毕业设计基于M控制的光伏发电系统设计

1、基于MPPT控制的独立光伏发电系统设计摘 要随着时代的发展，人类对能源的需求越来越多，新能源开发是解决能源问题的根本途径，而太阳能光伏发电正是新能源和可再生能源的重要组成部分。本文主要研究独立光伏发电系统，它有着相当广泛的应用。独立光伏系统主要包括了光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四个组成部分，本文对独立光伏系统中的最大功率点跟踪进行深入研究。本文利用光伏电池的数学模型和等效电路，在MATLAB/Simulink中建立了光伏电池的仿真模型，得到了与实际光伏电池输出特性一致的仿真曲线，为进一步研究最大功率点跟踪打下了基础。最大功率点跟踪的方法有很多，但是应用最为广泛的是扰动观察法和电导增量法，

2、本文对自适应占空比干扰法进行了详细的分析，给出了算法设计，并建立了光伏电池的仿真模型对算法进行了仿真，仿真结果验证了算法设计的正确。关键词：独立光伏系统，光伏电池，最大功率点跟踪The Design of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on MPPT ControlABSTRACTWith the development of economics and technology, more and more energy is required. Researching and developing new ener

3、gy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy. Research on the stand-alone photovoltaic system is the main content of this thesis. There is very comprehensive application for the stand-alone photovol

4、taic system. The stand-alone photovoltaic system is composed of the solar cell, storage battery, charger and inverter. Several key techniques, for instance , the MPPT(Maximum Power Point Tracking) are deeply studied in this thesis. Base on the mathematical model and the equivalent circuit, the solar

5、 cell simulation model in MATLAB/Simulink is built in order to research the MPPT, and the curve which is in accordance with the actual solar cell is attained. This work built the base for the further research on MPPT. There are many methods for MPPT, but the P&O(Perturb and Observe) method and the C

6、.I. (Conductance incremental) method are applied most extensively, and these two methods are analyzed in detail. The algorithmic designs of the P&O method and the C.I. method are given in this thesis, and the algorithmic designs are simulated with the model of the solar cell in MATLAB/Simulink, and

7、the result of simulation validated the correctness of the design of the two algorithms. Besides, take the P&O for instance, the factors which can affect the quality of the MPPT are discussed.KEY WORDS:Stand-alone photovoltaic system,Solar cell,MPPT目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc29351 前言 PAGEREF

8、_Toc29351 1 HYPERLINK l _Toc24498 第1章 绪论 PAGEREF _Toc24498 2 HYPERLINK l _Toc778 1.1 发展光伏发电的意义 PAGEREF _Toc778 2 HYPERLINK l _Toc23433 1.1.1 保护气候和改善环境 PAGEREF _Toc23433 2 HYPERLINK l _Toc17570 1.1.2 节省空间 PAGEREF _Toc17570 3 HYPERLINK l _Toc17160 1.1.3 增加就业 PAGEREF _Toc17160 3 HYPERLINK l _Toc9848 1.

9、1.4 提供农村电力 PAGEREF _Toc9848 3 HYPERLINK l _Toc32047 1.1.5 中国的特殊需求 PAGEREF _Toc32047 4 HYPERLINK l _Toc24354 1.2 国内外光伏产业的发展及趋势 PAGEREF _Toc24354 4 HYPERLINK l _Toc2934 1.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势 PAGEREF _Toc2934 4 HYPERLINK l _Toc17059 1.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势 PAGEREF _Toc17059 5 HYPERLINK l _Toc4241 第2章 光伏发电系统

10、 PAGEREF _Toc4241 6 HYPERLINK l _Toc5274 2.1 光伏发电系统的基本组成 PAGEREF _Toc5274 6 HYPERLINK l _Toc9844 2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 PAGEREF _Toc9844 6 HYPERLINK l _Toc8372 第3章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究 PAGEREF _Toc8372 8 HYPERLINK l _Toc17791 3.1 光伏电池的工作原理 PAGEREF _Toc17791 8 HYPERLINK l _Toc29611 3.2 光伏电池等效电路分析 PAGE

