(完整版)光伏阵列最大功率点跟踪毕业设计

二○一二 届学生毕业论文（设计） 存档编号：毕 业 论 文 ( 设计 )论 文 题 目 光 伏 阵 列 最 大 功 率 点 跟 踪（英 文） Maximum power point tracing in photovoltaic system 学 院 物 理 与 信 息 工 程 学 院专 业 测 控 技 术 与 仪 器姓 名 周 豪指 导 教 师 周 荣 政2012 年 5 月 20 号摘 要随着世界各国经济社会的发展，绿色可持续利用的能源得到越来越多国家的重视，太阳能因为其独特的优势而得到世界各国的广泛青睐。但是因为广泛发电的核心光伏电池受外界环境因素影响较大，其次，光伏电池的光电转换效率普遍较低且价格昂贵， 再者光伏发电系统的前期投入较大，为了提高太阳能的普及面，提高效率减少材料所造成的污染问题，必须对光伏发电系统加以有效的控制。本论文着重对光伏阵列常用的几种的最大功率点跟踪控制技术进行了简要的理论分析，并建立了 MATLAB 仿真模型，通过实验验证比较相应的控制策略的优缺点。首先，本文简要的对光伏电池的电气特性进行了分析，建立了光伏电池的仿真模型。同时，对常用的最大功率点跟踪（ MPPT ）方法：导纳增量法（ Incremental Conductance） 、扰动观测法（ P&O ）进行了简要的分析，在实验的基础上并提出了改进的方法：通过模糊控制实现占空比跟踪的方法。总结这些方法各自优缺点，在实际应用中应根据具体环境选择合适的跟踪方法。然后，本文对光伏发电系统进行了简要分析，光伏发电系统主要核心模块包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。本位分析重点侧重光伏电池和最大功率点跟踪，系统其它部分简要提及。关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；爬山法；电导增量法；模糊控制；MATLAB/SIMULINK 仿真；ABSTRACTWith the green and renewable energy be widely used, solar energy is accepted commonly because of its unusual advantages. But the output of photo voltaic (PV) array is influenced by the environmental factors, and PV array have relatively low conversion efficiency and is expensive. In order to reduce the overall system cost and extract the maximum possible solar energy, we should control the PV system effectively. This paper focuses on MPPT control techniques of PV array, analyses the theory particularly, establishes simulation model with MATLAB software, presents control strategies relevantly, and validated by experimental results. Firstly, this paper analyses the electrical characteristics of PV cell and establishes simulation model, and also analyses commonly used MPPT methods, such as Incremental Conductance method、 P&O method. And then presents three improved methods: Open Circuit method、 Optimal Gradient method、 Three-Point Weight Comparison method. These methods each has his strong point