電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于matlab的光伏電池建模及mppt方法研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　基于Matlab的光伏電池建模及MPPT方法研究</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</

2、b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 光伏發(fā)電的背景及意義1</p><p>　　1.1.1 研究背景1</p><p>　　1.1.2 我國太陽能資源的分布2</p><p&

3、gt;　　1.2太陽能發(fā)電發(fā)展概況2</p><p>　　1.2.1 光伏發(fā)電的歷史2</p><p>　　1.2.2 太陽能發(fā)電的國內(nèi)外發(fā)展概況3</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及基本原理4</p><p>　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類4<

4、;/p><p>　　2.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成5</p><p><b>　　2.3光伏電池5</b></p><p>　　2.3.1光伏電池的工作原理5</p><p>　　2.3.2 光伏電池的種類6</p><p>　　3 光伏電池建模與仿真分析6</p><p&g

5、t;　　3.1光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型6</p><p>　　3.2 光伏電池模型9</p><p>　　3.3 光伏電池仿真分析10</p><p>　　4 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究12</p><p>　　4.1 最大功率點(diǎn)跟蹤的理論依據(jù)12</p><p>　　4.2 基于DC/DC 變換電路 MPPT的

6、實(shí)現(xiàn)14</p><p>　　4.2.1 BOOST電路的基本工作原理14</p><p>　　4.2.2 BOOST電路實(shí)現(xiàn)MPPT的理論依據(jù)15</p><p>　　4.3常用最大功率點(diǎn)跟蹤算法及其仿真16</p><p>　　4.3.1 恒定電壓法16</p><p>　　4.3.2 間歇掃描法16&

7、lt;/p><p>　　4.3.3 擾動(dòng)觀察法17</p><p>　　4.3.4 電導(dǎo)增量法20</p><p>　　4.4 基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法23</p><p>　　4.4.1 滯環(huán)比較法原理23</p><p>　　4.4.2 最優(yōu)梯度法原理24</p><p>　　4.4.

8、3 基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法24</p><p>　　4.4.4 基于最優(yōu)梯度的擾動(dòng)觀察法與擾動(dòng)觀察法的仿真比較25 </p><p>　　5 結(jié)論與展望27</p><p><b>　　5.1 結(jié)論27</b></p><p><b>　　5.2 展望27</b></p&

9、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　Contents</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 Introduction1</p&g

10、t;<p>　　1.1 Background and significance of photovoltaic power generation1</p><p>　　1.1.1 Background1</p><p>　　1.1.2 Distribution of solar energy resources in China2</p><p>

11、;　　1.2 Development of solar power2</p><p>　　1.2.1 History of photovoltaic power generation2</p><p>　　1.2.2 Development of solar power at home and abroad3</p><p>　　1.3 The main co

12、ntent of this paper3</p><p>　　2 Photovoltaic grid connected power generation system and basic principle4</p><p>　　2.1 Classification of photovoltaic power generation system4</p><p&

13、gt;　　2.2 PV grid connected power generation system5</p><p>　　2.3 Photovoltaic battery5</p><p>　　2.3.1 Working principle of photovoltaic battery5</p><p>　　2.3.2 The type of photov

14、oltaic battery6</p><p>　　3 Modeling and simulation of photovoltaic battery6</p><p>　　3.1 Mathematical model of photovoltaic battery6</p><p>　　3.2 PV battery model9</p>&l

15、t;p>　　3.3 Simulation analysis of photovoltaic battery10</p><p>　　4 Maximum power point tracting method for photovoltaic array12</p><p>　　4.1 The theory basis of maximum power point tracting

16、12</p><p>　　4.2 Implementation of MPPT based on DC/DC transform14</p><p>　　4.2.1 Basis working principle of BOOST circuit14</p><p>　　4.2.2 Theoretical basis of BOOST circult for

17、MPPT15</p><p>　　4.3 Common maximum power point tracting algorithm and simulation16</p><p>　　4.3.1 Constant voltage tracking16</p><p>　　4.3.2 Intermittent scanning16</p>&

18、lt;p>　　4.3.3 Perturb and Observe algorithms17</p><p>　　4.3.4 Incremental conductance algorithm20</p><p>　　4.4 The method based on the optimal gradient hysteresis comparison method23</p&

19、gt;<p>　　4.4.1 Hysteresis comparison principle23</p><p>　　4.4.2 Optimal gradient method24</p><p>　　4.4.3 Hysteresis comparison method based on optimal gradient24</p><p>　　

20、4.4.4 Simulation comparison of the peryurbation observation method and the perturbation observation method based on the optimal gradient25</p><p>　　5 Conclusions and outlook27</p><p>　　5.1 Con

21、clusions27</p><p>　　5.2 Outlook27</p><p>　　Reference28</p><p><b>　　Thanks29</b></p><p>　　基于Matlab的光伏電池建模及MPPT方法研究</p><p>　　摘要：自工業(yè)化以來的近三百年間，

22、世界能源工業(yè)飛速發(fā)展，有力支撐了全球經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。在這個(gè)發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)化石能源的大量開發(fā)及使用導(dǎo)致了資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化等問題日益突出，嚴(yán)重的威脅了人類生存和可持續(xù)發(fā)展。近年來，太陽能作為一種高效無污染的新能源，逐漸受到各國乃至全球的廣泛關(guān)注。本文首先簡(jiǎn)要介紹了光伏發(fā)電的背景及意義,對(duì)光伏發(fā)電歷史以及國內(nèi)外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，然后闡述了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其基本工作原理，并詳細(xì)描述了運(yùn)用 Matlab/Simulin

23、k 建立光伏陣列仿真模型的過程，最后對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的理論依據(jù)以及工作原理進(jìn)行了分析，介紹了常見的 MPPT方法及仿真分析，并根據(jù)文獻(xiàn)[6]詳細(xì)描述了一種改進(jìn)的基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法的原理，并對(duì)改進(jìn)的基于最優(yōu)梯度的擾動(dòng)觀察法與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法做了仿真對(duì)比，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能 光伏發(fā)電 光伏陣列 最大功率點(diǎn)跟蹤</p><p>　　Es

24、tablish the Solar Cell Model and Research on MPPT Method Based on Matlab </p><p>　　Abstract since the industrialization of the last three hundred years, the world energy industry has developed rapidly, whi

25、ch has supported the global economic and social development. In this process, the development of the traditional fossil energy sources, such as the shortage of resources, environmental pollution, climate change and other

