光伏电池simulink仿真-毕设

摘 要太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、用之不尽、无污染等优点，受到人们越来越多的重视。光伏发电是充分利用太阳能的一种有效方式之一。由于目前光伏电池板的价格比较高，转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建模仿真方面对具有最大功率点跟踪的控制器进行了研究，提出了一种新的最大功率点跟踪方案。本文主要任务如下首先，本文介绍了论文的相关研究背景、选题意义、以及论文的主要工作。其次，分析了太阳能电池板的工作原理，利用 MATLAB/simulink 模块对不同环境及不同日照强度下的太阳能电池输出特性进行了建模、仿真。再次，介绍并分析了最大功率点跟踪原理，以及常用的几种跟踪方法。介绍了三种常用的 DC/DC 变换器的工作原理。紧接着，对干扰观察法和电导增量法进行了建模和仿真，针对电导增量法提出了一种适合车用的改进方案。仿真结果表明新的方案在一定条件下可以显著减小最大功率跟踪系统响应时间。而后，用 CATIA 软件对第一代太阳能车进行了设计，建立了蓄电池驱动电机和蓄电池充电系统电路。最后，针对充电系统的电流、电压开发了一个简单的检测分析软件。关键词 太阳能 ；最大功率跟踪 ； MATLAB 仿真 ； DC/DC 变换器AbstractSolar power is a new green power. It is regarded as clean, pollution-free, and inexhaustible. Photovoltaic conversion is an effective way to use solar power. Because the price of photovoltaic cell is expensive and conversion efficiency is low presently, the Maximum Power Point Tracking is absolutely necessary, in order to decrease system cost and increase efficiency. Aims at how to increase the efficiency of conversion for the photovoltaic energy system, this paper researches the solar controller with maximum power point tracking MPPT and presents a novel MPPT method from the simulation.The main work of this paper is as followsFirst, introduces the background, significance, work.Second, analyzing the principle of the solar panel and using the MATLAB software to build the simulation of the output characteristic for the solar cell under different temperature and isolation. Third, introduces the MPPT principle, comparing several common MPPT methods and find out their advantage and disadvantage. Then analysis three DC/DC converters’ principles.Forth, using the MATLAB software simulink toolbox to build the simulation of the Perturbation And Observation method, Incremental Conductance method and improved the Incremental Conductance method. The result of the simulation demonstrates