11、REF _Toc29611 9 HYPERLINK l _Toc19955 3.3 光伏阵列的Simulink模型 PAGEREF _Toc19955 12 HYPERLINK l _Toc8549 第4章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究 PAGEREF _Toc8549 19 HYPERLINK l _Toc3615 4.1 光伏系统最大功率跟踪的原理 PAGEREF _Toc3615 19 HYPERLINK l _Toc10482 4.2 最大功率跟踪点方法概述 PAGEREF _Toc10482 20 HYPERLINK l _Toc13030 4.3 DC/DC变换电路实现MPPT

12、的原理 PAGEREF _Toc13030 28 HYPERLINK l _Toc19825 4.3.1 Boost变换电路 PAGEREF _Toc19825 29 HYPERLINK l _Toc15759 4.3.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 PAGEREF _Toc15759 31 HYPERLINK l _Toc13093 4.4 自适应占空比干扰观察法 PAGEREF _Toc13093 36 HYPERLINK l _Toc12545 4.4.1 占空比干扰观察法的提出 PAGEREF _Toc12545 36 HYPERLINK l _Toc19016 4.

13、4.2 自适应控制技术介绍 PAGEREF _Toc19016 37 HYPERLINK l _Toc31181 4.4.3 基于自适应控制思想的MPPT方法 PAGEREF _Toc31181 37 HYPERLINK l _Toc7518 4.4.4 光伏阵列MPPT仿真模型的建立 PAGEREF _Toc7518 40 HYPERLINK l _Toc28608 4.4.5 仿真结果与分析 PAGEREF _Toc28608 41 HYPERLINK l _Toc1800 结论 PAGEREF _Toc1800 45 HYPERLINK l _Toc1236 谢 辞 PAGEREF _T

14、oc1236 47 HYPERLINK l _Toc13238 参考文献 PAGEREF _Toc13238 48 HYPERLINK l _Toc5292 外文资料翻译 PAGEREF _Toc5292 51前言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的34万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重

15、视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。有人称之为光伏电池光伏系统。目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的

16、能量转换效率，进行了有益的探讨。 第1章 绪论1.1 发展光伏发电的意义太阳能作为一种可持续利用的洁净能源，有着巨大的开发应用潜力。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类的起源时代。太阳能是人类得以生存和发展的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。目前，虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远来看，随着技术的进步，以及其它能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可能在2030之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。光伏发电着有许多特殊优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到光伏发电的附

17、加价值，它的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式去比较单位发电成本。光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展光伏发电在经济、社会和环境保护等方面都有着积极的意义，下面来具体讨论光伏发电的发展意义。1.1.1 保护气候和改善环境太阳能光伏发电最重要的特征是在发电过程中只排放很少的CO2，而CO2作为最主要的温室气体，导致气候变化的罪魁祸首。同时，电池板可循环使用，系统材料可再利用，光伏的能源投入可进一步降低。如果广泛使用光伏发电技术，可以为减缓气候变暖做出贡献。我国能源消费占世界的10%以上，同时我国一次能源消费中，煤

18、占到 70%左右，比世界平均水平高出40多个百分点。燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的70%80%，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的1/3。目前，环境质量的总体水平还在不断恶化，世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计2020年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到GDP总量的13。而光伏发电不产生传统发电技（例如燃煤发电）带来的污染物排放和安全问题，没有废气或噪音污染。系统报废后也很少有环境污染的遗留问题1,2。1.1.2 节省空间光伏发电是一种简单的低风险技术，几乎可以安装在任何有光的地方。这意味着在公共、私人和

19、工业建筑的屋顶和墙面上都有广泛的安装潜力。在运行中，这个系统还可以降低建筑的受热，增加通风。光伏电池板还可以作为隔声板装在公路两侧。光伏发电在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地。1.1.3 增加就业光伏发电可以提供大量的就业机会。安装阶段创造大量的就业机会（安装工人、零售商和服务工程师），促进地方经济发展。根据欧洲光伏发电行业信息显示，生产每兆瓦光伏产品大约产生10个就业机会，安装每兆瓦光伏系统创造大约33个就业机会。批发和间接供应可提供34个就业岗位，研究领域提供12个就业机会。整个产业链中，每兆瓦的生产、安装和使用，可提供50个就业机会。在未来几十年，随着规模的扩大，自动设备的使用