26、 issues become increasingly prominent, a serious threat to human survival and sustainable development. In recent years, solar energy as a new energy efficien</p><p>　　Keywords: solar energy; Photovoltaic pow

27、er generation;PV array; maximum power point tracking</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 光伏發(fā)電的背景及意義</p><p>　　1.1.1 研究背景</p><p>　　全球能源發(fā)展經(jīng)歷了從薪柴時(shí)代到煤炭時(shí)代，再到汽油時(shí)代、電氣

28、時(shí)代的演變過程。目前，世界能源供應(yīng)以化石為主，有力的支撐了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。長(zhǎng)期以來，世界能源的發(fā)展有些過度的依賴化石能源，導(dǎo)致環(huán)境污染、氣候變化、資源緊張等問題日益突出，嚴(yán)重的威脅了人類社會(huì)的生存與發(fā)展，我們面臨著十分嚴(yán)峻的形式。應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，需要統(tǒng)籌把握環(huán)境影響全球化、資源配置全球化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化的新特征，推動(dòng)世界能源走上清潔、高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的道路。</p><p>　　全球化石能源資源雖然儲(chǔ)量大，但

29、隨著工業(yè)革命以來數(shù)百年的大規(guī)模開發(fā)利用，正面臨資源枯竭、污染排放嚴(yán)重等現(xiàn)實(shí)問題，截至2014年，全球煤炭、石油、天然氣剩余探明可采儲(chǔ)量分別為8915億噸、2382億噸和186萬億米³，折合標(biāo)準(zhǔn)煤共計(jì)1.2萬億噸，其組成結(jié)構(gòu)為煤炭占52.0%、石油占27.8%、天然氣占20.2%.按照目前世界平均開采強(qiáng)度，全球煤炭、石油和天然氣分別可以開采113年、53年和55年。這些化石能源在全球分布很不均衡，中國化石能源資源以煤炭為主，石油

30、、天然氣等資源相對(duì)缺乏，化石能源探明可采儲(chǔ)量總計(jì)約為896億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其組成結(jié)構(gòu)為煤炭占91.2%、石油占3.9%、天然氣占4.9%，采儲(chǔ)比分別為31年、12年、28年。由此可見，中國的化石能源資源均低于世界平均水平，我國的能源需求面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。</p><p>　　圖1-1 一次能源的探明剩余儲(chǔ)量比較</p><p>　　全球水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源不僅總量非常豐富，而且低碳

31、環(huán)保、可以再生，未來開發(fā)潛力巨大。根據(jù)世界能源理事會(huì)（World Energy Council, WEC）估算，全球清潔能源資源每年理論可開發(fā)量超過150000萬億千瓦?時(shí)，按照發(fā)電煤耗300克標(biāo)準(zhǔn)煤/(千瓦?時(shí))計(jì)算，約合45萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全球化石能源剩余探明儲(chǔ)量的38倍。其中太陽能來自太陽輻射，是世界上資源量最大、分布最廣泛的清潔能源。太陽能發(fā)電是太陽能開發(fā)利用的最主要的方式。它具有可再生、干凈無污染、無資源短缺、分布式發(fā)電和

32、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，21世紀(jì)以來，全球太陽能發(fā)電呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭，超過風(fēng)電成為增長(zhǎng)速度最快的清潔能源發(fā)電品種。</p><p>　　1.1.2 我國太陽能資源的分布</p><p>　　我國幅員遼闊，具有著非常豐富的太陽能資源。從圖1-2中我們可以看出，我國全年三分之二以上的地區(qū)太陽能資源情況較好，年日照大于2000小時(shí)，年均輻射量約為1630kW?h/m²。在我國開展大規(guī)模太陽

33、能光伏發(fā)電具有著得天獨(dú)厚的條件，我國極具太陽能市場(chǎng)潛力。</p><p>　　圖1-2 中國陸地太陽能資源分布圖</p><p>　　1.2太陽能發(fā)電發(fā)展概況</p><p>　　太陽能發(fā)電主要包括兩種方式：太陽能光發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。光發(fā)電是一種能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)變成電能的發(fā)電方式。熱發(fā)電則是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能最終轉(zhuǎn)化成電能。其中太陽能光發(fā)電包括光伏發(fā)

34、電、光感應(yīng)發(fā)電、光生物發(fā)電和光化學(xué)發(fā)電四種形式?，F(xiàn)代物理學(xué)研究認(rèn)為，太陽光是由不同頻率的光子組成，光子是光線中攜帶能量的粒子。太陽能光伏發(fā)電就是利用光子激發(fā)半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，一種將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。</p><p>　　1.2.1 光伏發(fā)電的歷史</p><p>　　1839年法國科學(xué)家貝克勒耳發(fā)現(xiàn)了“光生伏特效應(yīng)”；1873年英國科學(xué)家威廉?史密斯發(fā)現(xiàn)

35、了對(duì)光敏感的硒材料，并進(jìn)行了大膽的推斷，在光的照射下光通量與硒的導(dǎo)電能力成正比，隨著光通量的增加硒的導(dǎo)電能力隨之增加；1880年，美國科學(xué)家查爾斯?弗里茨開發(fā)出第一塊以硒材料為基礎(chǔ)的光伏電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)；1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池，獲得了4.5%光電轉(zhuǎn)換效率的成果，它與我們今天所熟知的硅太陽能電池基本接近[1]；1961年至1971年期間，硅光伏電池的重點(diǎn)側(cè)重于降低電池的重

36、量及開發(fā)成本、提高其抗輻射能力上，其技術(shù)上沒有取得重大改善與進(jìn)步；1972年至1976年期間，空間用單晶硅光伏電池被成功研制并得到了初步的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代中后期開始，光伏技術(shù)逐漸得到發(fā)展完善，成本不斷降低，形成了不斷發(fā)展的光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)，逐漸成為21世紀(jì)新能源舞臺(tái)上的主要成員之一[2]。</p><p>　　1.2.2 太陽能發(fā)電的國內(nèi)外發(fā)展概況</p><p>　　在各國政策激勵(lì)下

37、，世界光伏發(fā)電已經(jīng)從最初少數(shù)國家開發(fā)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，而光熱發(fā)電尚處于技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)示范階段。從各國政策走勢(shì)和規(guī)劃來看，太陽能發(fā)電將繼續(xù)保持快速發(fā)展，遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)模將超過風(fēng)電。20世紀(jì)70年代以來，太陽能發(fā)電日益受到各國政策推動(dòng)和重視。1973年，美國制定了政府級(jí)的陽光發(fā)電計(jì)劃，大幅度增加太陽能的研究經(jīng)費(fèi)，并且成立了太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)了太陽能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。1974年，日本公布了政府制定的“陽光計(jì)劃”，其中對(duì)太陽能的研究開發(fā)項(xiàng)目包括