and can be used in different field. Secondly, this paper analyses the composing of the PV system. It is composed by PV array、 power electronics converters、 power storage system and loads. Keywords: Photo voltaic cell； MPPT ； P&Q , ； Incremental Conductance method,；Fuzzy controller； MATLAB/SIMULINK. 目 录摘 要 （ 中文 ） ………………………………………… .…………………………………… .I （ 英文 ） ……………………………………………… .…………………………… .… II 第一章 概述 11． 1 研究背景 . 错误！未定义书签。1． 2 研究背景及发展现状 . 错误！未定义书签。1． 3 研究内容 . 错误！未定义书签。1． 4 实现的方法及预期目标 . 错误！未定义书签。1． 5 本文的主要内容及章节概述 2第二章 光伏电池特性的研究 . 42． 1 光伏电池的工作原理 . . 42.1.1 P-N 结简介 52.1.2 光伏电池的工作原理 42． 2 光伏电池的电气特性 62． 2． 1 光伏电池输出特性方程 62． 2． 2 光伏电池模组与阵列 92． 3 光伏电池的仿真实现 . . 10 2． 3． 1 仿真原理与模型 . 10 2． 3． 2 光伏电池的特性分析 92． 4 小结 . 12 第三章 最大功率点跟踪算法的研究 . 18 3． 1 光伏系统的最大功率点跟踪 . 18 3． 2 常用的最大功率点跟踪算法 . 14 3． 2． 1 爬山法 (P＆ O） . 14 3． 2． 2 爬山法仿真结果及其分析 17 3． 2． 3 导纳增量（ Incremental Conductance ）法 18 3． 2． 4 导纳法仿真结果及其分析 . 20 3． 3 优缺点分析 . 21 3． 3． 1 爬山法分析 . 21 3． 3． 2 导纳法分析 . 21 3． 4 小结 . 30 第四章 自适应占空比扰动模糊控制法 . 31 4． 1 模糊控制的基本原理 . 31 4． 2 模糊控制规则库的建立 31 4． 3 模糊控制算法 . . 31 4． 3． 1 查表法 . 31 4． 3． 2 软件模糊推理法 . 32 4． 3． 3 解析公式法 . 33 4． 4 自适应占空比法 . 33 4． 4． 1 自适应占空比扰动模糊控制法 . 33 4． 4． 2 算法的思路 . 33 4． 5 小结 . 26 第 五 章 总 结 与 展望 285． 1 总结 . 37 5． 2 展望 . 37 参考文献 30 第 1 章 绪论1.1 本文的研究目的和意义1.1.1 研究目的在目前所有可再生绿色能源中，太阳能公认是利用最灵活，最可行的一种能源，面对着能源危机，研发成本的的限制等问题、如何最大化的利用太阳能光伏发电系统发的电具有深远的意义。要保证光伏发电系统的高效运行，需快速准确地进行最大功率点跟踪 (MPPT)，目前很多常用最大功率点跟踪方法都存在一定缺陷，从而导致光伏系统的功率较低，为此本文研究了几种常见的光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法，比较其各自的优缺点，为选取跟踪方法提供理论依据。1.1.2 研究意义能源是国民经济发展的命脉， 是人民生活所必须的产物， 其在现代工业生产、 社会生活中占有重要地位。 有专家曾预言 21 世纪将是能源战争的年代，随着化石能源（石油，煤炭）的逐步消耗，能源危机已展现在全人类面前，太阳能作为一种巨量的可再生能源，开发和利用丰富的太阳能可以缓解目前的能源危机。面对能源危机， 当前世界各国都在新能源的开发方面 投入巨大的人力、物力、财力， 其中以太阳能开发利用投入最大， 当今世界正围绕太阳能展开了一场科技革命。虽然太阳能发电还没有真正进入普及阶段，但它的发展是一个必然的趋势，因为它的优点很多。首先，太阳能是可再生能源，取之不尽，用之不竭；其次，太阳能是一种清洁绿色的能源，对环境无污染，适宜大力普及。