20、，这些数据会有所降低。但是，光伏发电产业不仅仅是一个资金密集型的产业，同时也是一个劳动密集型的产业。目前中国光伏技术及产业的就业总人数近万。到2020年将达到10万人左右。按照中国电力专家的研究，2050年，光伏发电将达到装机容量10亿，年生产和安装量1亿，就业人数将超过500万人。1.1.4 提供农村电力太阳能光伏发电系统可以很容易地在偏远的农村地区安装，这些地区可能多年无法架设电网。光伏发电等可再生能源特别适用于远离电网、零星分布的社区。离网农村电力以家庭为单位或设立小电网可提供照明、冷藏、教育、通讯和卫生等所需电力，提高经济生产力，增加创收的机会。光伏发电系统结实耐用、易于安装和具有灵活

21、性等特征，使其可满足世界任何地方的农村电力需求。2006年底，中国还有无电人口1100万，使用光伏发电系统可以解决大部分无电人口的用电问题。1.1.5 中国的特殊需求中国是一个能源生产和消费大国。2006年能源消费总量为246亿吨标准煤，比2005年增长9.3%。2006年各种一次能源的构成比例为：煤炭占69.7%、石油占20.3%、天然气占3.0%、水电等占6.0%、核电占0.8%。2006年，中国的原油进口达到1.5亿吨，大约是中国原油总需求量的50。中国能源开采和利用技术落后，传统高能耗产业比重大，单位GDP能耗落后于发达国家，甚至比世界平均水平落后许多。中国又是世界上最大的发展中国家，

22、经济高速发展，中国能源消耗增长速度居世界首位，加剧了中国能源替代形势的严峻性和紧迫性。中国电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010年和2020年电力供需的缺口仍然分别为6.4%和10.7%，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。1.2 国内外光伏产业的发展及趋势1.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，最近10年光伏电池及组件生产的年平均增长率达到33%

23、，近5年的年平均增长率达到43，2006年世界光伏电池产量达到2500MWp，累计发货量达到8500MWp。值得注意的是，中国2006年光伏电池的产量达到369.5MWp，紧随日本和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国。世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是：光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并将成为光伏发电的主导市场（其它应用包括通讯和信号、特殊商业和工业应用，农村离网应用、消费品和大型独立电站等）。从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲JRC的预测，到20

24、30年可再生能源在总能源结构中占到30以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上；2040年可再生能源占总能耗50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到 21世纪末可再生能源在能源结构中占到80以上，光伏发电占到60以上，显示出重要战略地位4。1.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势中国于1958年开始研究光伏电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上，于1973年开始将光伏电池用于地面。中国光伏工业在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10kWp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，在地面上光

25、伏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、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固，并在许多应用领域建立了示范，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 系统、小型户用系统和村庄供电系统等。中国光伏发电的市场主要在通信和工业应用、农村和边远地区应用、光伏并网发电系统和太阳能商品等方面。所有这些应用领域中，大约有53.8是属于商业化的市场（通信工业应用和太阳能光伏产品），而

26、另外的46.2则属于需要政府和政策支持的市场，包括农村电气化和并网光伏发电。由于并网成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段3。第2章 光伏发电系统2.1 光伏发电系统的基本组成光伏发电系统按照是否与常规电力系统相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。本文研究的是独立光伏发电系统，在此就不对并网运行光伏发电系统做过多叙述。独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图2-1所示，主要由光伏电池，蓄电池组，充电器和逆变器四部分构成。光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。系

27、统一般还需要蓄电池作为储能环节，根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，还需要逆变器将直流电转化为交流电。图2-1 独立光伏发电系统结构框图2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，由于光伏阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此需

28、要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如图2-2所示。图2-2 带有MPPT功能的光伏发电系统结构图第3章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究3.1 光伏电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池5。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转