38、了太陽能熱發(fā)電、太陽房、太陽能電池生產(chǎn)系統(tǒng)、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、分散型和大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等等。1990年，德國提出了“2000個(gè)光伏屋頂計(jì)劃”。1998年，荷蘭提出了“百萬個(gè)太陽能屋頂計(jì)劃”。2009年，印度提出了“尼赫魯國家太陽能計(jì)劃”，提出把印度打造為全球的太陽能利用大國的具體方針和路線。自2009年開始中國實(shí)施“金太陽工程”，為用戶側(cè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目提供約50%的初始投資補(bǔ)貼，從此開啟了我國光伏發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的新時(shí)代。截至2013年

39、6月，我國光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量約為1076萬kW。2014 年，中國光伏發(fā)電的累計(jì)總裝機(jī)容量位居世界第二</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池建模以及最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking）方面進(jìn)行了研究。首先概述了太陽能光伏發(fā)電的背景及意義和太陽能發(fā)電的概況，對(duì)光伏發(fā)電歷史以及國內(nèi)外光伏

40、發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，其次概述了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其原理，通過Matlab對(duì)光伏電池進(jìn)行了建模、仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，得出了不同環(huán)境溫度及不同光照強(qiáng)度下太陽能電池輸出特性曲線圖，以此證明了太陽能電池輸出的非線性特性；最后介紹了最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）的原理以及BOOST電路實(shí)現(xiàn)MPPT的理論依據(jù)，對(duì)常見的 MPPT方法進(jìn)行了概述及建模仿真分析，并根據(jù)文獻(xiàn)[6]詳細(xì)描述了一種改進(jìn)的基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法的原理，最后對(duì)改進(jìn)的基

41、于最優(yōu)梯度的擾動(dòng)觀察法與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法做了仿真對(duì)比，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。</p><p>　　2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及基本原理</p><p>　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為兩大類：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)連接而直接帶負(fù)載的系統(tǒng)，如圖2-1所示，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的系

42、統(tǒng)，如圖2-2所示，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與公共電網(wǎng)并列運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的功率大于負(fù)載時(shí)將多余的功率送入電網(wǎng)，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的功率小于負(fù)載時(shí)公共電網(wǎng)對(duì)所缺的功率進(jìn)行補(bǔ)充。</p><p>　　圖2-1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能可以分為兩類：一種是不含儲(chǔ)能裝置的“不可調(diào)度式光

43、伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，另一種是含儲(chǔ)能裝置的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”[4]。</p><p>　　不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)僅能夠并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行控制方式單一；而可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)兼具不間斷電源（UPS），以保障重要負(fù)荷的供電，然而由于增加了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，雖然與不可調(diào)度式系統(tǒng)功能齊全，但是也帶來了嚴(yán)重的問題：儲(chǔ)能裝置的設(shè)置必須增加充電系統(tǒng)，不僅增加了成本而且還會(huì)降低系統(tǒng)可靠性；儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命較短且

44、體積大；使用的同時(shí)還要對(duì)報(bào)廢的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行專門處理，防止腐蝕性液體泄漏?；谝陨显颍壳耙话悴捎玫氖遣豢烧{(diào)度式發(fā)電系統(tǒng)，其集成度高、可靠性高、安裝調(diào)試也相對(duì)方便[5,6]。</p><p>　　2.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking）裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器以及

45、并網(wǎng)變壓器[7]。</p><p>　　圖2.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　光伏陣列是由多塊光伏電池單體串、并聯(lián)后封裝而成的太陽能電池方陣，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分，其作用是將太陽能裝換為電能；最大功率點(diǎn)跟蹤裝置是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的必要控制環(huán)節(jié)，光伏陣列模塊輸出具有非線性特性，受環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、負(fù)載等因素影響，最大功率點(diǎn)跟蹤控制

46、可以實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列模塊工作點(diǎn)，經(jīng)過比較尋優(yōu)，找到光伏陣列在確定光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下輸出與最大功率對(duì)應(yīng)的工作電壓[8]，使之在任何條件下輸出相應(yīng)的最大功率，保障了光伏能源充分利用；儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在光照充足的情況下儲(chǔ)存多余的電能，再根據(jù)需要在光照不足的情況下釋放電能，起到調(diào)節(jié)供電平衡、穩(wěn)定光伏電源的作用；并網(wǎng)變壓器和逆變器則是將光伏陣列發(fā)出的低壓直流電經(jīng)升壓后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的交流電，并入電網(wǎng)。</p><p><

47、;b>　　2.3光伏電池</b></p><p>　　2.3.1光伏電池的工作原理</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電的基本原理是利用利用光伏電池P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。當(dāng)太陽光照射到由P、N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽能電池上時(shí)，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發(fā)被

48、束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子，就會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，電子、空穴相互運(yùn)動(dòng)，如下圖2-4所示，P區(qū)的電子向N區(qū)移動(dòng)，N區(qū)的空穴向P區(qū)移動(dòng)，使得太陽電池的受光面N型區(qū)有大量電子積累，電勢(shì)降低，而在電池背光面P型區(qū)有大量空穴積累，電勢(shì)升高，P-N結(jié)兩端形成光生伏打電動(dòng)勢(shì)，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在P-N結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流。在P-N結(jié)開路情況下，P-N結(jié)兩端建立起光生伏打電勢(shì)差，這就是開路

49、電壓。如果P-N結(jié)兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流通過，只要光照不停止，負(fù)載上將源源不斷地有電流通過[9]。這就是太陽能發(fā)電光伏陣列的基本工作原理。</p><p>　　圖2-4光伏電池的工作原理圖</p><p>　　2.3.2 光伏電池的種類</p><p>　　從1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池，到1959年的第一個(gè)單晶硅光伏電池的問世，再

50、到1975年的非晶硅及帶硅光伏電池的問世，到現(xiàn)在光伏電池的種類越來越多，技術(shù)也越來越成熟，據(jù)預(yù)測(cè)，到了2020年全球的光伏發(fā)電的總裝機(jī)可能到達(dá)2.88億千瓦[10]。</p><p>　　按照不同的分類方式光伏電池可分為以下幾類：</p><p>　　1、按照結(jié)構(gòu)的不同光伏電池可分為：肖特基光伏電池、同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池。</p><p>　　2、按光電轉(zhuǎn)

