)的控制器。目前多数MPPT算法仅通过测量阵列电气参数追踪最大功率点(MPP)甚至全局最大功率点(GMPP),并未考虑光伏组件内部参数(I、I、n、R、R)与MPP间的关联。为此,本文将从内部机理角度研究MPPT算法,具体工作如下。首先,本文从物理和工程数学角度介绍了光伏电池模型,同时研究了不同场景(均匀光强与局部遮阴)下阵列的输出特性,并对旁路二极管在多峰值下的工作原理与影响进行了分析,为后续MPPT算法设计提供基础。其次,针对传统MPPT算法在光强突变下存在的不足,提出了基于模型参数的两阶段(计算阶段与调节阶段)电导增量法(INC)。计算阶段使用DC/DC变换器特性应对光强变化,进而实现追踪速度的提升;调节阶段操作仅在稳态阶段执行,通过缩小扰动步长以提高发电效益。然后,本文为研究基于智能算法的内部参数辨识技术,将混沌量子粒子群算法(CQPSO)、飞蛾扑火算法(MFO)以及差分进化算法(DE)进行了实测数据内部参数的提取比较;同时,通过Lambert W函数分析了内部参数与MPP间存在的关联,为基于内部参数辨识的MPPT算法设计作铺垫。最后,本文针对均匀光强、局部遮阴场景提出了不同MPPT算法。在单波峰工况下,基于离线参数的MPPT算法先使用CQPSO算法提取内部参数数据库,然后通过短路电流近似值与模块温度获取相近五参数,进而得出MPP信息。针对多峰值问题,基于实时参数辨识的改进扰动观察算法(P&O)先通过定位阶梯分界点(SDP)确定潜在GMPP区域,然后利用飞蛾扑火算法(MFO)进行参数辨识,并得出GMPP,最终采用自适应步长P&O算法追踪。

关键词：光伏阵列 MPPT 均匀光强局部遮阴内部参数辨识

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基于改进粒子群算法的最大功率点检测研究

基于改进粒子群算法的最大功率点检测研究

作者：周蔷东北农业大学

学位级别：硕士

社会的发展离不开能源的利用,随着不可再生能源的匮乏,新能源的研究成了人们研究的热点。而太阳能作为一种巨量的可再生能源,其每日照到地球表面的能量可与数亿万桶石油燃烧的能量相媲美,它的清洁、可再生、拓展性好等特点,使它逐渐被... 详细信息

社会的发展离不开能源的利用,随着不可再生能源的匮乏,新能源的研究成了人们研究的热点。而太阳能作为一种巨量的可再生能源,其每日照到地球表面的能量可与数亿万桶石油燃烧的能量相媲美,它的清洁、可再生、拓展性好等特点,使它逐渐被人们重视,未来可能成为不可再生能源完美的替代品。现在它仅是能源的补给,日后可能成为能源系统中的重要组成部分。因此,随着能源的短缺,太阳能的利用已经成为了学术研究的热点。利用太阳能的方法很多,但最常见的就是光伏发电。光伏电池在实际应用中,会因太阳位置的变化、房屋等遮挡而出现光照不均匀的情况,进而导致热斑现象的产生,从而影响了光伏电池的功率输出。以光伏电池的基本模型研究为理论基础,本文对光伏发电在遮阴情况下的输出特性和最大功率跟踪算法进行了研究。本文首先对本课题的研究背景进行了简单的介绍,同时,对光伏发电的国内外研究现状进行了阐述;在此基础上介绍了光伏电池的基本工作原理和数学模型;之后介绍了多峰最大功率点出现的原因及解决办法,并对其工作原理进行了分析,通过MATLAB/SIMULINK软件对其输出特性进行了仿真;除此以外,还对传统和遮阴情况下的最大功率跟踪算法的基本工作原理进行了介绍,并分析了它们的优缺点。通过对这些算法的对比,本文提出了改进的粒子群算法,该算法具有全局搜索能力强,寻优率高等优势,能弥补现有算法的不足,使MPPT控制技术变得快速、稳定、准确。当光伏电池处于局部遮阴的时候,其输出功率会受到影响,而它的输出特性曲线也会出现多峰值的情况。传统MPPT算法无法实现对多峰情况的跟踪控制,而现有的局部MPPT算法因计算复杂,使MPPT控制的速度减慢,无法较好的进行跟踪控制。针对以上问题,本文提出了采用粒子群算法对最大功率点进行跟踪,并在此算法的基础上进行了改进。为了提高粒子寻优的能力,对惯性因子和粒子的速度进行了改进,除此以外,为了防止粒子陷入局部最优解中,算法中引入了敏感粒子。根据敏感因子适应度的变化,可以及时判断外界环境是否发生变化。利用改进的粒子群算法可以快速的寻找到MPP点处,当环境发生突变的时候,可以马上重新寻找新的MPP点,较好的弥补了其他算法的缺陷。为了验证算法的可行性,本文利用MATLAB/SIMULINK软件搭建了完整的系统仿真模型,针对静态环境和动态环境分别进行了仿真,验证了该算法的准确性及可行性。

关键词：光伏发电系统 MPPT控制算法局部遮阴粒子群算法

基于改进蝴蝶优化算法光伏系统MPPT仿真研究

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基于改进蝴蝶优化算法光伏系统MPPT仿真研究

作者：徐博文东北农业大学

学位级别：硕士

光伏发电在智能电网和新能源领域中占有举足轻重的地位,是实现能源结构转型和应对气候变化的关键技术之一,有利于构建多元化互补的能源体系。光伏发电的发电效率受外界环境因素影响很大,其输出特性曲线随着外界条件的改变而出现明显变化... 详细信息

