光伏阵列MPPT控制方法的研究及仿真

本科毕业设计（论文）光伏阵列 MPPT 控制方法的研究及仿真燕 山 大 学2012 年 06 月本科毕业设计（论文）光伏阵列 MPPT 控制方法的研究及仿真学 院： 里仁学院 专 业：电力系统及其自动化 学生 姓名： 学 号： 09120303 指导 教师： 杨秋霞 3答辩 日期： 2013.6.16 燕山大学里仁学院毕业设计（论文）任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位： 电力工程系 学号 09120303学生姓名专 业班 级 09 电力 2 班题目名称 光伏阵列 MPPT 控制方法的研究及仿真题目性质1.理工类：工程设计 （ ） ；工程技术实验研究型（ √ ） ；理论研究型（ ） ；计算机软件型（ ） ；综合型（ ） 。2.管理类（ ） ；3.外语类（ ） ；4.艺术类（ ） 。题目类型 1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ）题目题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ √ ） 主要内容内容：1、了解当今光伏发电的现状，并掌握光伏电池的工作原理。2、学习并熟练运用MATLAB软件进行仿真。 3、研究当今广泛运用于最大功率跟踪系统的几种控制方法：固定电压跟踪法、扰动观测法和导纳微增法并了解每种方法的优缺点。4、对这几种方法进行研究仿真，最终给出仿真结果。目标：对光伏阵列 MPPT 几种控制方法进行研究及仿真。毕业设计说明书一本，查阅一篇相关英文参考文献及译文。﷡ 基本要求1．遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2．独立完成设计任务，培养基本的科研能力； 3．设计说明书一份（不少于 2 万字） ；英文资料翻译不少于 5 千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4. 完成相关的仿真实验，并反映在论文中，给出编写的程序清单。参考资料1、光伏产业发展情况以及 MPPT 控制方法的相关资料2、MATLAB 软件的相关教材。3、在校园期刊网上查阅有关文献 10 篇以上，外文文献 1 篇以上。周 次 1—4 周 5—8 周 9—12 周 13—16 周 17—18 周应完成的内容查阅文献，熟悉选题的相关知识，对所选题目建立总体认识。学习与选题有关的必要知识；熟悉 MATLAB软件的使用。对光伏阵列MPPT 几种控制方法进行比较研究，了解其优缺点。完成对几种控制方法的仿真，给出仿真结果。撰写毕业论文，准备答辩。指导教师：杨秋霞 职称：副教授 2012 年 12 月 20 日系级教学单位审批：年 月 日摘要I摘要随着当前世界不断的发展，化石能源短缺和其所带来的环境污染问题越来越严重，急需可再生能源的替代，目前世界各国都在发展新能源，用来减少对传统化石能源的依赖。在这些可再生能源之中太阳能是其中不可获取的一部分，它有自己独特的广泛性和清洁性受到人们的青睐。但是所开发的光伏电池输出功率容易受到光照强度和环境温度的影响，使其不能有效的讲电能传给负载由此问题便有了学术界对光伏电池最大功率点跟踪技术的研究，研究的最大公功率点跟踪技术方法有固定电压跟踪法、扰动观察法和导纳微增量发等。本文是通过对目前光伏产业发展现状的研究，讲述光伏发电的基本原理和最大功率点跟中方法的控制方案。首先是对光伏电池的数学模型，根据数学模型在 Matlab 软件中搭建仿真电路并得出仿真结果，验证其数学模型的正确性。接着是对最大功率点跟踪方法的原理进行重点的讲解，特别是固定电压跟踪法、扰动观察法和导纳微增量法这几种常用的方法，比较他们的优缺点。最后是对这几种方法用 Matalab/Simulink 搭建模型仿真并得出仿真结果。关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；固定电压跟踪法；扰动观察法；导纳微增量法燕山大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractWith the current world continues to develop, fossil energy shortage and environmental pollution problems they bring more and more serious, urgent need for renewable energy alternatives, the current world are developing new energy sources, to reduce dependence on traditional fossil fuels . Among these renewable energy sources in the solar energy is a part of which can not be obtained, it has its own unique breadth and cleanliness by people of all ages. But the development of the photovoltaic cell output power vulnerable to light intensity and ambient temperature, so that it can not effectively pass power load stresses, thus there will be some academic problems Photovoltaic Maximum Power Point Tracking technology research, research nominal maximum power point tracking method with a fixed voltage tracking method, perturbation and observation method and admittance micro-increments hair and so on.This is achieved by the current development status of the PV industry, about the basic principles and photovoltaic maximum power point with the method of