that the new strategy can reduce the responding time of the system.Fifth， using the CATIA software to build the first generation solar car 3D model. Then build the circuit of the MPPT system.Last, write a program to analysis the current and voltage of the system.Keywords Solar Energy ; MPPT ; MATLAB Simulation ; DC/DC Converter- 1 -目 录第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 11.2 光伏产业的发展现状 21.2.1 国外光伏产业发展现状 .21.2.3 国内光伏产业发展现状 .31.2.3 太阳能车发展现状 .41.3 本课题的意义 61.4 本文主要内容 7第 2 章 光伏电池特性及其仿真模型的建立 82.1 光伏电池的工作原理 82.2 光伏电池等效电路 92.3 光伏电池仿真模型的建立 .102.3.1 工程用光伏电池的数学模型 102.3.2 光伏电池的 simulink 模型 .122.4 本章小结 .17第 3 章 光伏发电系统最大功率点跟踪系统的研究 .183.1 最大功率点跟踪的概念 .183.2 最大功率点跟踪的原理 .193.3 常用最大功率跟踪控制算法 .203.3.1 恒定电压法 203.3.2 干扰观察法 213.3.3 电导增量法 223.4 DC/DC 电路实现光伏电池最大功率点跟踪原理 .243.5 典型 DC/DC 变换电路 .253.5.1 降压式变换器（Buck） 253.5.2 升压式变换器（Boost） .293.5.3 升降压式变换器（Buck-Boost） 323.6 最大功率跟踪控制算法 simulink 仿真分析 34- 2 -3.6.1 降压式变换器建模 343.6.2 干扰占空比的最大功率跟踪算法 373.6.3 干扰观察法 393.6.4 电导增量法 423.7 车用光伏电池最大功率跟踪仿真与分析 .443.7.1 车用最大功率跟踪方案 453.7.2 车用最大功率跟踪方案仿真分析 463.8 本章小结 .49第 4 章 第一代太阳能原型车制作 .494.1 车辆系统原理图 .494.2 原型车 CATIA 建模 .504.3 电池驱动直流电机电路设计 .514.3.1 单片机的选择 524.3.2 直流电动机脉宽调速（PWM） 系统设计 .534.4 最大功率跟踪电路设计 .554.4.1 主回路实现 564.4.2 驱动电路 574.4.3 检测电路 574.4.4 与计算机通讯电路 584.4.5 电源电路 584.4.6 光伏发电系统主要电路原 理图 59第 5 章 光伏电池电流、电压检测分析软件 .605.1 MATLAB 软件编程 605.2 光伏电池电流、电压检测分析软件 .615.3 本章小 结 .61结 论致 谢参 考 文 献1第 1 章 绪 论1.1 课题背景能源，是人类赖以生存根本，其中化石能源作为目前全球消耗的最主要能源，不仅给地球环境带来了严重的破坏，而且正在一天天走向枯竭。据中国科学院院士、中国科学院能源研究委员会副主任严陆光研究表明地球在数十万年积聚下来的石油、煤炭、天然气等化石能源，大约可供人类使用 300 年。根据现在探明的储量和消耗水平计算，石油可用 30 至 50年，天然气可用 60 至 80 年，煤炭可用时间长一些，大约 100 至 200 年。总体上化石能源大约还可供人类使用 100 年左右。化石能源终会耗尽，价格长期上涨的趋势不可改变。能源市场向来是一个充满了政治纠葛、国家利益斗争的地方。不论是 2002 年以来的石油价格高涨，还是 2008 年的石油价格暴跌，一个无法回避的现实是地球上的化石能源储量是有限的。有限的传统能源是无法支撑人类长期的经济发展要求。化石能源的价格短期内可能有涨有跌，但从长期来看，上升之势不可逆转。寻找人类合适的新能源是人类长久发展的必要条件。与其他新能源相比，太阳能或许是真正的最终解决方案。从可用总量上来看，水能、风能、潮汐能都太小，不能满足人类需求。核能尽管具有一定的发展空间，但是安全问题总是相伴左右。