51、換機(jī)理的不同光伏電池可分為：傳統(tǒng)光伏電池和激子光伏電池。</p><p>　　3、按照所用材料的不同光伏電池還可分為：硅光伏電池、有機(jī)型光伏電池、化合物薄膜電池、聚合物電極型以及納米晶光伏電池。到目前為止，在市場(chǎng)所占份額最大，技術(shù)發(fā)展歷史最悠久的光伏電池要數(shù)硅電池。高效晶硅電池其轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過20%了，按照目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，在未來幾年里其在市場(chǎng)的占有量將會(huì)不斷擴(kuò)大。</p><p>　

52、　3 光伏電池建模與仿真分析</p><p>　　3.1光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型</p><p>　　為了描述電池的工作狀態(tài)，往往將電池及負(fù)載系統(tǒng)用一個(gè)等效電路來模擬，圖3-1為太陽能電池的實(shí)際等效電路[5]。</p><p>　　圖3-1 太陽能電池的等效電路</p><p>　　由光伏電池等效電路和電子學(xué)理論，可以得出光伏電池的I-V方程為：&l

53、t;/p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　式中：——太陽能電池輸出電流，A；</p><p><b>　　——光生電流，A；</b></p><p>　　——二極管的反向飽和電流（一般對(duì)于光伏單元量級(jí)而言，其量級(jí)為A），A；</p><p>　　——電

54、子電荷常數(shù)，為1.6×10C；</p><p>　　——太陽能電池輸出電壓，V；</p><p>　　——太陽能電池的等效串聯(lián)電阻，Ω；</p><p>　　——太陽能電池的等效并聯(lián)電阻，Ω；</p><p>　　——二極管特性因子；</p><p>　　——玻爾茲曼常數(shù)，為1.38×10J/K；&

55、lt;/p><p>　　——絕對(duì)溫度，K； </p><p>　　式（3.1）是根據(jù)光伏電池原理得到的最基本表達(dá)式，被廣泛應(yīng)用于光伏電池的理論分析中，但是表達(dá)式中有5個(gè)參數(shù)、、、、不易獲得，它們不僅與電池溫度、光照強(qiáng)度有關(guān)，而且對(duì)它們的確定非常困難。其中，由于光伏電池中串聯(lián)的電阻非常小，可以等效為短路；而其并聯(lián)的電阻非常大，可以等效為開路；在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)都可以忽略不計(jì)。因此理想的光伏電池特性

56、可以簡(jiǎn)化為經(jīng)典的光伏電池I-V特性：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　工程用模型強(qiáng)調(diào)的是實(shí)用性和精確性的統(tǒng)一，因此在工程精度要求范圍之內(nèi)，還需要對(duì)式（3.2）模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立工程用數(shù)學(xué)模型[10]。</p><p>　　電池廠家一般提供在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（光譜AM為1.5，電池溫度 =25℃，光照強(qiáng)度=1000

57、W/m²）下，光伏電池的參數(shù)：光伏電池短路電流，光伏電池開路電壓；光伏電池最大功率點(diǎn)電流，光伏電池最大功率點(diǎn)電壓。</p><p>　　文獻(xiàn)[12]還提出，建立光伏電池的工程模型時(shí)還需要在式（3.1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩點(diǎn)近似：</p><p>　　由于非常大，為數(shù)千歐姆；</p><p>　　通常，等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)小于二極管的正向?qū)娮瑁虼思僭O(shè)。</p

58、><p>　　同時(shí)有兩個(gè)條件成立：</p><p><b>　　開路情況下；</b></p><p><b>　　在最大功率點(diǎn)處。 </b></p><p>　　令，帶入式（3.2）可得光伏電池工程實(shí)用表達(dá)式： </p><p><b>　?。?.3）&l

59、t;/b></p><p>　　在最大功率點(diǎn)處我們可以進(jìn)以下近似：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　可以解得：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　

60、?。?.6）</b></p><p>　　由式（3.5）、式（3.6）可知，當(dāng)供應(yīng)商提供電池參數(shù)、、以及的情況下，為常數(shù)。將這些參數(shù)直接帶入相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即可得出光伏陣列的運(yùn)行參數(shù)[17]。</p><p>　　當(dāng)考慮環(huán)境溫度與光照強(qiáng)度變化時(shí)，</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>

61、;<b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（3.9）</b></p><p><b>　　（3.10）</b></p><p>　　式中， a、b分別為參考光照強(qiáng)度下的電流和電壓的溫度系數(shù)。對(duì)于硅光伏電池其實(shí)際測(cè)量值為：</p><p>　?。ˋ/℃）

62、 （3.11）</p><p>　　（V/℃） （3.12）</p><p>　　3.2 光伏電池模型</p><p>　　根據(jù)上一小結(jié)的公式，下面運(yùn)用 Matlab/Simulink 建立光伏陣列仿真模型。</p><p><b>　　求

63、解、</b></p><p>　　由式（3.5）可知，應(yīng)先根據(jù)式（3.6）建立子模塊如下圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-2 子模塊</b></p><p>　　根據(jù)及式（3.5）可建立子模塊如下圖3-3所示。</p><p><b>　　圖3-3 子模塊</b><

64、/p><p><b>　　建立子模塊</b></p><p>　　由式（3.8）、式（3.9）可建立子模塊如下圖3-4所示。</p><p><b>　　圖3-4 子模塊</b></p><p><b>　　建立子模塊</b></p><p>　　由子模塊以

65、及式（3.8）、式（3.10）可以建立子模塊如下圖3-5所示。</p><p><b>　　圖3-5 子模塊</b></p><p>　　建立光伏電池的Simulink模型</p><p>　　根據(jù)式（3.7）及以上各子模塊建立光伏陣列模型如下圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 光伏電池的Simulink模型&

66、lt;/p><p>　　3.3 光伏電池仿真分析 </p><p>　　前文所建立的光伏電池模型是一個(gè)受控電流源，其輸出電流的大小由輸入的S、T、V值所決定。下文仿真在不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下，光伏電池的P-V和I-V特性曲線，封裝后的光伏電池仿真模型如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 光伏電池仿真模型</p><p>　　由于