control scheme. The first is the mathematical model of photovoltaic cells, according to the mathematical model built in Matlab software simulation circuit and the simulation results obtained to verify the correctness of the mathematical model. Followed on the maximum power point tracking method to explain the principle focus, in particular, fixed voltage tracking method, perturbation and observation method and the admittance of these types of micro-increment method commonly used methods, compare their advantages and disadvantages. Finally, these are several ways to use Matalab / Simulink to build simulation models and simulation results obtained.KeyWords: Photovoltaic cells；Maximum Power Point Tracking； Fixed voltage tracking method；Perturbation and observation method；Admittance micro incremental methodIII目录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙IAbstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙II第 1 章 绪论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.1 课题的背景与意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.2 国内外光伏发电产业现状 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.2.1 国外光伏发电产业现状 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.2.2 国内光伏发电产业现状 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙41.3 光伏发电系统的原理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙51.4 本文主要研究内容 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6第 2 章 光伏阵列特性及数学模型 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72.1 光伏电池的工作原理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72.2 光伏电池的等效电路 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙82.3 光伏电池的性能参数 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.3.1 短路电流 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.3.2 开路电压 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙102.4 光伏电池的伏安特性 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙102.5 光伏电池的数学模型 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙112.6 本章小结 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11第 3 章 光伏阵列最大功率点跟踪的策略 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.1 最大功率点跟踪的原理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.2 常用的 MPPT 控制方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙173.2.1 固定电压跟踪法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙173.2.2 扰动观察法法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙193.2.3 导纳微增量法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙213.3 本章小结 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙23第 4 章 光伏阵列 MPPT 仿真与结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.1 光伏阵列仿真结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.2 最大功率点跟踪的仿真 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙254.2.1 固定电压跟踪法的仿真与结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙264.2.2 扰动观测法的仿真与结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙274.2.3 导纳微增量法的仿真与结果 