可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）471审查一种适用于直流负载的莫森·MElhagrya， Zeinab Elkadya，Nahab， Naser Abdel-Rahimb，F ahmyBendaryba电子研究所，133 Tahrier Street，Dokii，Giza，埃及b电子工程部，埃及开罗Benha大学Shoubra工程学院接收日期：2015年10月15日;接受日期：2015年2016年8月3日在线发布摘要改进光伏发电系统结构，使光伏发电系统输出功率最大化，是当前光伏发电领域的研究热点提出了一种多输入单输出光伏发电系统。该系统由多个光伏模块组成;每个模块为DC-DC转换器供电转换器的输出连接在一起形成直流电压源。为了最小化转换器的输出纹波，每个转换器的控制信号根据拓扑中使用的转换器的数量而彼此时移一定的时间间隔。本研究以蓄电池为主要负载，以负载电流为控制变量。模糊逻辑控制器的设计，以调整系统的工作点，以获得最大的功率。结果表明，该系统具有很好的响应光伏系统的各种运行条件。此外，输出滤波器最小化，直流输出电压质量优异。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：光伏系统;最大功率点跟踪; Boost变换器;模糊控制器内容1.导言. 4722.系统描述4742.1.光伏组件474的分析和建模2.2.最大功率点跟踪方法475*通讯作者。电子邮件地址：elhagry 251@yahoo.com（M.M. ELhagry），Zeinabelkady1985@gmail.com（Z. Elkady），nabdelrahim@gmail.com（N.Abdel- Rahim），Fahmybendary10@gmail.com（F. Bendary）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.10.0052314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。472M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）4712.3.基于模糊逻辑的控制器4752.4.DC/DC升压转换器设计4763.第479章提议4.模拟结果4815.结论483附录A 483参考文献4841. 介绍随着全世界能源需求的不断增长，研究表明，到2050年，全球能源需求将几乎增加两倍（Robert，1997年）。 可再生能源可以在减少环境问题和延缓化石燃料枯竭方面发挥重要作用（21世纪可再生能源政策网络，2012年）。可再生能源，如太阳能、风能、生物质能和潮汐能，作为传统能源的一种清洁替代能源，已成为当今研究的热点。然而，PV发电具有显著的优点，例如没有旋转部件，因此维护成本低（Mitchell等人，2005; Wang等人， 2004年）。此外，由于大规模生产技术，光伏系统的安装成本一直在下降。然而，PV系统的主要缺点是其在夜间或低照明时段期间或在部分遮蔽条件期间的无效性以及低转换效率。因此，大部分的光伏发电以下部分讨论了PV连接系统结构的演变过去的技术，如图所示。 1基于将大量PV模块连接到电网的集中式逆变器（Kjaer等人，2005年）。光伏组件被分成串联连接（称为串），以达到高功率水平。这些串联连接然后通过串二极管并联连接。这些集中式逆变器受到许多限制，例如：• 光伏组件和逆变器之间的高压直流电缆• 由于难以跟踪全局最大功率点，效率有限• 二极管串中的损耗，以及• 扩张困难由于集中化技术的缺陷，光伏串结构，如图所示。 2是集中式逆变器的简化版本，其中单个光伏模块串连接到逆变器。输入电压可以足够高以避免电压放大。没有与串二极管相关的损耗，并且可以将单独的MPPT应用于每个串。与集中式逆变器相比，这提高了整体效率。这种配置于1995年出现在光伏市场上，目的是改善中央逆变器的缺点（Muresan，2012）。如果逆变器之前的电压电平太低，则可以使用DC-DC转换器来对其进行升压。图3中所示的多串结构是串逆变器的进一步发展，其中几个串与它们自己的DC-DC转换器连接到共同的DC-AC逆变器（Wang等人， 2004年）。 这是有益的，与Fig. 1. 光伏集中式结构。