29、换成电能的效率相对较高。图3-1 光伏电池特性测试光伏电池实际上是一个P-N结。通常，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、嫁等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种

30、半导体结合，交界面便形成一个 PN结。光伏电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。如图3-1所示，当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池

31、要算硅光伏电池。3.2 光伏电池等效电路分析为了在光伏发电系统的设计中，更好的分析光伏阵列的电性能，更好的使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池之等效电路5如图3-2所示。图3-2 光伏电池等效电路图由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方程： (3-1)=其中 (3-2) (3-3)上述三个公式的参数解析详见表3-1。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，则开路电压会变小，但不会影

32、响到短路电流。由于为数千欧姆，因此，在下面的讨论中将忽略，得到光伏电池的简化等效电路图3-3，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式3-4。 (3-4)图3-3 光伏电池等效简化电路在外部负载短路的情况下，即=0，此时光伏电流全部流向外部的短路负载，短路电流几乎等于光电流，有=；在处于开路状态时，=0,光电流全部流经二极管D，此时开路电压 (3-5)从公式3-3可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界因素，如温度、日照强度等的影响。在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流,并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系，如下： (3-6)其中，为标准测试条

33、件（光伏电池温度为25，日照强度为1000W/，称之为标准测试条件）下的开路电压，为开路电压的温度系数。表3-1 单个光伏电池等效电路参数表参数名描述类型光伏电池输出电流变量光伏电池输出电压变量光伏电池反向饱和电流常量T光伏电池温度常量K玻尔兹曼常数常量G日照强度变量光生电流变量q电子电量常量二极管反向饱和电流常量参考温度301.18K半导体材料禁带宽度常量短路电流温度系数常量A,B理想因子介于1和2之间标准测试条件下短路电流常量3.3 光伏阵列的Simulink模型光伏阵列是由许多小单位的光伏电池并联或串联组合所组成的。光伏电池串联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压；光伏电池并联组

34、合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程 (3-7)其中、分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其I/V特性是日照强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统及其MPPT的仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源6。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源10。但是该模型不能实时跟踪日照强度、环境温度变化，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。在光伏发电

35、系统设计中，光伏电池板的生产厂家一般会提供该光伏阵列的参数，主要有：开路电压、短路电流、峰值工作电压、峰值工作电流、最大功率等。将这些参数直接带入相应的数学模型，即可得出光伏阵列的运行参数。表3-1列出了无锡尚德公司生产的STP0950S-36型号的光伏阵列的各项参数。它由36个单结晶硅光伏电池串联而成，根据公式3-7，得到该光伏电池组件的输出特性方程 （3-8）下面运用SIMULINK8,9对该光伏电池阵列进行仿真10。表3-2 光伏阵列STP0950S-36在标准测试条件下的参数标准测试条件下最大功率94W峰值工作电流峰值工作电压短路电流开路电压短路电流温度系数2.06(）开路电压温度系数

36、0.77（）、以及，下面对这三个未知量进行讨论，分别建立模型。根据公式得 (3-3)建立光生电流子模块如图3-4所示。图3-4 子模块2. 求解光伏电池反向饱和电流当外部负载开路时，知=0，此时 （3-9）因此可求得 （3-10）根据公式 （3-6）可先建立子模块如图3-5。图3-5 子模块令 （3.11）则建立子模块如图，并得到公式3-12图3-6 子模块 (3-12)根据上式可建立子模块如图图3-7 子模块3. 求解串联等效电阻在最大功率点处，有 （3-13）若取理想因子A=1，则在温度T=25下，25.68mV,则在标准测试条件下的串联等效电阻若得知在不同T、G下的最大功率点（、),就可

37、求得不同气候条件下的。但由于数据有限，并且值较小，可采用恒定的方法来近似模拟。图3-8 光伏阵列Simulink模型完成上述三个未知量的求解，根据公式3.8即可完成光伏阵列的建模，如图3-8所示。(a) (b)(c) (d)(a)20，不同光强下的伏安特性曲线；(b)20，不同光强下的伏瓦特性曲线；(c)400W/m2，不同温度下的伏安特性曲线；(d)400W/m2，不同温度下的伏瓦特性曲线图3-9 光伏阵列特性曲线第4章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究4.1 光伏系统最大功率跟踪的原理在太阳能光伏发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其最