光伏发电在智能电网和新能源领域中占有举足轻重的地位,是实现能源结构转型和应对气候变化的关键技术之一,有利于构建多元化互补的能源体系。光伏发电的发电效率受外界环境因素影响很大,其输出特性曲线随着外界条件的改变而出现明显变化,最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)作为提升光伏发电系统发电效率的关键技术而被广泛研究,然而传统的最大功率点跟踪算法在面对复杂多变的环境条件时,难以保障其跟踪精度,容易陷入局部最优,导致系统无法实现最大功率输出,因此,在复杂多变的环境中快速、准确地跟踪到光伏系统的最大功率点,进一步提高光伏发电的效率和可靠性,具有十分重要的研究意义,本文的研究工作如下:(1)根据光伏电池的工作原理及其数学模型,搭建光伏电池仿真模型,分析不同外界条件如光照强度、温度对光伏电池输出特性的影响,在此基础上进一步搭建光伏阵列仿真模型,设置光照强度不同的四种工况对光伏阵列的输出特性进行研究,仿真结果表明,在复杂的光照模式下,光伏阵列输出特性呈现明显的多峰性、多膝性特征。(2)通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型进行多种算法MPPT的性能测试,对传统算法扰动观察法及电导增量法进行局部遮阴模式测试,结果表明传统算法在局部遮阴情况下容易陷入局部最优难以跟踪到最大功率点。对经典的群体智能算法——粒子群算法进行均匀光照及局部遮阴模式仿真测试,结果表明粒子群算法能够跳出局部最优,但是在跟踪时间及跟踪精度上仍有进步空间。(3)针对上述算法在MPPT中存在的问题,本文选择将蝴蝶优化算法应用于MPPT控制,对蝴蝶优化算法的原理、设计流程及数学模型进行研究,搭建其仿真模型进行多模式仿真验证,结果表明蝴蝶优化算法在跟踪时间与跟踪精度上较上述算法具有一定的优势。(4)进一步研究蝴蝶优化算法的主要影响因素,为提升算法的收敛速度及跳出局部最优的能力,引入非线性切换概率、平衡优化器算法中的平衡状态池策略、随机游走策略,融合多种策略对蝴蝶优化算法进行改进,通过12种标准测试函数进行改进后蝴蝶优化算法的性能测试。仿真结果表明:在收敛性与稳定性方面,改进蝴蝶优化算法具有一定优势。搭建基于改进蝴蝶优化算法的MPPT仿真模型,并与粒子群算法和蝴蝶优化算法进行多种光照模式仿真对比,仿真结果表明:改进蝴蝶优化算法能更快速、准确地搜寻到全局最大功率点,并且在动态环境中有较强的适应性及鲁棒性。

关键词：光伏系统最大功率点跟踪局部遮阴蝴蝶优化算法

基于改进粒子群算法的光伏发电系统MPPT方法研究

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基于改进粒子群算法的光伏发电系统MPPT方法研究

作者：李亚培东北大学

学位级别：硕士

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）技术在发展太阳能发电技术过程中一直以来是热点研究问题之一。光伏阵列处于光照局部遮挡情况下时,其功率-电压（P-U）曲线会出现多个峰值点。传统的MPPT算法只能有效工作在均匀光... 详细信息

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）技术在发展太阳能发电技术过程中一直以来是热点研究问题之一。光伏阵列处于光照局部遮挡情况下时,其功率-电压（P-U）曲线会出现多个峰值点。传统的MPPT算法只能有效工作在均匀光照条件下的单峰值情况,在光照部分遮挡情况下传统算法会失灵,无法准确找到最大功率点（Maximum Power Point,MPP）。因此,对光照部分遮挡下的光伏阵列MPPT方法进行研究,对光伏发电系统发电效率的提高意义重大。（1）搭建了光伏电池的工程数学模型,通过实验研究了光伏电池在不同环境参数下输出特性的变化规律。重点对光照局部遮挡情况下光伏阵列的等效简化和建模进行了研究,并针对不同的遮挡情况进行实验设计,通过仿真分析光伏阵列输出特性的变化规律,为遮阴光伏阵列的改进MPPT算法的设计提供了理论基础。（2）针对光伏发电系统分析了 MPPT的基本原理,对比分析了均匀光照条件下三种常见的MPPT算法:恒定电压法、扰动观测法和电导增量法。重点针对变步长电导增量法存在步长设置不当引起的振荡和光照强度突变时的误判现象,提出了改进的变步长策略,有效避免了光照条件突变时的误判现象,提高了变步长电导增量法的跟踪速度和跟踪精度。（3）针对标准粒子群算法在MPPT应用中存在的振荡和粒子易陷入局部最优值现象,对算法进行改进,提出了改进的自适应粒子群算法,避免粒子陷入局部最优值,针对遮阴情况突变时全局最大功率点移动现象,增加算法重启机制,并选取基本测试函数对改进的自适应粒子群算法进行测试。结果表明,自适应粒子群算法的收敛性和跟踪精度均优于传统的粒子群算法。（4）设计了自适应粒子群算法实现MPPT功能的流程,在Matlab/Simulink仿真平台搭建了光伏发电MPPT控制系统各个模块的仿真模型,并将改进的粒子群算法应用于光伏发电MPPT仿真电路,进行了仿真实验,实验结果表明所提出的自适应粒子群算法在MPPT应用中有较高的跟踪精度和快速收敛性,在静态和动态的光照局部遮挡条件下,光伏发电系统的输出功率得到了明显提高。并搭建硬件实验平台,验证了提出的自适应粒子群算法的有效性。

关键词：局部遮阴 MPPT 变步长电导增量自适应粒子群