地热能从理论上看也具有潜力，但是如何利用是一个天大难题。所以，太阳能是人类所知，目前已经可以利用的，清洁安全的，能够解决人类未来需要的唯一能源选择。总之，随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏2（Photovoltaic，PV）发电技术得到了持续的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的研究，对于缓解能源和环境问题，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。1.2 光伏产业的发展现状1.2.1 国外光伏产业发展现状在能源危机和全球气候变暖的压力下，可再生能源越来越受到德、美、日等国政府的关注，并相继提出了光伏发电的“光伏屋顶计划” 、 “新阳光计划”等，在政府的政策、法规和行动计划推动下，全球光伏产业以一个朝阳产业的面貌高速成长。在过去的 15 年中，全球光伏产业以 25的年均增长率成长。2003 年以来欧洲光伏市场的迅速起动，使得 2004 年、2005 年市场曾经一度出现供不应求的局面。随后各大厂商纷纷加大产能，尽管原料紧张，2006 年世界光伏电池产量仍然达到 2501 MW，比 2005 年增加了 42.2。2000～2006 年全球光伏系统安装量年均复合增长速度高达49.1。2006 年全年新增光伏系统安装容量达到 1870.4 MW，比 2005 年增长 35。多年以来德国一直是全球最大的光伏市场，在德国光伏屋顶计划示范的影响下，西班牙、意大利、葡萄牙、挪威等国纷纷效仿，这些国家的市场已经兴起，其中西班牙的增长率超过 200；在亚洲，日本和韩国的安装量 2007 年也迅猛增加；在美国，2006 年通过的加利福尼亚州“百万太阳能屋顶计划”进一步刺激了美国的市场需求。随着太阳能产业的快速发展，太阳能组件价格不断下降，但仍然较高，国际市场价格在 1980年为 21.83 美元每峰瓦，1990、2005 年分别为 6.07、2.70 美元每峰瓦。3值得指出的是，新型的薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的1/100 左右（有的不用硅材料，如 CIGS（铜铟镓硒） ，CdTe（碲化镉）薄膜电池）加工工艺简化，可以大大缩短能量返还时间，提高能量再生比。如美国 Nanosolar 公司开发的卷筒印刷 CIGS 薄膜电池技术，预计的能量返还时间仅为 2 个月。其年产能为 430 MW 的薄膜电池工厂将于明年投产。1.2.3 国内光伏产业发展现状中国于 1958 年开始研究太阳能电池，于 1971 年首次成功应用于东方红二号卫星上，并于 1973 年开始用于地面。中国的光伏工业在 20 世纪80 年代以前尚处于雏形，光伏能电池的年产量一直徘徊在 10kW 以下，价格也很昂贵。但随着我国经济发展，党和政府开始越来越重视太阳能光伏发电的开发。胡锦涛同志在对“关于支持我国太阳能自主创新关键技术的建议”报告的重要批示中指出“太阳能是重要可再生能源之一，推进科技创新，解决太阳能发电高成本问题是大规模开发利用太阳能的关键” 。自 2002 年起我国太阳电池制造业高速发展，年均增长率达 180。据不完全统计，全国光伏产品生产企业逾 500 家。2006 年我国光伏电池的产量 369.5MW，同比增长 145.0，产量超过美国居全球第三位，占全球产量的 14.8。全国光伏企业 500 多家中，已在海外上市企业有 10 家，但产能在 5MW 以上的企业仅 20 多家，多数企业规模小、技术水平低，尚未达到经济规模，造成资源严重浪费和无序竞争。太阳能电池制造业的迅猛发展，使国内硅材料严重短缺，多晶硅供不应求，所需多晶硅 90以上需要进口。在太阳能电池的应用方面，我国太阳能光伏电池的市场需求较小，发4展缓慢。虽然，自 2001 年起，在 7 个省区实施“送电到乡”工程，总投资达 26 亿元，光伏组件安装量达到 16.5MWp，极大地推动了中国光伏产业和市场的发展。但是，同国外发达国家相比，我国的市场仍然是需求较小，发展很缓慢，国内生产的电池组件 95以上出口。到 2006 年全国累计装机容量仅为 80MW。2006 年全国光伏电池的安装量为 10MW，占当年光伏电池的产量 369.5MW 的 3.7，国内市场仅占全球市场（1744MW）的 0.6。