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙284.2.4 三种 MPPT 算法的比较 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙32IV4.3 本章小结 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙33结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙35参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙36致谢 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙38附录 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙39第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 课题的背景与意义人类的文明发展离不开能源，能源是发展的基础，人类现在处于能源匮乏和使用其所带来的生态恶化的环境中，对新能源的开发尤为重要。在当代的世界中，引用新能源而不污染环境是全人类共同所关心的问题，当然这也是我国现在发展所关心的重要问题，我国石油等化石能源匮乏，对国外进口依赖逐年增大，对新能源的开发急切需要。在人类发展的过程中，人类所利用的主要还是化石能源，如煤炭、石油、天然气等，化石能源不可再生，而且目前其储量也是日益减少。能源的消耗随着人口的增加、世界经济的发展是与日俱增，这种传统的化石能源日益枯竭，能源危机正一步一步的逼近我们。在二十世纪初进行的世界能源数据调查显示 [1]，全世界的石油储量可开采 39.9 年，天然气是 61 年，煤炭比较长点是 227 年。目前世界传统的化石能源非常拮据，而且我国更是不容乐观。在 2000 年的统计中，我国可开发的能源总储存量占世界的 10.1%，在这之中煤炭约占 58.8%，石油约占 3.4%天然气约占 1.3%，水资源约占 36.5%。这些能源只够我国经济发展开采利用 129.7 年。我国人口众多，对能源的需求更加严重，并且我国的化石能源可开采量都低于世界平均水平，能源问题面临着日益严重的挑战。传统化石能源日益减少，而且其分布不均匀，传统化石能源容易带来环境和生态的破坏，这些都是我国能源紧缺的原因，不符合我国的经济可持续发展，开发新能源已经成为我国的趋势。新能源跟传统的化石能源比较有很明显的可再生性，比如说：太阳能、水能、风能、潮汐能、和生物质能等等。在这其中太阳能更加具有广泛性和情节性，是新能源发展的焦点。太阳能有取之不尽、用之不竭、廉价、无环境污染等优点，人类可以更加自由的利用。太阳到达地面的辐射能量高达 80 万千瓦/秒，如果把照射到地球表面的 0.1%的太阳能能够转化为电能，即使很低的转化率 5%，那么每年的发电量也能达到 5.6×10 千瓦/时，12燕山大学本科生毕业设计（论文）2是目前世界能耗的 40 倍。其主要的特点有 [2]：1、可再生能源。太阳能取之不尽，用之不竭。据估算，一年之中投射到地球的太阳能，其能量相当于 137 万亿吨标准煤所产生的热量，大约为目前全球一年内利用各种能源所产生能量的两万倍。 2、清洁无污染。太阳能在转换过程中不会产生危及环境的污染。 3、资源分布广泛。太阳能资源遍及全球，可以分散地、区域性地开采。我国约有 2/3 的地区可以较好利用太阳能资源。 4、间歇性。光伏发电是间歇性的，有阳光时才发电，且发电量与阳光的强弱成正比关系。 5、投入成本少。光伏发电是静态运行，没有运动部件，寿命长，无需或极少需要维护。 6、光伏系统模块化。可以安装在靠近电力消耗的地方，在远离电网的地区，可以降低输电和配电成本，增加供电设施的可靠性。从上述所讲，长远的看，太阳能的潜能大，利用前景好。在近几十年里太阳能的利用技术在研究开发和市场开拓方面有了长足的发展，作为新兴产业之一快速稳定的发展。在这其中，太阳能光伏发电成为世界上节能、倡导绿色电力的高新技术产业。发展光伏产业是解决能源危机与生态环境保护的最佳途径之一。随着不断发展，光伏产业所需要的组件成本不断的下降，光伏技术应用已经正在逐渐的渗透人们的日常生活和生产的各个方面。在光伏产业技术中港服控制系统是不能缺少的，采用高效、可靠、安全的光伏控制系统，是在光伏系统中的关键，控制系统是整个光伏系统持续、平稳、可靠的运行。在特定的环境温度、太阳强度下，光伏电池在一个工作点上达到最大输出功率，这个工作点就是“最大功率点” 。在理想的情况下希望光伏系统能工作再最大输出功率点，但是最大功率点受到环境温度和光照强度的影响，光伏电池还有一个不稳定的因素就是光伏电池的寿命和负载的电气特性。因此在光伏阵列的输出参数和负载之间要加一种最大功率点跟踪网络来使其工作在最大功率点，这种接口是开关模式的 DC/DC 变换电路，基于第 1 章 绪论3最大功率点跟踪技术（MPPT)，利用脉宽调制（PWM）控制法实现。它保证了在环境温度和光照强度以及所加负载变换的情况下，光伏阵列是能够工作在最大功率点，从而最大限度的从光伏阵列汲取能量。1.2 国内外光伏发电产业现状目前太阳能的应用主要有两种形式：一是把太阳能转化为热能；二是把太阳能转换为电能。前者包括人们所熟悉和广泛使用的太阳能热水器，后者称为太阳能光伏发电技术（简称 PV 技术）。发达国家如美国、德国、日本等，由于相对重视，研究经费充足，科研实力强，半个世纪以来在光伏发电领域已经取得了很多成果。其中太阳能的电池的成本已由每瓦 1500美元降至每瓦几美元；应用的领域也从航天、国防、工业转向民用。1.2.1 国外光伏发电产业现状美国“百万屋顶计划 ”：1996 年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“ 光伏建筑物计划”，投资 20 亿美元， 1997 年美国政府在全世界率先宣布发起“ 百万太阳能屋顶计划” ，2002 年，美国的光伏电池生产总量达到 11.2GMW，计划到 2010 年要求发电成本降到 7.7 美分/千瓦时。日本“阳光计划 ”：日本政府早在 1974 年就公布了 “阳光计划”，1993 年又提出“ 新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002 年，日本的光伏电池生产总量已达到 254.5MW，并且以世界最快的增长速度 4.86%增长，计划到 2010 年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。