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471473图二. PV串结构。图三. 光伏多串结构。见图4。 PV的结构。集中式系统，因为每个字符串都可以单独控制。因此，可以容易地实现进一步扩展，因为具有DC-DC转换器的新串可以插入现有平台。由此实现了具有高效率的灵活设计（Meinhardt和Cramer，2000）。但围绕PV系统设计结构的研究仍在进行中（Walker等人，2004;Bangyin等人，2008;CalaisandAgeldam，1998;Girietal.，2003;Tolbert和Peng，2000;Walker，2001;Baekhoej等人， 2005年）。在这项研究中，对每个单独的面板进行单独的MPPT，而不是试图在整个字符串面板上提取最大功率（见图11）。 4）. 这克服了部分阴影的问题。每个PV模块的输出连接到升压DC-DC转换器的输入与升压DC-DC转换器连接的每个PV模块的组合每个转换器的控制信号的载波波形彼此时该时间间隔的值取决于待研究光伏系统中的相数。比较所提出的系统和传统系统的结果，它被发现，所提出的系统采用较小的滤波器的大小，满足严格的条件施加在并网和独立的光伏系统应用的输出电流和电压纹波。474M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471KTCA××NSNP图五.广义PV的等效电路模型（适当模型）。2. 系统描述2.1. 光伏组件当PV电池暴露于阳光时，一定百分比的入射光子在结区中被吸收，从而释放硅晶体中的电子（Tsai等人，2008;Villalva等人，2009年）。本研究中使用的PV太阳能电池的等效电路模型是图5所示的适当模型（Tsai等人，2008年）。太阳能电池的电压-电流特性方程如下：I=IPH−Is<$expq（V+IRS）−1<$（1）其中I是输出模块电流;IPH是光生电流或光电流;IS是暗电流的电池饱和度;q是电子电荷（=1.6 10−19 C）;K是玻尔兹曼当量（2）用于光伏组件我的天公司简介I=NPIPH−NPIsexpKTCA− 1<$（2）其中NP是并联电池的数量;NS是串联电池的数量。IPH=[ISC+KI（TC−TRef）]G（3）其中ISC是电池. T3.1−1Σ⎤IS=IRSCT参考实验结果GTRefTCKA中国（4）其中IRS是电池从Eqs。（2）系统（Solarex MSX 60）中使用的PV板参数见附录A。在不同的辐照度和温度条件下，光伏组件的非线性I-V和P-V输出特性如图1和图2所示。3和4图图6示出了温度变化对PV模块的（I-V）特性的影响。图中显示，光伏组件电压随温度升高而降低。图7示出了日照变化对PV模块的（I-V）特性的影响。图中显示，光伏组件电流随日照增加而增加。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471475见图6。（见图7。（2.2. 最大功率点跟踪方法最大功率点（MPP）出现在PV的I-V曲线的拐点处，该点随温度和太阳辐射而变化，如图1A和1B所示。6和图7 最大功率点跟踪（MPPT）技术的目的是将PV系统的操作点定位成尽可能接近其MPP（Petrone等人，2008年）。在（Esram和Chapman，2007）中讨论了不同MPPT技术的广泛比较研究。结果表明，在各种MPPT方法中，至少有19种不同的方法被报道。在这项研究中，电池被用作主要负载。负载电流可用作控制变量，如图所示。8.第八条。模糊逻辑控制器的设计，以调整系统的工作点，以获得最大的功率。2.3. 模糊逻辑控制器模糊逻辑为控制非线性过程提供了解决方案，它可以处理模糊和不确定的情况。 模糊控制源自模糊集理论（Raviraj和Sen，1997）。 模糊逻辑系统的输入将是误差（e）和误差变化（ce）。输出将是采样时刻k的占空比变化（dD476M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471- -见图8。单相最大功率点跟踪建议方法框图表1模糊规则库eceNZPNIncDecNCZNCNCDecPIncDecNC（Kjaer等人，2005年）。模糊逻辑由以下几个阶段组成：模糊化、规则库、推理系统和去模糊化。Eqs。