全国累计 80MW 的装机容量中，边远地区农村电气化占总装机量的42.9，工业应用和消费产品共占 52.8，城市并网发电只占 4。在太阳能电池研究方面，国内许多高校和研究机构也长期致力于光伏发电技术领域的研究工作。其中合肥工业大学能源研究所在光伏水泵变频器、户用光伏并网发电系统和光伏照明系统等方面都进行了许多相关研究，并且在光伏技术产业化上积累了一定的经验；中国科学院电工研究所在光伏并网发电系统的开发和工程应用上也取得了很大进展，其下属机构参与设计安装的位于深圳市国际园林花卉博览园的 1MW 光伏并网电站是目前亚洲最大的集中式光伏并网电站；此外，中山大学、北方交通大学和新疆新能源研究所等院校和研究机构也在光伏发电领域开展了大量的研究和开发工作。1.2.3 太阳能车发展现状1984 年 9 月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功，并开进了北京中南海的勤政 殿。该车车顶上安装了 2808 块单晶硅片，组成10㎡的硅板，装有三个车轮，自重 159kg，车速 20km／h。1996 年，清华大学参照日本能登竞赛规范，研制了“追日”号太阳能汽车。重 800 公斤左 右,最高车速达 80 公里每小时，造价为 7.8 万美元。其采用的电池板是我国第五代产品，太阳能转化率只能达到 14。 2001 年，全国高校首5辆可载人的太阳能电动车“思源号”在上海交通大学诞生。该车无需任何 助动燃料，只要在阳光下晒三、四个小时，便能轻松跑上 10 多公里。 之后，中山大学太阳能系统研究所也推出了一辆酷似公园电瓶车的太阳能电动车。该车可以搭乘 6 名乘客，但是国产的时速最高却只有 48 公里，持续行驶时间也就 1 个小时。 2006 年，我国首辆太阳能轿车在南京亮相，这辆可以直接切换电能的太阳能汽车行驶速度最高 可达每小时 88 公里。如果加上电能，这辆车晚上能跑 220 公里，白天可跑 290 公里。太阳能车目前尚处于“概念车”状态。因为太阳能的不稳定性、分散性（强烈时大约 1 千瓦/平方 米）以及太阳能收集装置效率低、成本高，太阳能直接作为汽车或自行车的动力几乎是不可逾越的瓶颈，前景并不乐观。而用固定装置大规模收集太阳能用以发电， 给电瓶汽车、电瓶自行车充电作动力是比较现实的，现在就可以做到。 目前，除了汽车和环保爱好者，汽车企业在太阳能汽车上的研究和开发并不多，对新能源的开发重 点还是集中在混合动力上。据专家说，要突破科技瓶颈，使太阳能汽车正式走入人们的生活，还需要 30 至 50 年的时间。 曾经在日内瓦国际车展上亮相，由法国汽车厂 VENTURI 所发表的Electic 概念电动车款，这辆运用了太阳能与先进替代能源概念打造的新车，不久前 VENTURI 已经表示将在不久之后正式量 产，而且也宣布相当于约 2.4 万欧元（折合人民币 25.5 万元）的接单预售价，量产初期将先试产约 20 辆作为法国当地某些示范小区的通勤测试使用。6图 1.1 太阳能车为了扩大这辆太阳能电动汽车的销售市场，日前法国原厂还特地空运一辆原型车到美国加州进行测试，根据原厂表示这辆电动车每充满一次电力可以行驶约 50 公里 的续航力，而且安全极速被电子限速器锁定于50km/h 左右，除可连接外部电源充电外，车顶也内建大面积的太阳能收集板以储存热能的形式转换为动能，车上的电动马达最大马力输出值为21hp 左右，峰值扭力约为 5.11kgm，空车总重为 350 公斤左右，将来发售后原厂将提供二年不限里程的新车保固服务1.3 本课题的意义光伏电池在一个既定的温度和光照强度下会在一个特定的工作点达到最大输出功率，这个工作点就叫做最大功率点（Maximum Power Point） 。但是因为太阳电池的输出特性是复杂的非线性形式,故而难以确定其数学模型,也就无法用解析法求得最大功率。所以，为了使电池充电过程中总是工作在最大功率点，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking 简称 MPPT技术应运而生，其目的就是使太阳能电池板在环境变化时仍然能迅速调整它的工作点保持在最大功率点。最早的太阳能供电仅为负载与光伏阵列的直接匹配，其功率输出比较小。后来出现的恒电压跟踪法（CVT） ，一定程度上弥补了直接匹配的不足。7而为了实现最大功率输出出现了最大功率点跟踪（MPPT）技术。