38、大限度地输出功率。然而，光伏电池的I-V特性是非线性的，它随着外界环（温度、光照强度）的变化而变化，它的工作电压改变时它的输出功率也会改变，为了始终能获得最大的输出功率，所以需要进行最大功率点跟踪。图4-1中的曲线是在一定光照强度下的光伏I-V输出特性曲线，直线1为一定负载阻抗的负载线，它和曲线的交点为a，即为光伏电池的工作点。显然，对应不同的负载阻抗，负载线的斜率不同，与光伏电池输出特性曲线的交点不同，即工作点不同，光伏电池在工作点上的输出功率也不同。如果不改变负载特性，则系统工作在a点，但a点的输出功率小于MPP处的功率。如果我们能改变负载阻抗，则可以使负载线与光伏电池输出特性曲线的交点从

39、a点移到MPP，使光伏电池工作在最大功率点处。当光强变化时，光伏电池的输出特性也会变化，则可以相应地调整负载阻抗，使它仍能工作在最大功率点上。在不同的环境条件下，按输出最大功率的要求来进行调整负载阻抗，则能使太阳能得到最大利用，即实现最大功率点跟踪的控制。图4-1 最大功率点跟踪原理由于DC/DC变换器具有阻抗变换的作用，DC/DC变换器输出端负载一定时，通过调节占空比D，可以改变DC/DC变换器的输入阻抗，这样就改变了光伏电池的负载阻抗。若知道最大功率点所对应的负载阻抗，就可以通过调整DC/DC变换器的占空比D，使DC/DC变换器的输入阻抗在光伏电池的最大功率点上。当外界环境变化时，仍然可以

40、通过不断调整变换器的开关占空比D，实现光伏电池与DC/DC变换器之间的动态负载匹配，就可以实时获得光伏电池的最大输出功率。4.2 最大功率跟踪点方法概述目前，对最大功率点跟踪方法的研究很多，很多文献都提出了不同的MPPT方法，例如恒电压跟踪方法7、干扰观察法14、增量电导法15等，但是应用最为广泛的是干扰观察法和增量电导法。针对以上提到的几种方法，下文做了简要的介绍。4.2.1 恒电压跟踪恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理如图4-2所示，忽略温度效应时，光伏阵列在不同日照强度（分别为1000，800，600，400，200

41、）下的最大功率输出点a、b、c、d和e总是近似在某一个恒定的电压值附近。假如曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应关照强度下直接匹配时的工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压跟踪（CVT）方法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统实现稳压器的功能，使阵列的工作点始终稳定在附近。这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大输出功率，如中所示。采用恒定电压跟踪（CVT）控制与直接匹配的功率差值在图中可以视为曲线L与曲线之间的面积。因而，在一定的条件下，恒定电压跟踪（CVT）方法不但可以得到比直接匹配

42、更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪（MPPT）控制。图4-2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线CVT方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对光伏阵列开路电压的影响。以单晶硅光伏阵列为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.35%-0.45%。这表明光伏阵列最大功率点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到光伏阵列的最大功率点。采用CVT以实现MPPT控制，由于其

43、良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用，但随着光伏系统数字信号处理技术的应用，该方法正在逐步被新方法所替代。4.2.2 干扰观察法干扰观察法目前经常被采用的MPPT方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，并观测之后其输出功率变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制算法一般采用功率反馈方式，通过两个传感器对光伏阵列输出电压及电流分别进行采样，并计算获得其输出功率。该方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度较慢，只适用于那些日照强度变化比较缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而日

44、照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。下面对经典的干扰观察算法简述如下：光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，若P0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若PV，故线性减小。图4.9 功率开关管Q截止时等效电路 （4-6）当时，Q又导通，开始另一个开关周期。由此可见，Boost变换电路的工作分为两个阶段，Q导通时为电感L的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的