1.2 光伏阵列最大功率点跟踪研究的背景及其发展现状随着全球经济的发展，能源问题日益严重，越来越多的国家关注新能源的利用，随着常规能源（石油，煤炭）的消耗量日益增大，生态环境问题日益严重，迫使世界各国必须寻找一种新型的可持续利用能源代替传统能源 [6] 。太阳能 , 风能，地热能已经得到了广泛的认同，而在这其中，太阳能毫无疑问处于突出的位置，世界各国都投入巨大的人力，物力，财力争相发展这一清洁能源，它们的利用方向涵盖发电，取暖，供水等各领域。在某些领域，太阳能的利用已日渐成熟，甚至进入实用阶段。当太阳能的利用普及面的增加， 摆在我们面前很现实的问题是如何提高太阳能的利用效率，由于太阳能的初期投入很大，要想得到价值的同等回报，提高系统效率势在必行。这就是本文的出发点。当前制约太阳能发展的因素主要有两点： （ 1）初期投入较大； （ 2）太阳能光伏电池的转换效率低，目前我们较多使用的光伏电池效率普遍在 15%左右，即使世界上较先进的光伏电池只有在较特殊的实验条件下的效率也仅为 40%左右 [6] ，因此光伏电池最大功率跟踪就十分重要，长期以来本课题也是学术界研究的热点。1.3 本文主要的研究内容光伏电池输出的最大功率岁外界的条件变化而变化，影响最大功率点的主要因素是温度和光强的随机变化。为了使系统能随外部条件的变化而自我调节，从而达到提高光伏阵列输出最大功率的目的，采取的措施是实时跟踪阵列的最大功率点。本文以独立的光伏发电系统为研究对象，利用MATLAB为工具。 通过仿真比较目前常用的跟踪方法的各自特点。为在不同环境下选取跟踪方法提供理论依据。1.4 实现方法及预期目标本文采用理论结合实际的方法，先简要分析光伏系统的组成，各模块的工作原理，然后利用仿真软件对系统参数，实时曲线进行模拟得到实验数据，分析实验数据，验证理论的合理性。具体步骤如下：（ 1）建立太阳能电池物理模型，分析计算电特性。在 MALTAB环境下建立动态仿真模型该模型具有最大功率点跟踪的功能，改变各种参数，比较各种算法。（ 2）分析光伏电池的输出特性利用 MATLAB建立光伏电池模型奠定最大功率点跟踪的基础，分析各种最大功率点跟踪方法的优缺点。1.5 本文主要章节概述本文基于 MATLAB 环境下对光伏阵列的最大功率点跟踪， 以便阵列在外部环境不断变化的情况下仍能保证系统以最大功率输出。 论文的主要内容及安排如下：第一章 本章在广泛阅读当前太阳能最新技术文献的基础上介绍太阳能发电的现状、前景以及目前制约太阳能普及的因素，简要介绍本文的研究的背景，目的，方法以及预期的目标。第二章 本章节着重介绍太阳能技术的核心部件——光伏电池。在科学技术飞速发展的今天，光伏电池的更新换代也更加快速。简要介绍了光伏电池的特点及分类依据，在了解光伏电池工作原理的基础上介绍它的输出特性。通过改变温度，光强的外界因素模拟仿真其输出的变化，得到影响其工作的最主要因素。第三章 本章在了解光伏电池基本电气特性的基础上介绍光伏阵列最大功率点跟踪的常用方法（爬山法、导纳增量法） ，通过设置参数，利用MTLAB 实现仿真，经过示波器观察波形，得到基本的实验结论，从而比较两者各自的优缺点。第四章 本章节主要介绍模糊控制器的基本原理， 简单介绍了 3 种常用的模糊控制方法：查表法、软件模拟推理、公式解析法。分别推理了它们的算法。另外还介绍了一种改进的最大功率点跟踪方法 -- 自适应占空比模糊控制法，简述了改进的依据，方法，优点。将模糊逻辑控制应用于光伏电池最大功率点的跟踪不仅跟踪迅速，而且到达最大功率点后基本没有波动，即具有良好的动、稳态性能自适应占空比。第五章 总结本论文所获得基本结论，同时指出文章存在的不足。展望了未来太阳能的发展前景以及将来太阳能技术的发展趋势。第二章 光伏电池特性的研究作为能直接将太阳能转换为电能的光伏电池越来越受到人们的重视，其在光伏发电系统中占有重要地位。其特点包括：重量轻，寿命长，使用方便，能抗击各种振动，其在各种电池中是污染最小，市场前景最好的电池。因此本文首先简要介绍光伏电池的电气特性。光伏电池多采用半导体材料。 随着科学技术的发展， 光伏电池的种类已相当繁多，但无论采用何种材料生产光伏电池，它们的共同特点是：材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成巨大的污染；材料适合大规模的生产，最重要的是要有较强的稳定性 [4] 。2． 