目前，光伏阵列的最大功率点跟踪MPPT技术，国内外已有了一定的研究，发展出各种控制方法常，常用的有一下几种恒定电压跟踪法Constant Voltage Tracking 简称 CVT、干扰观察法Perturbation And Observation method 简称 P2设定 ILIsc,这是因为在通常情况下 RS 远小于二极管正向导通电阻,并设定在开路状态下I0,VVoc;最大功率点VVm,IIm。在此条件下太阳电池的 IV 方程可简化为2-3𝐼𝐼𝑠𝑐{1‒𝐶1[exp 𝑉𝐶2𝑉𝑜𝑐‒1]}在最大功率点处 VVm,IIm，可得2-4𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐{1-𝐶1[exp𝑉𝑚𝐶2𝑉𝑜𝑐-1]}由于在常温条件下 exp[Vm/C2Voc] 1,可忽略式中的“-1”项,解出 C12-5𝐶11‒𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐𝑒𝑥𝑝‒𝑉𝑚𝐶2𝑉𝑜𝑐在开路状态下，当 I0 时，VVoc，并把（2-5）带入（2-3）得2-60𝐼𝑠𝑐{1‒1‒𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐𝑒𝑥𝑝‒𝑉𝑚𝐶2𝑉𝑜𝑐[exp1𝐶2‒1]}由于 exp1/C21,忽略式中的“-1”项,解出 C22-7𝐶2𝑉𝑚𝑉𝑜𝑐‒1/𝑙𝑛1‒𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐本模型只需要输入太阳电池通常的技术参数 Isc、Voc、Im、Vm,就可以根据式2-4、2-6得出 C1和 C2。最后的太阳电池 I-V 特性曲线是由2-2确定。太阳电池 I-V 特性曲线与光照强度和电池温度有关。通常地面上光照强度 S 的变化范围为 0-1000W/m2,太阳电池的温度变化较大,可能从 10-70℃。按标准,取 Sref1000W/m2,Tref25℃为参考光照强度和参考电池温13度。当光照强度及电池温度 S 、T℃不是参考值时 ,必须考虑其对𝑤/m2太阳电池特性的影响。设 T 为在任意日射强度 S 及任意环境温度 Tair 下的太阳电池温度，则有2-8TT𝑎𝑖𝑟KS对于一般情况 K 值可取为 K0.03 。℃ m2/W通过对参考日射照强度和参考电池温度下 I-V 特性曲线上任意点V,I的移动,得到新日照强度和新电池温度下的 I-V 特性曲线上任意点V’,I’为2-9𝑑𝑇𝑇‒𝑇𝑟𝑒𝑓2-10𝑑𝐼𝛼𝑆𝑆𝑟𝑒𝑓𝑑𝑇𝑆𝑆𝑟𝑒𝑓‒1𝐼𝑠𝑐2-11𝑑𝑉‒𝛽𝑑𝑇‒𝑅𝑠𝑑𝐼2-12𝐼𝐼𝑑𝐼2-13𝑉𝑉‒𝑑𝑉式中 参考日照强度下的电流温度系数,A/℃；𝛼参考日照强度下的电压温度系数,V/℃。𝛽对于单晶硅及多晶硅太阳电池其实测值为 0.0012IscA/℃ 𝛼0.005VocV/℃。 𝛽2.3.2 光伏电池的 simulink 模型Simulink 是 MATLAB 中用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。下图 2.3 是根据上文中的数学模型建立的光伏电池 simulink 模型。14图 2.3 simulink 光伏电池模型Simulink 提供的子系统封装功能可以大大增强 simulink 系统模型框图的可读性。所以为方便以后最大功率跟踪整体模型的建立，对上图光伏电池模型进行封装如下图 2.4。封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。图 2.4 simulink 光伏电池模型封装子系统封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。关联好的参数设置输入窗口如图 2.5。15至此光伏电池内部建模结束，本文采用的光伏板数据如表 2.1 所示。针对此光伏板在环境温度为 25℃光照强度为400 ,600 ,800 ,1000 及环境温度为 65℃光照强度为 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m2400 ,600 ,800 ,1000 的条件下进行仿真，其模型如图 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m22.6 所示，仿真结果曲线如图 2.7a、b所示。