45、能量维持工作。Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容C充电。因此，Boost变换电路的输入电流就是升压电感L电流的平均值，。开关管和二极管轮流工作，Q导通时，流过它的电流就是；Q截止时，流过D的电流也是。通过它们的电流和相加就是升压电感电流。稳态工作时电容C充电量等于放电量，通过电容的平均电流为0，故通过二极管D的电流平均值就是负载电流。并且此时Q导通期间电感电流的增长量等于它在Q截止期间的减小量，由公式可得输出电压与输入电压的关系： (4-7)4.3.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型无论是独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，这些光伏发电系统存在一个共性：光伏阵列并

46、不是理想和容易控制的电源，充分利用光伏阵列性能的有效方法，是在光伏阵列和负载之间加入MPPT装置，而几乎所有的MPPT装置都是由电力电子装置构成的。目前对实现光伏发电MPPT控制的仿真模型研究都是在建立光伏阵列仿真模型的基础上，添加电力电子器件或者通过状态空间法表示来建立其电路仿真模型21,23的。虽然建立的光伏阵列的仿真模型可以通过在数学模型后连接一个控制电流源或控制电压源模块，使该元件数学模型转变为Sim Power System（SPS）中的元件模型与SPS中的元件模型同时使用，可是这样的方法往往让研究者在确定模型内部电路特性和结构参数的时候陷入困境，并且，这样的模型仿真时间较长。于是，

47、本文在分析Boost电路原理的基础上，建立了基于Boost电路阻抗变换的实现光伏阵列MPPT的仿真模型。利用该模型不需要精确的内部电路特性和相关参数，就可以实时模拟光伏阵列及其MPPT的实现。当光伏阵列接Boost变换电路时，如图4-10，考虑Boost电路输出负载为纯电阻的情况，如果变换电路的效率为100%，根据Boost电路输入输出功率相等，在忽略Boost电路电感的自身电阻的情况下，Boost电路的等效输入阻抗可用公式表示： (4-8)其中R为Boost电路等效输入阻抗，D为开关占空比，为负载阻抗。从式4-8可知，D越大，Boos电路输入阻抗就越小。当改变Boost电路开关占空比，使得其

48、等效输入阻抗与光伏输出阻抗相匹配，则光伏阵列将输出最大功率，这和前面的分析一致。图4-10 Boost电路阻抗变换根据Boost电路的阻抗变换关系，在Matlab的Simulink模型窗中建立阻抗变换关系的仿真模型，并用第二章建立的光伏阵列仿真模型建立如图4-11的仿真系统，模拟日照辐射强度为600W/，环境温度为25时，负载100，通过调整占空比D在0，1变化时光伏阵列输出特性。图4-11 光伏阵列MPPT原理仿真模型 mj图4-12 光伏阵列仿真波形使=10图4-13 时光伏阵列仿真波形可见，当光伏阵列带不同负载时，可以通过调节占空比D，利用Boost变换电路的阻抗变换特性来达到最佳匹配的

49、目的，使光伏阵列工作在最大功率点。但是在仿真的过程中，发现负载并不是等于任意值时，光伏阵列都能工作在最大功率点，当=3时，Boost变换电路并不能通过阻抗变换实现光伏阵列的最大功率输出。图4-14 Boost电路阻抗变换示意图从式4-8可以看出是小于1的数，由此可知Boost变换电路只能够实现将较大的阻抗变换成较小的等效阻抗，如图4-14所示，即Boost变换电路可以将负载线R1向A方向变化，而不能向B的方向变换。由此可见，当光伏阵列工作在如图所示的特性曲线上时，如采用Boost变换电路对其最大功率点跟踪时，负载阻抗必须大于当前光伏阵列最佳匹配负载，即负载必须位于最佳负载R的下方时，如图中的R