（5）和（6）提供误差和误差e（k）=I（k）−I（k−1）（5）ce（k）=e（k）−e（k−1）（6）I（k）是时刻（k）的输出电流;I（k1）是时刻（k1）的输出电流;e（k）和ce（k）是误差和误差的变化，以指示输出电流是增加还是减少。利用Matlab软件中Simulink的模糊工具箱，开发了模糊逻辑控制器。模糊变量模糊变量为了简单起见，选择了三个三角形隶属函数。模糊推理是将给定输入到输出的映射公式化的过程。模糊逻辑规则为表1中的9条规则。模糊规则库建立在直觉推理和经验的基础上。模糊隶属度N、Z、P、inc、dec、nc分别定义为负、零、正、增加、减少和不变。2.4. DC/DC升压转换器设计DC/DC升压转换器有两种模式：连续导通模式（CCM）用于高效功率转换，不连续导通模式（DCM）用于低功率或待机操作，这里我们将升压转换器设计为在CCM下操作，每级升压转换器的每个组件值都被确定为满足设计规格，例如：1. Input Voltage Range：VIN（max）2. 标称输出电压：VOUT。3. 开关频率。4. 以及纹波电压。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471477见图9。拟议系统的框图。见图10。三相系统的偏移载波波形。478M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471= −图十一岁最大功率点对应于日照变化和T= 25° C。（a）PV板1的日照模式（b）PV板2的日照模式见图12。建议的两相光伏系统的日照模式。第一步是计算最小输入电压的占空比D。使用最小输入电压，因为这导致最大开关电流。D1Vin（min）×ηVout（七）其中，Vin（min）是最小输入电压;VOUT是所需输出电压;η是转换器的效率，估计为80%。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）4714792个F和S≥表2从图中读取MPP。 十一岁T= 25° C时的日照（G）对应G= 1 kW/m2 62.31 WG= 0.8 kW/m2 49.25 WG= 0.6 kW/m2 36.31 WG= 0.4 kW/m2 23.37 W图十三.响应所提出的系统使用模糊逻辑MPPT控制器由于日照模式图中所示。12个。效率被添加到占空比计算中，因为转换器还必须提供耗散的能量该计算给出的占空比没有效率因子的公式更真实（Hauke，2014）。CCM中的电感值由公式L≥RD（1−D）2（8）其中L为电感值;R为负载电阻;F是开关频率;D是占空比周期CVo×DF-S× B-O× R（九）式中C为电感值;Vrvo为电压纹波（例如5%）。从Eqs。（7）3. 所提出的系统基于图4所示的光伏拟议结构，本研究提出了一种拟议的多输入单输出光伏系统。本研究的主要目标是从不同的光伏组件获得最大功率，并馈送到同一直流母线。连接到升压DC-DC转换器的PV模块连同其MPPT控制的组合对于n个相位，每个DC-DC升压转换器的载波波形彼此其中T是开关周期。在这项研究中，所有三个转换器的开关频率相同，但每个转换器的载波信号彼此时移T/n。例如，在三相系统中，每个S480M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471见图14。总输出负载功率的情况下如图10所示，载波信号彼此延迟120 kHz。值得一提的是，所收集的负载功率由系统中采用的升压转换器共享该技术类似于用于高功率应用的交错技术，但是代替并联功率器件，并联功率转换器是另一种解决方案这可能更有益。此外，在功率转换器并联架构的情况下，交错技术自然出现（Liu等人，2005;Liccardo等人， 2007年）。所研究的系统采用Solarex MSX 60 PV板（见附录A）。所提出的方法的结果证明了以下优点：• 减少输出波形纹波• 提高可靠性• 易于系统扩展，• 这种技术有助于缓解部分阴影问题。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471481≈≈ ≈ ≈≈≈≈≈≈图15.两相情况下输出负载电流纹波增加（a）常规方法（b）建议相移方法。4. 仿真结果为了证明该系统的操作，两相和三相光伏系统的设计和仿真使用Matlab/Simulink。模糊逻辑控制MPPT方法，以保证每个光伏电池板在其最大功率运行。