标准测试条件下最大功率 150W峰值工作电流 4.95A峰值工作电压 35.2V短路电流 5.2A开路电压 44.2V电流温度系数 6.24 mA/℃电压温度系数 0.221 V/℃串联电阻 0.5Ω表 2.1 仿真用光伏板参数图 2.5 simulink 光伏电池模型输入参数设置对话框16图 2.6 光伏电池输出特性仿真模型环境温度为 25℃，65℃光照强度为 400 ,600 ,800 ,1000 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m2𝑤/m2图 2.7 光伏电池电压电流特性曲线环境温度为 25℃，65℃光照强度为 400 ,600 ,800 ,1000 𝑤/m2 𝑤/m2 𝑤/m2𝑤/m217图 2.8 光伏电池电压功率特性曲线通过对仿真曲线与光伏电池实测曲线对比证明了仿真曲线可以较为准确的反应光伏电池的物理特性。研究光伏电池的仿真模型，有助于理解光伏阵列的输出特性，了解影响光伏电池输出特性的各个环境因素，把这些特性用于电路和系统仿真中，有助于更加充分了解和发挥光伏电池在光伏发电系统中的应用。2.4 本章小结为了在光伏系统仿真过程中获得最佳的仿真效果，本章在介绍了光伏电池原理的基础上对光伏阵列的简化电路模型和工程用数学模型及推导进行了介绍。针对数学模型在 MATLAB/simulink 环境下建立了光伏电池的仿真模型,通过在不同环境变量下的模拟仿真和与真实太阳能特性曲线的对比证明了仿真模型的精度和可用性。18第 3 章 光伏发电系统最大功率点跟踪系统的研究3.1 最大功率点跟踪的概念通过对光伏电池仿真曲线的观察分析了解到光伏发电受外界环境影响较大，电池表面温度和日照强度的变化都可导致输出特性发生较大的变化。并且，由于目前光伏阵列的成本高、初期投入大、转换效率低，所以为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是当下光伏发电系统要解决的问题。现在的光伏发电系统中，通常是要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要针对环境变化的不同能够实时地跟踪光伏阵列的最大功率点，即下图 3.1 中的 A 点。最大功率跟踪的目的就是当环境变化导致最大功率点偏离 U-P 曲线的最高点时，系统可以将工作点在新的特性曲线上沿图 3.1所示箭头方向移动至最大功率点，以达到供给负载最大功率的目的。图 3.1 25℃，日照强度 800 时太阳能输出最大功率点 𝑤/m2因此，为使光伏阵列始终能够输出其最大功率，以提高太阳能的利用率，并给太阳能车蓄电池充电，确定一个好的适合太阳能车的最大功率跟19踪算法是其关键。3.2 最大功率点跟踪的原理随着电子技术的发展，当前太阳能电池阵列的 MPPT 控制一般是通过DC/DC 变换电路来完成的。其原理框图如下图 3.1 所示。光伏电池阵列与负载通过 DC/DC 电路连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对 DC/DC 变换器的 PWM 驱动信号占空比进行调节。图 3.1 MPPT 系统原理框图光伏充电系统可简化模型为如下图 3.2 所示。将光伏电池简化为恒压源和内阻 Ri,外部电路简化为负载 Ro。则负载功率为3-1𝑃𝑅𝑜𝐼2𝑅𝑜 𝑉𝑅𝑖𝑅𝑜2𝑅𝑜上式两端对 Ro 求导得𝑑𝑃𝑅𝑜𝑑𝑅𝑜𝑉𝑅𝑖‒𝑅𝑜𝑅𝑖𝑅𝑜33-2所以，当 时 有最大值。𝑅𝑖𝑅𝑜 𝑃𝑅𝑜20图 3.2 光伏充电系统简化模型对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和 DC/DC 转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节 DC-DC 转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出，也就实现了光伏电池的 MPPT。3.3 常用最大功率跟踪控制算法目前，光伏阵列的最大功率点跟踪MPPT技术，国内外已有了一定的研究，发展出各种控制方法常，常用的有一下几种恒电压跟踪法Constant Voltage Tracking 简称 CVT、干扰观察法 Perturbation And Observation method 简称 PO、增量电导法Incremental Conductance method 简称 INC、基于梯度变步长的电导增量法等等。3.3.1 恒定电压法恒定电压法的基本理论依据是不同日照条件下光伏电池的输出 P-U 曲线上最大功率点电压位置基本都位于某个恒定电压 附近。