德国“十万太阳能屋顶计划” ：德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1990年，德国政府率先推出“1000 太阳能屋顶计划” ，1993 年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的 1000 屋顶计划，继而扩展为 2000屋顶计划，1998 年德国政府进一步提出了 10 万光伏屋顶计划，同时研究燕山大学本科生毕业设计（论文）4开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999 年 1 月起开始实施“十万太阳能屋顶计划” 。德国政府颁布的 《可再生能源法》于 2000 年 4 月 1 日正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力 [3]。1.2.2 国内光伏发电产业现状我国于 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，光伏电池的年产量一直徘徊在 10kW 以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上太阳电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯和直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在 1981~1990 期间，中国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固并在一些应用领域建立了示范工程，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，先后从国外引进了多条太阳电池生产线，除了一条 1MW 的非晶硅电池生产线外，其它全部是单晶硅电池生产线，使得中国太阳电池的生产能力猛增到 4.5MW/年，售价也由 80 元/W 下降到40 元/W 左右。太阳电池已不再仅仅用于小功率电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域。到 2000 年，中国的太阳电池累计用量已超过 15MW[4-5]。从 1996 年到 2000 年，中国光伏发电无论是在产业化方面还是在应用方面都取得了很大的进展，在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。2002 年，原国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划” ，该计划通过光伏发电和小型风力发电解决西部七省区 780 个无电乡的用电问题，这一项目大大刺激了我国光伏产业的发展。截止 2004 年，中国已在光伏水泵、独立运行逆变器、并网逆变器、通信用控制器和光伏系统专用测量设备等部件第 1 章 绪论5攻关上取得了重大进展，而且在光伏电站、风光互补电站、光伏户用系统和并网发电系统的开发上取得一定经验；同时在产品的系列化、模块化、标准化、智能化以及工业化生产方面取得一定进展。除了太阳电池和蓄电池，其它如逆变器、控制器、光伏照明设备等也都有了专业生产厂家。另外，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独立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。在 2005 年 10 月上海召开的“第十五届国际光伏科学与工程大会” 上，国内外的专家基本达成共识：太阳能光伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安全、潜力最大的新兴发电方式，在未来 15 年左右的时间内，光伏发电成本将会持续降低到可与常规发电成本相竞争的水平。目前，我国虽然已经将光伏产业正式纳入国家能源发展的中长期规划，但与德国、日本、美国等世界先进国家已经将太阳能纳入能源储备战略相比，我国政府对太阳能的重视程度仍然不够。1.3 光伏发电系统的原理光伏发电系统 是将太阳能转化为电能的装置。根据光伏系统和电网]5[的关系，可以分为独立光伏系统和并网光伏系统。那么独立的光伏系统由光伏阵列、DC/DC 变换器、 MPPT 控制器及其负载构成。如图 1-1：图 1-1 独立光伏发电系统结构光 伏 阵 列 MPT控 制 电 路 负 载DC/变 换 电 路燕山大学本科生毕业设计（论文）6光伏阵列一般由许多光伏电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百瓦，也可达数个兆瓦甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的光伏电池组成。一般来说，光伏阵列由于为半导体器件构成，其伏安特性具有强烈的非线性。光伏阵列发出的电能为随天气、环境、负载等变化而不断变化的直流电能，其所发的电能的质量和性能很差，很难直接供给负荷使用，需要使用由电力电子器件构成的变换电路将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能，同时光伏阵列的最大功率点跟踪技术也必须通过DC/DC 变换电路来实现。1.4 本文主要研究内容本文对光伏本文对光伏发电系统的最大功率点跟踪技术（MPPT）进行了理论研究和分析，用 Matlab 软件对控制系统的方案进行模块搭建并仿真研究。在理论分析的基础上设计了光伏阵列 MPPT 仿真模型和对仿真研究。本文所做的工作总结如下：(1) 对光伏阵列进行数学建模。光伏阵列是光伏系统的关键部件，其输出功率随太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的变化而变化，具有明显的非线性。要实现光伏发电系统的动态仿真首先要解决的是如何对光伏阵列的伏安特性进行仿真模拟。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源，但该模型不能实时跟踪太阳辐射强度、环境温度和光伏阵列参数的变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。本文针对 Matlab 仿真环境，基于光伏模块直流物理模型，开发了光伏阵列仿真模型，该模型考虑了环境温度、太阳辐射强度和光伏阵列参数如：标准条件下光伏电池的短路电流、开路电压、最大功率点电压、最大功率点电流等。(2) 最大功率点跟踪问题的研究。