图11显示了在25℃恒温条件下，随日照变化的P-V特性曲线。每个太阳日射值对应的MPP在图上显示，为方便起见，在表2中列出。图图12（a）和图12（b）分别示出了施加在PV板1和PV板2上的日射图案。 图图13示出了使用模糊逻辑控制器用于MPPT的系统响应。该图示出，根据PV板1和PV板2的日照模式，从时间0 s到1 s，PV板1的PV功率为62.21 W（MPP），负载功率为58.5 W，PV板2的PV功率为23.33 W（MPP），负载功率为21.9 W。同样，从时间1 s到2 s，PV板1的PV功率为 49.2 W（MPP）和负载功率46.5W，并且PV板2的PV功率36.26W（MPP）和负载功率34W。从这些结果可以得出结论，模糊逻辑MPPT控制器是能够提取最大功率，每个阶段都受到高效率与升压效率94%。图14示出了在“两相”PV系统的情况下输出负载功率的时间响应图15（a）示出了在常规方法（载波信号中没有相移）的情况在图14（a）的内部窗口中描绘了该负载功率的稳态响应的放大视图图14（b）示出了在所提出的方法的情况下的负载功率。的放大区域视图该负载电流的稳态响应在图1的内窗口中示出。 14（b）. 比较两个图的缩放视图 图根据图14（a）、（b）和15（b），发现所提出的拓扑中的波纹是波纹的10%。482M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471≈≈≈图16.三相情况下输出负载功率（a）常规法（b）提出移相法。与传统方法相比，此外，在传统方法中输出功率波动为2W，而在所提出的方法中为0.2W。对于图1和图2中提到的相同操作条件，图14和图15示出了波纹减小的机制，其中在相移控制方法的情况下，波纹峰值彼此偏移，并且所得的波纹变化非常小，如图15所示。 15（b）. 但是在传统方法中，波纹峰值是同相的并且彼此相加，如图15（a）所示。实验结果表明，该方法的电流纹波是传统方法的10%。图16（a）和图16（b）提供了在“三相”PV系统的情况下的负载功率从图中可以看出，所提出的拓扑结构在相位数较高的情况下表现良好此外，波纹的减少此外，可以看出，负载功率由所有系统相共享，而没有相被加载到另一相上。 对于图1所述的相同操作条件， 16，Fig. 图17（a）和（b）详细示出了如前所述的波纹减少的机制。最后，所提出的PV系统技术的总效率从常规PV系统的情况下的92.3%增加到93.2%。M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471483图十七岁三相情况下的输出负载电流纹波增加（a）常规5. 结论本文对采用MPPT控制方法的两相和三相独立光伏发电系统进行了研究和分析。建立了光伏组件的数学模型，并在Matlab/Simulink中实现本文报道了光伏组件的特性和模拟结果一个模糊逻辑控制器，用于将每个PV板的工作点调制到其最大功率点。结果与传统方法（无相移）相比，该方法降低了电压和电流纹波，提高了效率，减小了滤波器尺寸。此外，采用MPPT移相控制方法的多输入单输出光伏系统可以为不同应用的光伏系统或混合发电电源提供高可靠性。附录A.系统参数。L（升压电感）2毫小时C（升压电容）0.5 mfFs（开关频率）10kHzVbattery24 V充电时间百分之五十铅酸蓄电池（负载）50 AhSolarex MSX 60规格（1 kW/m2，25℃）。484M.M. Elhagry等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）471特性规格典型峰值功率（Pp）60 W峰值功率时的电压（Vpp）17.1伏峰值功率时的电流（Ipp）3.5 A短路电流（ISC）3.8 A开路电压（VOC）21.1伏开路电压温度系数短路电流温度系数（KI）电池额定工作温度（NOCT）−73mV/C3 A/C49摄氏度引用Baekhoej，K.S.，约翰，P.，Frede，K.B.，2005年 光伏组件单相并网逆变器的研究。 IEEE Trans. 印第安纳 Appl. 41，1292 -1306。邦因湖，Shanxu，D.，Yong，K.，2008年基于直流模块的高效光伏发电系统的性能评估《太阳系学报》第29期（9月）.Calais，M.，V.G. 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