50、1位置，而不能位于R2位置，这样才能通过Boost变换电路的调整使光伏阵列能输出当前工作条件下的最大功率。在当前工作环境下由=60W，最大功率点时的工作电压=17.1V，可以算得其最佳匹配阻抗，几乎相等，由此可见，仿真和理论计算取得了很好的一致性，为下面研究光伏阵列MPPT技术以及光伏发电系统的MPPT的实现奠定了基础。4.4 自适应占空比干扰观察法4.4.1 占空比干扰观察法干扰观察法由于实现简单，是目前光伏发电系统中较为常用的MPPT方法。它通过对光伏阵列输出电压、输出电流的检测，得到当前的输出功率，再与前一时刻的输出功率进行比较，来确定电压的干扰方向，计算参考电压（即下一时刻需要达到的电

51、压值），再利用控制器通过调整PWM信号来调节变换电路，从而实现光伏阵列的输出电压。由此可见，通常使用的电压或电流干扰法必须通过两个环节才能实现。(1) 计算光伏阵列输出电压或电流参考值。(2) 调节PWM信号的占空比，使光伏阵列输出电压（或输出电流）达到其参考值。因此其控制系统的设计较为复杂。通过前面的仿真分析，发现占空比D的大小决定了光伏阵列的输出功率，不同类型的直流变换电路占空比与光伏阵列输出功率存在不同的P-D关系。图4-15为Boost变换电路的P-D关系图，可见它与光伏阵列的P-V或P-I关系类似，并且当=0时，输出功率达到最大值，因此干扰观察法的原理仍然适用。图4-15 光伏阵列P

52、-D曲线图于是，提出了一种占空比干扰观察法。通过调整PWM信号的占空比D，来调节变换电路的输入输出关系，从而实现阻抗匹配的功能，达到最大功率跟踪的目的。占空比干扰观察法通过当前功率与前一时刻功率比较，从而决定占空比D的增加或减小。这种方法直接把占空比D作为控制参数，只需要一个控制循环，从而减小了控制器的设计复杂度。4.4.2 自适应控制技术介绍自适应控制理论是在控制工程中提出的。在复杂的控制过程中，控制的目的都是使受控对象的状态或运动轨迹符合预定的要求，在一些参数或模型比较清晰的系统中，我们可以根据参考模型或性能参数来进行控制，但随着近代工业的发展，人们需要控制的过程越来越多，而且这些对象是未

53、知的或是知之甚少的，在这种情况下，传统的控制理论就失去作用，但自适应控制理论却可以非常理想地解决这些问题。自适应控制系统大概包括以下几种：自校正控制系统、模型参考自适应控制系统自寻最优控制系统、变结构控制系统、学习控制系统等，虽然自适应理论起步较晚，但在控制过程中已经体现出其独有的优越性，已经被应用在各种场合，均取得理想的效果。4.4.3 基于自适应控制思想的MPPT方法对光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究很多，特别是对于扰动观察法，许多文献13,15中都提出了改进算法，有些文献提出了对干扰观察法中参数设定为光伏阵列开路电压的80%，即，可以提高定步长扰动观察法的跟踪速度。在普通干扰观察法中，存

54、在跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度的问题18。在前面提到的占空比干扰观察法中，调整占空比D时仍然存在调整步长大小的问题：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；步长过大，输出功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳态误差变大。该问题通过加入步长的自动在线调整器a得到解决12，该方案能够同时保证系统的动、稳态性能。 （4-9）其中：a(k)为干扰电压V的调整步长，在0和1之间变化；，表示功率的变化大小；M为常量，决定了自适应调节的灵敏度。当外界环境因素如光伏阵列温度、日照强度变化突然较大时，普通的干扰观察法仍然认为导致输出功率变化的原因是由于输出电压（或电流）增加或减小了一个调整

55、步长，从而可能使控制器远离最大功率点。通过公式4-9可解决这一混淆点。当较小时，表示输出功率P的变化主要是由于占空比D步长调整引起的，此时a(k+1)较a(k)变化不应很大。而当较大时，则表示功率P的变化主要是由于光伏阵列表面温度、日照强度等外界因素造成的。此时若最大功率点大幅度漂移，则步长a(k+1)变大，从而能够快速跟踪到新的最大功率点。从理论上来讲，总可以找到光伏阵列的最大功率点，在处，从理论上来说，=0这个判别式是成立的，但实际运行过程中，几乎找不到这个判别式成立的点，因此传统的干扰观察法往往会导致系统工作点在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失，于是引入参数e，对进行判断