为了能使光伏电池工作在最大功率点上，获得最大功率输出，本文对最大功率点跟踪问题进行了研究。并介绍了三种目前常用的实现最大功率点跟踪(MPPT)的控制策略，分别是固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法，并对各种 MPPT 方法的比较分析。第 1 章 绪论7(3) 在 Matlab／Simulink 中建模并仿真。根据光伏阵列的物理模型，以及扰动观测法的原理，在 Matlab／Simulink 中进行建模，调整参数，并进行仿真。第 2 章 光伏阵列特性及数学模型光伏电池是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射直接转换为电能的转换器件。将若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响较大，为了研究外界环境变化对其输出特性的影响，为后面研究光伏阵列的最大功率跟踪技术奠定基础，这就需要建立光伏阵列的仿真模型。2.1 光伏电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 P-N 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其它光照射半导体 P-N 结时，就会在 P-N 结的两边出现电压，就叫光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。如图 2-1： -- ----+ ++++ +前 电 极 (-)后 电 极 (+)N区P区 I太 阳 光 灯 泡燕山大学本科生毕业设计（论文）8图 2-1 光伏效应原理图物体的原子由原子核和电子构成，电子带负电，原子核带正点，电子围绕着原子核高速旋转是按照一定的轨道。太阳光照射时电子脱离原子核的束缚成了自由电子，那么他原来的地方就成了“空穴” ，空穴带正点。在阳光照片 P-N 结，半导体内会形成电子和空穴对应，电子趋向 N 型区，空穴趋向 P 区，就使 P 型区电势高， N 型区电势低，P-N 结两端形成光生伏打电动势，这就是 P-N 结的光生伏打效应。由于光照产生的非平衡载流子各自向相反方向漂移，从而在内部构成自 N 区流向 P 区的光生电流，在 P-N 结短路情况下构成短路电流 ISC。在 P-N 结开路情况下，P-N 结两端建立起光生伏打电势差 UOC，这就是开路电压。如将 P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N 结起了电源的作用，这就是太阳能电池发电的基本工作原理 [4]。2.2 光伏电池的等效电路 D RLRSRshIph Id IL第 2 章 光伏阵列特性及数学模型9图 2-2 光伏电池等效电路为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。图 2-2 为太阳能电池的等效电路。它相当于一个电流 的恒电流源phI与一只正向二极管并联。流过二极管的正向电流在太阳能电池中称为暗电流 ，流过负载的电流为 。其中 为旁路电阻，主要由电池表面玷污dILIshR而产生的沿着电池边缘的表面漏电流和由电池本身结构产生的漏电流组成。为串联电阻，主要由电池的的表面电阻、电池的内电阻构成。sR由图 2-2 中物理量的关系可得光伏电池的输出特性方程 [4]：ShDSLocphL RUAkTRIUqI1ex0(2-1)其中：(2-2) TBkqETIRGro 1exp0(2-3)10298Ktscph式中： 是光生电流； 是二极管反向饱和电流（一般对于光伏单phI0I元而言，其数量级为 10-4A） ；q 是电子电荷，为 1.6×10-19； 是输出电压；ocUA、 B 是 P-N 结的理想因子，介于 1 和 2 之间；K 是波耳兹曼常数，为1.38×10-23J/K；T 是绝对温度； 是串联电阻（为低阻值，小于 1） ； 是sR shR并联电阻（为高阻值，数量级为 K） 。一般讨论实际等效电路时，可忽略或 。对光伏电池等效电路进行分析可以发现：串联电阻 越大，则sRh s短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻 越大，则开hD RLRSIph IL燕山大学本科生毕业设计（论文）10路电压会变小但不会影响到短路电流。由于 为数千欧姆，因此，在下面shR的讨论中将忽略 ，得到光伏电池的简化等效电路如图 2-3：shR图 2-3 光伏电池简化的等效电路图得到花间的光伏电池输出特性方程为：(2-4)1exp0AkTRIUqISLocphL2.3 光伏电池的特性参数2.3.1 短路电流短路电流 是将光伏电池在标准测试条件下输出端短路时流过光伏电SCI池两端的电流（标准测试条件为：温度是 25℃，光照强度是 1000W/M2 ）：(2-5)sDdphscRUII2.3.2 开路电压开路电压 是光伏电池在标准测试条件下光伏电池输出两端开路是的ocU电压值。光伏电池开路电压和光照强度的对数成正比，和环境温度成反比，和光伏电池的面积大小无关。(2-6)1ln0IqAkTUphoc短路电流和开路电压都受到温度和光照强度的影响，短路电流和光照强度成正比，和环境温度成线性比例；开路电压则正好相反。(2-7)298TKUocs是标准测试条件下的开路电压， 是开路电压温度系数。ocsU2.4 光伏电池的伏安特性光伏系统分析重要技术数据之一便是光伏电池 I-V 特性曲线，如图 2-4：第 2 章 光伏阵列特性及数学模型11I/A U/VIsc oc510152025123450 R1R2图 2-4 光伏电池的伏安特性光伏电池的输出功率，可以由图 2-4 特性曲线分析，但是实际上光伏电池的工作电压与电流而是由负荷电阻值决定的。图 2-4 显示了不同负荷电阻和特性曲线的交点有不同的工作电压和电流。功率是电压和电流的乘积，在用光伏电池时，理想上是输出功率的最大化。在特定环境温度和光照强度下 P-U 特性曲线，如图 2-5：P/WU/VPmUpm020406080510152025图 2-5 光伏电池输出功率特性曲线上图的波形峰值在所给定的环境温度和光照强度是的最大输出功率 ；Pm它所对应的电压就是最大输出电压 ;在图 2-4 可以得出相对应相同环境Upm温度下的最大输出电流 。最大的功率点 ：IP燕山大学本科生毕业设计（论文）12(2-8)pmmIUP2.5 光伏电池的数学模型光伏电池是光伏系统的的重要部分，它的 I-V 特性曲线是环境温度、日照强度和光伏模块的参数是一个非线性的函数曲线。要实现光伏阵列的MPPT 仿真，先是解决光伏阵列输出特性的仿真模拟。建立这个模型就可以模拟