1 光伏电池的工作原理光伏发电的核心要解决的是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是这一核心部件，它的原理是利用半导体的光伏效应（光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象）制成的，它是一种能将太阳能辐射能直接转换成电能的转换器件。由若干个光伏电池封装成光伏电池组件， 再根据需要将若将若干个组件合成一定规模的光伏阵列，配套使用储能、测量、控制等装置，即构成光伏发电系统。2.1.1 P-N 结简介当今社会多数电子产品都是由介于导体和绝缘体之间的半导体材料制成，首先我们有必要介绍一下半导体材料及 P-N 结的基本原理。现在大多数半导体材料为硅晶体，当掺入三价元素杂质时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴，同理当掺入五价的元素时便多了一个电子。当 P型半导体与 N型半导体结合后，在其交界处便出现了电子和空穴的溶洞的差别，电子从 N区向 P区扩散，空穴从 P 区向 N区扩散，由于电子空穴都是带电的着用就在空间电荷区形成了一个内电场，势垒电场的又对多数载流子（ N区的电子和 P 区的空穴）的扩散运动起阻碍作用。进入 P区的电子和进入 N区的空穴在内建电场的作用下，带负电的电子受到被拉回 N区的力作用，带正电的空穴则受到被拉回到 P 区的力作用。这种载流子在势垒电场作用下的运动成为漂移运动。漂移流正好和上述交界面的扩散流方向相反。扩散运动和漂移运动共存，在一定的温度和光照下，这两种作用相互矛盾又相互联系的统一在一个整体内，最后达到平衡，这就是 P-N结的形成过程。光伏电池正是利用了光激发少数载流子通过 P-N 结而发电的 。2.1.2 光伏电池的工作原理光伏电池的基本原理就是利用半导体材料的光伏效应。在无光照的条件下， PN结内部形成内部电场，当光照在 PN结附近时，当光子能量 hv≥E 时在结区附近就产生少数载流子（电子，空穴对）这些载流子在结区外考扩散进入结区，在结区内在电场的作用下，电子漂移到 N区，空穴漂移到 P 区。使得 N 区带负电荷， P 区带正电荷，就产生了附加电动势，这就是光伏效应。P 电场 N+ V -hv图 2.1 光伏电池的工作原理2． 2 光伏电池的电气特性2． 2． 1 光伏电池输出特性方程光伏电池在原理上等效为一个二极管 [4] ，其等效电路如图 2.2 所示。图 2.2 光伏电池等效电路图根据基尔霍夫电流定律可得光伏电池的输出特性方程：{exp[ / ( )] 1} ( ) /LG d shLG s s shI I I IRI Ios q AKT V IR V IR R（ 2-1 ）3[ / ] exp[ / (1 / 1 / )]GOIos Ior T Tr qE BK Tr T （ 2-2 ）[ 1( 298)] / 1000LG SCRI I K T （ 2-3 ）其中公式中的参量代表的具体意义详见表 2.1 。通常情况下讨论实际等效电路时，是在忽略 Rs或 Rsh的影响下进行电路分析，从上述公式中我们可以发现：电阻 Rs越大，短路电流会越小，但不会对开路电压造成大的影响；电阻 Rsh越大，开路电压会变小，但不会对短路电流造成大的影响。同时，我们可以发现输出电流对输出功率的影响程度较大，加上影响开路电压的因素除了 Rsh外还有流过二极管的电流值，因此 R是影响光伏发电比较重要因素。因此，在后面的讨论中我们将忽略 Rsh，从而可以得到简化的光伏电池输出特性方程如下：{exp[ / ( )] 1}LG OS q AKT V IRsI I I （ 2-4 ）表 2． 1光伏电池等效模型参数解析符号 描述 单位 数值I 光伏电池输出电流 A V 光伏电池输出电压 V I OS光伏电池暗饱和电流A T 光伏电池表面温度 ° K K 波尔兹曼常数 J/ ° K 1.38 × 10ˉ 23Q 单位电荷 C 1.6 × 10ˉ 19K1 短路电流的温度系数A/ ° K λ 日照强调 W/m2I SC标况下光伏电池短路电流A I LG 光电流 A EGO半导体材料的禁带宽度J A.B 理想因子，一般介于 1和 2之间Tr 参考温度 ° K 301.18 Ior Tr 下的暗饱和电流 A Rsh 光伏电池的并联等效电阻ΩRs 光伏电池的串联等效电阻Ω2． 2． 2 光伏电池与光伏阵列的组成关系光伏电池组 (Module) 是由许多小单位的光伏电池经由并联或串联组合所组成的 [10] 。 ； 电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。而电池串联组合的特点是可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压因此， 合理的对电池串、 并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。我们可以得到光伏电池模组的输出特性方程：{exp[ / ( )] 1}LG OS SI npI npI q nsASK V IR （ 2-5 ）上式中 ,np 、 ns分别代表模组中并联、串联光伏电池的个数。同理，光伏阵列是由许多小单位的模组通过并联或串联组合而成的。表 2． 2 Siemens SP75 在标准测试条件下的参数电气特性 规格额定输出最大功率 Pmax 75（ W）额定电流 Im 17（ A）额定电压 Vm 4.4 （ V) 短路电流 Isc 21.7(A) 开路电压 Voc 4.8(A) 短路电流温度系数 2.06(mA/ ° C）开路电压温度系数 -0.77 （ V/ ° C) NOCT(NOrmal OPerating Cell TemPerature) 45± 2( ° C）本文将以德国 Siemens公司生产的 SP75型号的光伏电池为例子简要讨论光伏电池的特性，表 2.2 列出了该型号模组的各项参数。它由 36个单结晶矽光伏电池串联而成， ，根据公式（ 2-5 ） ，得到该型号光伏电池模组的输出特性方程：1( 2 )1[1 ( 1)]C VocVSCI I C e（ 2-6 ）考虑温度和太阳辐射影响时：2( )/( )1[1 ( 1)OCV DV C VscI I C e DI（ 2-7 ）其中：ref ref SCR/R DT+(R/R ) IDI （ 2-7 ）SDV DT R DI （ 2-7 ）（ 2-10）得到上式后用 SIMULINK对该光伏电池模组进行仿真，并对仿真结果进行简要的分析 。2． 3光伏电池的仿真实现2． 3． 1仿真原理与模型在公式（ 2-6 ）中有 C1、 C2,下面对这两个未知量分别进行讨论 [5] ，分别建立模型。1，求解未知量 C1 其中 2/( )m1 (1 I / ) m OCV C VscC I e（ 2-11 ）按公式（ 2-7 ）可以创建 C1的子模块图 2.3 子模块 C1模型图2，求解未知量 C2 其中 m2 ( / 1)/{ln(1 I / )}m oc scC V V I（ 2-12 ）按公式（ 2-8 ）可以创建 C2的子模块图 2.4 子模块 C2模型图得到上式两个未知量后，根据公式（ 2-6 ）即可实现该型号 5光伏电池模组的建模，如图 2.5 。采用 V、 T、 λ 作为输入， I 、 P(输出功率 P=IV)作为输出。输入变量 V在 0～ 30V之问，模拟温度 T=25℃、日照强度 A在 200～1250W／㎡，得到光伏电池模组的， I-V 、 P-V关系如图 2.6 ；模拟温度 T在20～ l00 ℃、 日照强度 λ =750W／㎡时， 电池模组的 I-V 、 P-V的关系如图 2.7 。2． 3． 2 光伏电池的特性分析光伏电池是利用太阳能发电，因此其必然会受到外界因素的影响。其中最主要的因素是温度、光强 [4] 。 从上面的仿真结果可对光伏电池的特性进行简要的分析。分析结果如下：从图 2.6 可以看出，当温度不变，光强变大，光伏电池模组的开路电压不变，短路电流增大，导致输出功率变大。而且，从 P一 V曲线图可以得出，最大输出功率点几乎落在同一根垂直线的两旁的附近处。结论是当温度一定时，光伏电池输出电压保持恒定且为在某一光强下相应于最大功率点处的电压，则不管日照量如何变化，光伏电池可大致保持在该温度下的最大功率输出。从图 2.7 可以看出，当光强一定时，温度增加，光伏电池开路电压会下降，短路电流略有上升，输出功率减小。而且，从 P-V曲线图可以看出，对应于温度的变化，最大功率点几乎成线性变化。温度的上升，会造成光伏电池输出功率的减小，因此外界温度环境会直接影响到光伏电池的工作效率。图 2.5 光伏电池模型圈 2.6 在大气温度固定 (25 ℃ ) ， 不同日照强度下， 光伏模组对日照量变化的特性曲线图： (a) 光伏模组的输出电流与输出电压的关系图； (b) 光伏模组的输出功率与输出电压的关系图。