56、，当e时，系统即认为找到了最大功率点，e的大小可以根据不同精度要求而定。和传统的干扰观察法不同的是，当找到系统最大功率点之后，不是继续扰动，而是停止扰动。之所以这样做，是因为如果继续扰动的话，系统就始终无法工作在最大功率点上，从而造成系统的输出不稳定，并降低系统效率。因为在日照时间，短时间内光伏阵列的输出变化很小，所以没有必要一直扰动。停止扰动以后，随时监测系统的工作状态，并根据不同的变化做出合适的判断，流程如图4-16所示。图4-16 改进的自适应干扰观察法流程图此寻优方法与传统干扰观察法相比较，保持了干扰观察法的思想，即靠不停地扰动来寻找系统的最大功率点，但不同的是，扰动幅度的大小根据系统

57、工作点的不同而不同，体现了自适应的思想，既提高了系统的快速性，也提高了系统的准确性和稳定性；找到最大功率点后，传统的干扰观察法无法稳定工作在最大功率点，而本系统则可以保证系统工作在离最大功率点很近的地方，理论上讲，可以任意接近最大功率点。4.4.4 光伏阵列MPPT仿真模型的建立对前面建立的光伏阵列M函数模型稍加修改，得到以温度T、日照强度G、固定负载阻值R以及占空比D为输入量的模型，如图4-17所示。利用此模型建立最大功率点跟踪算法仿真系统如图4-18。MPPT控制算法由M文件编写的S函数中实现，S函数是System Function的简称，其功能是通过Matlab语言或C语言程序，建立一个

58、能和Simulink模块库中一起使用的功能模块，将其与Simulink有机结合起来，不但仿真模型简单，而且大大降低了执行时间。在此基础上编写了固定步长干扰算法 MPPT_PO.M以及改进的变步长自适应干扰观察算法MPPT_SF.M。S函数的输入信号为光伏阵列当前的输出功率，输出信号为经MPPT运算得到的占空比D。在编写固定步长干扰观察算法时，相关参数的确定会较大的影响其跟踪效果，扰动步长U的选取会影响对光伏阵列MPP的跟踪速度。若取值过小，则不能快速应对环境的变化，反应速度较慢；若取值过大，则不能准确的寻找光伏阵列的MPP，同时造成光伏阵列能量的损失。因此，分别设扰动步长为U=0.01V和0.

59、05V进行仿真。在编写变步长自适应占空比扰动观察法的S函数时，同样有两个参数会影响其跟踪效果。e的取值可以根据系统精密度要求来确定，e值越大，对光伏阵列MPP的跟踪精确度越低，导致部分功率损失；e值越小，则对光伏阵列MPP跟踪越精确，但跟踪时间就会越长，难以实现快速跟踪。图4-17 光伏阵列的修改模型图4-18 MPPT控制仿真系统4.4.5 仿真结果与分析设置仿真外界日照强度从G从800W/突然增大到1000W/，在同一时刻光伏阵列表面温度T=56降到25，负载阻值R=5。并设置仿真最大步长为0.001S，仿真时长1S，对固定步长干扰观察法分别设置步长U=0.05V，得到波形如图4-19。运

60、用改进的自适应干扰法设置参数e=0.001、M=1/2500，得到的波形如图4-20。图4-19 固定步长MPPT仿真波形，步长可以发现：图4-19波形跟踪速度较快，动态响应性能较好，但到达稳态后有存在一定的波动，其稳态平均值要小于最大功率值，造成能量的浪费；图4-20波形不仅跟踪速度快，对外界环境因素变化的反应也非常迅速，而且几乎没有稳态误差，因而具有良好的动、稳态性能。由此可见，将自适应扰动观察法应用于光伏阵列的最大功率点跟踪是可行的。图4-20 改进的变步长自适应MPPT仿真波形结论光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主能源来源的潜力。本文以光伏发电系统最大功率