67、的值較小，在這里采用恒定的方法來近似模擬，令 Ω。仿真中，使用某供應(yīng)商提供的型號(hào)為CN-200S的光伏電池所提供的參數(shù)，標(biāo)況下其參數(shù)為： A、 V、 A、 V。</p><p>　　圖3-8 不同光照強(qiáng)度下（T=25℃）的光伏電池特性曲線</p><p>　　圖3-9 不同溫度下（S=1000W/m²）的光伏電池特性曲線</p><p>　　光伏電池的P-

68、V、I-V特性是光伏發(fā)電系統(tǒng)分析過程中最重要的數(shù)據(jù)之一。由圖3-8、圖3-9可知，光伏電池是一個(gè)既非恒流源也非恒壓源的直流電源，具有強(qiáng)烈的非線性特性。</p><p>　　1、隨著電壓由零逐漸增大，輸出功率有一個(gè)先上升然后下降的過程，說明存在著一個(gè)電壓值，可獲得最大的功率輸出。</p><p>　　2、在溫度保持不變的前提下，短路電流隨光照強(qiáng)度的增加而顯著增加，開路電壓也隨光照強(qiáng)度的增加而

69、緩慢增加。</p><p>　　3、隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏電池的最大輸出功率增加，其對(duì)應(yīng)的電壓電流值也增加。</p><p>　　4、當(dāng)光照強(qiáng)度保持不變，環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，短路電流隨著溫度的升高增加緩慢，開路電壓成反比例減小。</p><p>　　5、隨著溫度的升高，最大功率值減小。</p><p>　　4 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究

70、</p><p>　　4.1 最大功率點(diǎn)跟蹤的理論依據(jù)</p><p>　　由前文分析可知，太陽能電池的P-V特性具有強(qiáng)烈的非線性特性，并且光伏陣列輸出模塊功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外在環(huán)境條件的變化而發(fā)生變化。當(dāng)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏陣列總存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的工作電壓、工作電流分別為、，當(dāng)光伏陣列的工作電壓工作于最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，其輸出功率隨工作電壓的上升而增大，

71、當(dāng)光伏陣列的工作電壓工作于最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，其輸出功率隨工作電壓的上升而減小。然而太陽能電池的工作環(huán)境是瞬息萬變的，日照強(qiáng)度與環(huán)境溫度時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生著變化，最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的工作電壓、工作電流也發(fā)生變化，因此對(duì)光伏陣列的輸出功率必須加以嚴(yán)格的控制，以便陣列在任何當(dāng)前環(huán)境條件下都能獲得最大輸出功率，提高系統(tǒng)的整體效率。</p><p>　　圖4-1最大功率匹配的原理圖</p><p>　　

72、由文獻(xiàn)[12]可知，將光伏電池簡(jiǎn)化為恒壓源和內(nèi)阻，就可得到最大功率匹配的原理圖如圖4-1所示，其中是電壓源電壓，是電路中的電流，分別為電壓源內(nèi)阻和負(fù)載電阻。在這個(gè)線性回路中，負(fù)載上的功率為[13] </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　將上式兩邊對(duì)求導(dǎo)，因?yàn)闉槌?shù)，可以得到</p><p><b&g

73、t;　?。?.2）</b></p><p>　　我們不難看出當(dāng)時(shí)，負(fù)載上的功率最大，</p><p><b>　　（4.3）</b></p><p>　　也就是說，對(duì)于一個(gè)線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻與內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載上可獲得最大功率。雖然光伏陣列和DC/ DC轉(zhuǎn)換電路都是非線性的，但是在極短的時(shí)間范圍內(nèi)，我們可以在一定程度上將其等效為線性

74、電路[14]。因此，只要調(diào)節(jié)光伏陣列的后級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻，使它始終等于光伏電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實(shí)現(xiàn)了光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤[13]。</p><p>　　圖4-2 MPPT方法示意圖</p><p>　　為了更直觀的展示的工作原理，圖4-2重新繪制了光伏陣列的輸出特性。兩個(gè)不同光照強(qiáng)度下光伏陣列的輸出特性如曲線、曲線所示，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為與其對(duì)應(yīng)的

75、光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)；并假定在某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處。當(dāng)外界光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列的輸出特性由曲線 1變化為曲線 2。此時(shí)如果負(fù)載1不發(fā)生相應(yīng)變化，系統(tǒng)將運(yùn)行在A’點(diǎn)，這樣就偏離了曲線所對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了能夠繼續(xù)保持系統(tǒng)運(yùn)行在新最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)的負(fù)載特性應(yīng)當(dāng)從負(fù)載1變化至負(fù)載2處，以保證系統(tǒng)能夠運(yùn)行在新的光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)B。同樣的原理，如果光照強(qiáng)度發(fā)生變化，假設(shè)光伏陣列的輸出特性由曲線2變化為曲線

76、1，系統(tǒng)的負(fù)載特性應(yīng)當(dāng)從負(fù)載2變化至負(fù)載1，以保證相應(yīng)的工作點(diǎn)不會(huì)由 B點(diǎn)變化至 B’點(diǎn)，而是仍然能運(yùn)行在該光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)A處。</p><p>　　從理論上分析是沒有任何問題的，但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及負(fù)載情況的影響處在不斷變化中，而且測(cè)量電路中電阻值要比測(cè)量電壓值復(fù)雜得多。從圖4-1中我們還可以直觀的看出，當(dāng)時(shí)，兩端的電壓大小是，這表明如果我們調(diào)節(jié)兩端的電壓使

77、其為到，負(fù)載上同樣可以獲得最大功率。因此，為了進(jìn)行光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，我們也可以通過測(cè)量并調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.2 基于DC/DC 變換電路 MPPT的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　由前文可知，只要改變加在光伏陣列后級(jí)電路的等效電阻，使其始終等于光伏陣列內(nèi)阻，就可以改變光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列有最大功率的輸出。目前所用的方法是增加一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換電路在

78、光伏陣列和負(fù)載之間，通過調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換電路功率開關(guān)器件的占空比來實(shí)現(xiàn)控制。</p><p>　　按DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功能可分為以下三類：升壓型轉(zhuǎn)換電路( (Boost Converter)，降壓型轉(zhuǎn)換電路( BuckConverter)以及升—降壓型轉(zhuǎn)換電路((Boost一Buck Converter)。</p><p>　　文獻(xiàn)[13]、[14]詳細(xì)介紹了選用升壓型轉(zhuǎn)換電路的理由，

79、因此本文對(duì)電路的基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)進(jìn)行了分析。</p><p>　　4.2.1 BOOST電路的基本工作原理</p><p>　　當(dāng)電感足夠大時(shí)，變換電路可以始終工作在電感電流連續(xù)的狀態(tài)。電路的每個(gè)周期都可分為開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)階段，其基本變換電路如圖4-3所示。</p><p>　　當(dāng) t=0時(shí)，開關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓全部加在電感L上，電感電流增加，