因此，CVT 法𝑈𝑚的控制思路就是将光伏电池输出电压控制在该电压处，这样一来光伏电池在整个工作过程中将近似的工作在最大功率点处。恒定电压跟踪方法不但21可以得到比直接匹配更高的功率输出，在一定的条件下，还可以用来简化最大功率点跟踪（MPPT）控制。从严格的意义上来讲 CVT 法并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方法。虽然此法比一般光伏系统可以多获得 20左右的电能，相比不带 CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方法忽略了温度对光伏电池阵列开路电压的影响，所以 CVT 法的精度甚低，适应性差，系统最大功率的跟踪精度完全取决于电压值 的选择，一旦周围环境变化就无实现准确的𝑈𝑚最大功率追踪。但是 CVT 法以其控制简单、易实现、且系统不会出现振荡，具有良好的稳定性著称。3.3.2 干扰观察法干扰观察法的原理是每隔一定的时间针对光伏电池输出电压进行扰动，使其增加或减少，同时对其输出功率进行观测，判断其产生变化的方向并以之为依据决定下一步的控制信号变化。这种控制算法一般采用功率反馈方式，通过两个传感器对太阳能电池阵列的输出电压和电流分别进行采样，并计算获得其输出功率。若 ΔP0，说明电压调整的方向正确，可以继续按原方向进行“干扰” ；若 ΔP0 dI /dU -I /U这说明参考电压应该向着增大的方向变化；同理，如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有即dP /dU0 dI /dU -I /U这说明参考电压应该向着减小的方向变化；如果当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处或附近，此时将有即dP /dU0 dI /dU -I /U此时参考电压将保持不变，也就是光伏阵列工作在最大功率点上。在理论上电导增量法法比干扰观察法要好，因为它在下一时刻的变化24方向完全取决于在该时刻的电导 GI/U 的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而此法能够适应快速变化的日照强度，而且跟踪精度较高。图 3.5 电导增量法流程图3.4 DC/DC 电路实现光伏电池最大功率点跟踪原理DC/DC 变换器，亦称为直流斩波器。它能将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压，这一过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比 D 来改变输出电压的平均值。DC/DC 变换器接入到光伏发电控制系统中，和最大功率跟踪装置一起实现整个光伏发电系统的最大功率跟踪。上文介绍的几种常用最大功率跟踪算法虽然算法不同，但是在最大功25率点调节环节的根本方法都是通过改变 DC/DC 电路开关管的 PWM 波占空比。所以，下面针对几种 DC/DC 电路进行介绍3.5 典型 DC/DC 变换电路DC/DC 变换器可以分为很多种，按照调制形式可分为脉冲宽度调制（PWM） 、脉冲频率调制（PFM） 、混合调制。按照变换电路的功能可分为降压式直流-直流变换（Buck Converter） 、升压式直流 -直流变换器（Boost Converter） 、升压-降压复合型直流-直流变换器（Boost-Buck Converter） 、库克直流-直流变换（Cuk Converter） 、全桥式直流-直流变换（Full Bridge Converter） 。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为单象限直流斩波器、二象限直流斩波器。现针对其中常用的三种进行介绍。3.5.1 降压式变换器（Buck）降压式变换器是 PWM 型变换器中最简单，也是最基本的一种。其电路拓扑如图 2 所示。 Buck 变换器的优点是电路简单，动态性能好。其缺点是①输入电流的脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以工程中常在电源和变换器之间加入一个输入滤波电容。②稳态电压比永远小于 1，只能降压；③开关晶体管发射极不接地，使得其驱动电路很复杂。其电路原理图如下