80、電感儲(chǔ)能，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)左正右負(fù)，二極管D承受反向電壓截止，負(fù)載所需能量由電容C所儲(chǔ)存的能量提供。當(dāng) 時(shí)，開關(guān)管Q關(guān)斷，電感電流不能突變，其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)左負(fù)右正，二極管D導(dǎo)通，電源和電感的儲(chǔ)能給電容充電的同時(shí)給負(fù)載供電。</p><p>　　圖4-3 基本的BOOST變換電路</p><p>　　一個(gè)周期內(nèi)，電感兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為零（電感的伏秒平衡率）[14]，可以得到：</p&

81、gt;<p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　整理后得輸入輸出電壓的關(guān)系：</p><p><b>　　（4.5）</b></p><p>　　其中，為開關(guān)占空比，。顯然，調(diào)整占空比可以改變輸入與輸出電壓的關(guān)系。</p><p>　　4.2.2 BOOST電路實(shí)現(xiàn)M

82、PPT的理論依據(jù)</p><p>　　圖4-4為通過調(diào)節(jié)占空比以實(shí)現(xiàn)的電路圖。</p><p>　　圖4-4 BOOST電路實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配示意圖</p><p>　　圖中轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓為光伏陣列的輸出電壓。假設(shè)是純電阻負(fù)載，從光伏陣列端口看，紅色虛線后的電路可視為一個(gè)等效負(fù)載，其大小為</p><p><b>　?。?.6）<

83、;/b></p><p>　　若忽略中間環(huán)節(jié)的能量損耗，按理想情況考慮，由功率平衡可得：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　我們還可以知道，純電阻負(fù)載消耗的功率為，將此關(guān)系式、式（4.5）、式（4.6）與式（4.7）整理得</p><p><b>　?。?.8）</

84、b></p><p>　　由此可見，只要改變轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)管占空比，使其等效輸入阻抗與光伏陣列的內(nèi)阻相匹配，即相當(dāng)于改變了負(fù)載特性的斜率，就可以改變其與光伏陣列P-V特性曲線的交點(diǎn)，使光伏陣列有最大的功率輸出。</p><p>　　4.3常用最大功率點(diǎn)跟蹤算法</p><p>　　近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出了許多種算法，既包括傳統(tǒng)的開環(huán)算法和自尋優(yōu)算法，又包

85、括模糊邏輯控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法[5]。目前常用的傳統(tǒng)方法有以下幾種：</p><p>　　4.3.1 恒定電壓法（Constant Voltage Tracking，CVT）</p><p>　　由前文分析可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，在不同的光照強(qiáng)度下，P-V曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于某一垂直直線附近，這說明光伏陣列最大功率的輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某一恒定電壓，此時(shí)，如果將光伏陣列的輸出電壓固定

86、在這一垂直直線即最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓附近，光伏陣列就基本上能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率輸出，這大大簡(jiǎn)化了光伏發(fā)電系統(tǒng)的的控制設(shè)計(jì)，人們只需要把光伏陣列的輸出電壓鉗位于從生產(chǎn)廠商處獲得的最大輸出電壓值即可。這種方法可以方便的通過硬件實(shí)現(xiàn)，控制簡(jiǎn)單，可靠性也比較高，但是對(duì)于早晚溫差大和四季溫度變化比較明顯的地區(qū)，控制精度差，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)還需要人為調(diào)節(jié)才能良好，太陽能利用率低，并且這種方法溫度對(duì)陣列的開路電壓的影響，以單晶硅為例，當(dāng)環(huán)境溫度

87、每升高℃時(shí)，其中開路電壓將下降0.4％~0.5％[15]。</p><p>　　采用恒定電壓法實(shí)現(xiàn)MPPT控制，由于其具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)中仍被大范圍使用。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及微處理器化的不斷發(fā)展，這種方法正在逐漸被新的方法所取代。</p><p>　　4.3.2 間歇掃描法</p><p>　　間歇掃描法是在定壓跟蹤法的基礎(chǔ)上得

88、來的，它實(shí)現(xiàn)MPPT的核心思想是定時(shí)掃描光伏陣列的電壓來代替從生產(chǎn)商處得來的值，同時(shí)記錄下不同電壓下對(duì)應(yīng)的電流值，經(jīng)過比較不同點(diǎn)的太陽電池陣列的輸出功率就可以方便地計(jì)算出最大功率點(diǎn)，從而取代了不間斷的搜索過程。間歇掃描方法測(cè)定最大功率點(diǎn)所需要的時(shí)間是毫秒級(jí)，而定時(shí)掃描的時(shí)間間隔可以放寬至秒級(jí)[12]。通過定時(shí)掃描可以計(jì)算出在該光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度條件下的最大功率值及其相應(yīng)的電壓，并通過實(shí)時(shí)控制使得光伏陣列工作在該點(diǎn)處。這種實(shí)現(xiàn)MPPT的

89、方法穩(wěn)定可靠，一般不會(huì)產(chǎn)生振蕩，在光伏陣列容易產(chǎn)生遮擋的應(yīng)用，如太陽能汽車，民用光伏建筑等，這種MPPT方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。這種方案的最大缺點(diǎn)是在需要有連續(xù)輸出的光伏系統(tǒng)中才能應(yīng)用，同時(shí)該方法需要 CPU 具有較快的運(yùn)算能力和較大的存儲(chǔ)空間，并且將時(shí)間間隔放寬至秒級(jí)不能及時(shí)同步跟蹤陣列輸出，在光照強(qiáng)度變化劇烈的情況下，間歇掃描法很難使光伏陣列時(shí)刻工作于最大功率點(diǎn)處。</p><p>　　4.3.3 擾動(dòng)觀察法

90、(Perturb & Observe algorithms，P&O)</p><p>　　擾動(dòng)觀察法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的自尋優(yōu)方法中的一種，其工作原理就是在光伏陣列正常工作時(shí)，不斷地以較小的步長(zhǎng)改變光伏陣列的輸出電壓值，這一過程稱為“擾動(dòng)”，該擾動(dòng)值可正可負(fù)，在電壓變化的同時(shí)，其輸出功率也會(huì)發(fā)生變化，然后測(cè)量光伏電池輸出功率的變化方向，根據(jù)功率變化的正負(fù)值來決定下一次對(duì)輸出電壓的擾動(dòng)方向，若

91、擾動(dòng)后的功率與擾動(dòng)之前功率值相比有所增加，則表示擾動(dòng)的方向正確，電壓可繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)；若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前的功率值，則往相反的方向擾動(dòng)，最終使光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)處。</p><p>　　圖4-4為擾動(dòng)觀察法控制流程圖。</p><p>　　圖4-4 擾動(dòng)觀察法控制流程圖</p><p>　　由圖4-4擾動(dòng)觀察法的控制流程圖建立其Matlab/Simu

92、link 仿真模型如下圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 擾動(dòng)觀察法的Matlab/Simulink 仿真模型</p><p>　　其中設(shè)定擾動(dòng)的步長(zhǎng)為0.0002，零階保持器采的樣周期為0.002s。把MPPT控制系統(tǒng)串入BOOST轉(zhuǎn)換電路，與前文中搭建的光伏電池模塊進(jìn)行連接，并在不同時(shí)刻改變光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，最后由示波器輸出光伏電池的輸出功率。</p><

93、;p>　　設(shè)定光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化曲線如下圖4-5、圖4-6所示。光照強(qiáng)度在0.2s時(shí)從600W/m² 上升到1000W/m² ；環(huán)境溫度在0.4s時(shí)從25℃上升到45℃。仿真模型的功率輸出曲線如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-5 光照強(qiáng)度的變化曲線</p><p>　　圖4-6 環(huán)境溫度的變化曲線</p><p>　　圖4-

94、7 擾動(dòng)觀察法的功率變化曲線</p><p>　　擾動(dòng)觀察法由于跟蹤方法簡(jiǎn)單，擾動(dòng)參數(shù)少，是模塊化的控制回路，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)傳感器的精度要求不高，被因而廣泛用于控制中。觀察上圖的功率變化曲線該方法的缺點(diǎn)就暴露了出來：</p><p>　?。?）由于其始終存在，即使到達(dá)了最大功率點(diǎn)處擾動(dòng)也不會(huì)停止，而是在其附近振蕩運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致一定的功率損失。</p><p>　?。?）

95、擾動(dòng)步長(zhǎng)的大小決定了跟蹤的精度和速度，二者不能兼顧。</p><p>　?。?）當(dāng)光照強(qiáng)度突變時(shí)，容易發(fā)生誤判現(xiàn)象。</p><p>　　文獻(xiàn)[15]詳細(xì)描述了由于算法的誤判而引起的功率輸出波動(dòng)現(xiàn)象。</p><p>　　如圖4-8所示，對(duì)于曲線1，當(dāng)光照強(qiáng)度穩(wěn)定時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)其輸出電壓為，輸出功率為，由擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)光伏電池輸出陣列的端電壓

96、至點(diǎn)時(shí)，其輸出功率，進(jìn)而可以穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。</p><p>　　圖4-8 擾動(dòng)觀察法可能發(fā)生誤判的示意圖</p><p>　　若光照強(qiáng)度減弱，環(huán)境溫度降低，由擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)光伏電池輸出陣列的端電壓仍至點(diǎn)時(shí)，其輸出功率，擾動(dòng)會(huì)向反方向進(jìn)行，此時(shí)不論擾動(dòng)電壓使其上升還是下降，輸出功率都必然會(huì)減小，顯然這種情況造成了輸出狀態(tài)的波動(dòng)，如果光照強(qiáng)度持續(xù)減弱，溫度持續(xù)降低，則有可能控制系統(tǒng)

97、不斷誤判，影響追蹤效果。</p><p>　　4.3.4 電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance Algorithm,ICA)</p><p>　　電導(dǎo)增量法也是目前實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的自尋優(yōu)方法中的一種，通過光伏陣列曲線可知，在某一確定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，該曲線是一個(gè)單峰曲線，只有一個(gè)極大值點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)處的斜率為零；在最大功率點(diǎn)左側(cè)，斜率大于零；在最大功率的右

98、側(cè)，斜率小于零。</p><p>　　對(duì)于光伏陣列的輸出功率</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　將式（4-9）兩邊對(duì)求導(dǎo)，得</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí), 成立，說明此時(shí)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)處，

99、此時(shí)只需要維持光伏陣列的輸出電壓不變即可；當(dāng)時(shí)，成立，此時(shí)需增大光伏陣列的輸出電壓；當(dāng)時(shí)，成立，說明此時(shí)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)需減小光伏陣列的輸出電壓。電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖4-9所示。</p><p>　　圖中程序先對(duì)新值進(jìn)行采樣，然后計(jì)算新值與舊值的誤差，再判斷電壓的差值是否為零，若電壓的差值為零再依次判斷電流的差值是否為零，若兩者都為零則表示阻抗一致；若電壓的差值為零，電流的差值不為零，則表示光

100、照強(qiáng)度發(fā)生了變化，若電流的差值大于零，給輸出電壓一個(gè)正的擾動(dòng)值；若電流的差值小于零，給輸出電壓一個(gè)負(fù)的擾動(dòng)值。再來討論電壓的差值不為零時(shí)，若電導(dǎo)的變化量等于負(fù)電導(dǎo)值，表示功率曲線斜率為零，此時(shí)位于功率最大點(diǎn)處，輸出電壓不發(fā)生改變；若電導(dǎo)的變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，表示功率曲線斜率為正，給輸出電壓一個(gè)正的擾動(dòng)值；若電導(dǎo)的變化量小于負(fù)電導(dǎo)值，表示功率曲線斜率為負(fù)，給輸出電壓一個(gè)負(fù)的擾動(dòng)值[13]。</p><p>　　圖4

101、-9 電導(dǎo)增量法的控制流程圖</p><p>　　下面對(duì)電導(dǎo)增量法進(jìn)行Matlab/simulink仿真建模分析。由上圖電導(dǎo)增量法流程圖建立其模型如下圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 電導(dǎo)增量法的Matlab/Simulink 仿真模型</p><p>　　其中設(shè)定的擾動(dòng)步長(zhǎng)與前文中擾動(dòng)觀察法相同，為0.0002，零階保持器的采樣周期同樣為0.002

102、s。對(duì)上圖中MPPT仿真模型進(jìn)行封裝， 再把MPPT控制系統(tǒng)與BOOST變換電路和前文中建立的光伏電池模塊進(jìn)行連接，并在不同的時(shí)刻改變光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，設(shè)定其變化時(shí)間與變化量與前文中擾動(dòng)觀察法完全一致，最后由示波器輸出光伏電池的輸出功率如下圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 電導(dǎo)增量法的功率變化曲線</p><p>　　由上圖可以看出電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于，其跟蹤的準(zhǔn)確性高，

103、當(dāng)光伏陣列上的光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其輸出電壓具有良好的跟隨特性，電壓波動(dòng)較小。但是其算法十分復(fù)雜，并且在跟蹤的過程中執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換需要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，其傳感器的精度在一定程度上會(huì)影響控制的精度，也存在振蕩與誤判的問題。</p><p>　　4.4 基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法</p><p>　　4.4.1 滯環(huán)比較法原理</p><p>　　擾動(dòng)觀察法的基本思想是進(jìn)

104、行兩點(diǎn)比較,即將擾動(dòng)后的工作點(diǎn)與上一個(gè)工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率大小進(jìn)行比較,判斷功率的變化方向從而決定電壓的擾動(dòng)方向，這種方法除了會(huì)造成較多的擾動(dòng)損失外,還可能出現(xiàn)誤判。滯環(huán)比較法是在擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三點(diǎn)比較，可以避免擾動(dòng)觀測(cè)法中的擾動(dòng)誤差以及誤判現(xiàn)象。滯環(huán)比較法的基本工作原理是,以當(dāng)前工作點(diǎn)A點(diǎn)為中心,在其左右各取一點(diǎn)B、C形成滯環(huán)。假設(shè)當(dāng)前的工作點(diǎn)為A點(diǎn),依據(jù)系統(tǒng)判定的擾動(dòng)方向?qū)⒐ぷ鼽c(diǎn)擾動(dòng)至B點(diǎn),再向相反的方向擾動(dòng)兩個(gè)步長(zhǎng)至C點(diǎn),

105、A、B、C三點(diǎn)的功率測(cè)量值分別為、和。與擾動(dòng)觀察法相似的是，滯環(huán)比較法也是兩兩分別進(jìn)行比較，即比較相鄰兩點(diǎn)之間的功率大小,即將與、與分別獨(dú)立進(jìn)行比較,每一小組單獨(dú)比較會(huì)出現(xiàn)大于、小于和等于三種可能性,且兩組的比較結(jié)果相互獨(dú)立,因此比較結(jié)果一共有9種情況。定義以及時(shí)為“+”，反之為“-”，可以得到圖4-12所示的9種關(guān)系示意圖。</p><p>　　圖4-12 擾動(dòng)觀察法兩兩比較可能出現(xiàn)的關(guān)系示意圖</p&g

106、t;<p>　　在上圖所示的情形中，如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為正，則電壓值保持原方向擾動(dòng)；如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為負(fù),則電壓值反方向擾動(dòng)；如果兩次擾動(dòng)的功率比較有正有負(fù)，可能已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或者外部光照強(qiáng)度變化很快，電壓值不變[6]。</p><p>　　從圖4-12中我們可以看出，滯環(huán)比較法實(shí)際上是通過自當(dāng)前工作點(diǎn)處進(jìn)行雙向擾動(dòng)的方法來確保擾擾動(dòng)動(dòng)作的可靠性，避免誤判的發(fā)生，同時(shí)還能較好地抑制

107、在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。然而，同樣地，滯環(huán)比較法的擾動(dòng)步長(zhǎng)的大小也決定了跟蹤的精度和速度，二者不能兼顧，若擾動(dòng)步長(zhǎng)選擇過大時(shí)，電壓可能在離最大功率點(diǎn)比較遠(yuǎn)的區(qū)域保持穩(wěn)定，造成能量的損失；若擾動(dòng)步長(zhǎng)選擇過小時(shí)，電壓從當(dāng)前工作點(diǎn)到達(dá)最大功率點(diǎn)處所需要的的時(shí)間又過長(zhǎng)。</p><p>　　4.4.2 最優(yōu)梯度法原理</p><p>　　梯度法是一種應(yīng)用廣泛且具有重要意義的求取某一函數(shù)的極值的

108、方法。是沿遞度下降的方向求解極小值（也可以沿遞度上升方向求解極大值）。它的迭代公式可以寫成：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　式中，；是一非負(fù)常數(shù)，和分別是本次采樣周期與下一次采樣周期的初始時(shí)刻直流側(cè)電壓值。由此可知，基于最優(yōu)梯度法的實(shí)際上是根據(jù)光伏電池的P-V曲線的斜率而自動(dòng)改變當(dāng)前運(yùn)行電壓下擾動(dòng)步長(zhǎng)的大小。當(dāng)當(dāng)前的工作點(diǎn)在最大

109、功率點(diǎn)兩側(cè)距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)，即位于斜率的絕對(duì)值較大的區(qū)域時(shí),電壓以一較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)增加（或減?。?并隨著工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)逐漸逼近的過程中，斜率的絕對(duì)值也隨之減小，電壓的擾動(dòng)步長(zhǎng)會(huì)自動(dòng)變小。由分析可知，最優(yōu)梯度法能夠比較快速的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)幾乎能夠在最大功率點(diǎn)處穩(wěn)定，但是它不能像滯環(huán)比較法一樣通過雙向擾動(dòng)避免誤判發(fā)生，因此文獻(xiàn)[6]提出了基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法實(shí)現(xiàn)，即將最優(yōu)梯度與滯環(huán)比較兩種方法相結(jié)合，互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。</

110、p><p>　　4.4.3 基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法</p><p>　　圖4-13為其基本流程框圖。</p><p>　　由圖4-13可知,該方法需要首先檢測(cè)當(dāng)前的工作點(diǎn)電壓與電流值,并將標(biāo)識(shí)變量f（無任何實(shí)際意義）進(jìn)行初始化，首先通過最優(yōu)梯度法確定電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)的大小,從而可以確定出當(dāng)前工作點(diǎn)兩側(cè)所對(duì)應(yīng)的電壓與電流值,并計(jì)算出三點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率值。每個(gè)周期開始時(shí),我們令

111、標(biāo)識(shí)變量f初值為0。從流程圖中我們可以看出，若，則 f=2，令下一個(gè)周期工作電壓為，如果，則f=-2，則令下一周期工作電壓值為其他任何情況下,f=0,下一周期工作電壓保持不變。</p><p>　　采用于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較法可以使工作點(diǎn)幾乎穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處,并且其擾動(dòng)紋波非常小，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，由于滯環(huán)比較法的優(yōu)越性，可以抑制誤判的發(fā)生。</p><p>　　圖4-13 基于最優(yōu)梯