基于Matlab光伏电池建模及MPT方法研究.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文基于Matlab的光伏电池建模及MPPT方法研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化班 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 年月日装订线. . . 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 光伏发电的背景及意义11.1.1 研究背景11.1.2 我国太阳能资源的分布21.2太阳能发电发展概况21.2.1 光伏发电的历史21.2.2 太阳能发电的国内外发展概况31.3 本文研究的主要内容32 光伏并网发电系统及基本原理42.1 光伏发电系统的分类42.2光伏并网发电系统组成52.3光伏电池52.3.1光伏电池的工作原理52.3.2 光伏电池的种类63 光伏电池建模与仿真分析63.1光伏电池数学模型63.2 光伏电池模型93.3 光伏电池仿真分析104 光伏阵列最大功率点跟踪方法研究124.1 最大功率点跟踪的理论依据124.2 基于DC/DC 变换电路 MPPT的实现144.2.1 BOOST电路的基本工作原理144.2.2 BOOST电路实现MPPT的理论依据154.3常用最大功率点跟踪算法及其仿真164.3.1 恒定电压法164.3.2 间歇扫描法164.3.3 扰动观察法174.3.4 电导增量法204.4 基于最优梯度的滞环比较法234.4.1 滞环比较法原理234.4.2 最优梯度法原理244.4.3 基于最优梯度的滞环比较法244.4.4 基于最优梯度的扰动观察法与扰动观察法的仿真比较25 5 结论与展望275.1 结论275.2 展望27参考文献28致谢29ii ContentsAbstractII1 Introduction11.1 Background and significance of photovoltaic power generation11.1.1 Background11.1.2 Distribution of solar energy resources in China21.2 Development of solar power21.2.1 History of photovoltaic power generation21.2.2 Development of solar power at home and abroad31.3 The main content of this paper32 Photovoltaic grid connected power generation system and basic principle42.1 Classification of photovoltaic power generation system42.2 PV grid connected power generation system52.3 Photovoltaic battery52.3.1 Working principle of photovoltaic battery52.3.2 The type of photovoltaic battery63 Modeling and simulation of photovoltaic battery63.1 Mathematical model of photovoltaic battery63.2 PV battery model93.3 Simulation analysis of photovoltaic battery104 Maximum power point tracting method for photovoltaic array124.1 The theory basis of maximum power point tracting124.2 Implementation of MPPT based on DC/DC transform144.2.1 Basis working principle of BOOST circuit144.2.2 Theoretical basis of BOOST circult for MPPT154.3 Common maximum power point tracting algorithm and simulation164.3.1 Constant voltage tracking164.3.2 Intermittent scanning164.3.3 Perturb and Observe algorithms174.3.4 Incremental conductance algorithm204.4 The method based on the optimal gradient hysteresis comparison method234.4.1 Hysteresis comparison principle234.4.2 Optimal gradient method244.4.3 Hysteresis comparison method based on optimal gradient244.4.4 Simulation comparison of the peryurbation observation method and the perturbation observation method based on the optimal gradient255 Conclusions and outlook275.1 Conclusions275.2 Outlook27Reference28Thanks29iv基于Matlab的光伏电池建模及MPPT方法研究（山东农业大学 机械与电子工程学院 ）摘要：自工业化以来的近三百年间，世界能源工业飞速发展，有力支撑了全球经济与社会发展。在这个发展的过程中，传统化石能源的大量开发及使用导致了资源紧张、环境污染、气候变化等问题日益突出，严重的威胁了人类生存和可持续发展。近年来，太阳能作为一种高效无污染的新能源，逐渐受到各国乃至全球的广泛关注。本文首先简要介绍了光伏发电的背景及意义,对光伏发电历史以及国内外光伏发电发展现状进行了综述，然后阐述了光伏并网发电系统及其基本工作原理，并详细描述了运用 Matlab/Simulink 建立光伏阵列仿真模型的过程，最后对光伏发电系统最大功率点跟踪的理论依据以及工作原理进行了分析，介绍了常见的 MPPT方法及仿真分析，并根据文献6详细描述了一种改进的基于最优梯度的滞环比较法的原理，并对改进的基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，验证了改进算法的优越性。关键词：太阳能 光伏发电 光伏阵列 最大功率点跟踪Establish the Solar Cell Model and Research on MPPT Method Based on Matlab Shuwen Yang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract since the industrialization of the last three hundred years, the world energy industry has developed rapidly, which 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 issues become increasingly prominent, a serious threat to human survival and sustainable development. In recent years, solar energy as a new energy efficient and pollution-free, has gradually been widely concerned by the countries and the world. This paper begins with a brief introduction to the background and significance of the photovoltaic power generation, of photovoltaic power history and domestic photovoltaic power development status were summarized, and then expounds the grid connected photovoltaic power generation system and the basic working principle, and a detailed description of the use of Matlab / Simulink Jian Liguang photovoltaic array simulation model of the process, finally of photovoltaic system maximum power point tracking method and principle are analyzed, and introduces the common MPPT method and simulation, and according to the literature 6 a detailed description of the a kind of improvement based on the principle of optimal gradient hysteresis comparison method,the simulation contrast of the improved gradient based perturbation method and the conventional perturbation method is done and the superiority of the improved algorithm is verified.Keywords: solar energy; Photovoltaic power generation;PV array; maximum power point trackingII1 绪论1.1 光伏发电的背景及意义1.1.1 研究背景 全球能源发展经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到汽油时代、电气时代的演变过程。目前，世界能源供应以化石为主，有力的支撑了经济社会的快速发展。长期以来，世界能源的发展有些过度的依赖化石能源，导致环境污染、气候变化、资源紧张等问题日益突出，严重的威胁了人类社会的生存与发展，我们面临着十分严峻的形式。应对挑战，需要统筹把握环境影响全球化、资源配置全球化和经济发展全球化的新特征，推动世界能源走上清洁、高效、安全、可持续发展的道路。全球化石能源资源虽然储量大，但随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，正面临资源枯竭、污染排放严重等现实问题，截至2014年，全球煤炭、石油、天然气剩余探明可采储量分别为8915亿吨、2382亿吨和186万亿米，折合标准煤共计1.2万亿吨，其组成结构为煤炭占52.0%、石油占27.8%、天然气占20.2%.按照目前世界平均开采强度，全球煤炭、石油和天然气分别可以开采113年、53年和55年。这些化石能源在全球分布很不均衡，中国化石能源资源以煤炭为主，石油、天然气等资源相对缺乏，化石能源探明可采储量总计约为896亿吨标准煤，其组成结构为煤炭占91.2%、石油占3.9%、天然气占4.9%，采储比分别为31年、12年、28年。由此可见，中国的化石能源资源均低于世界平均水平，我国的能源需求面临着更加严峻的挑战。图1-1 一次能源的探明剩余储量比较 全球水能、风能、太阳能等清洁能源不仅总量非常丰富，而且低碳环保、可以再生，未来开发潜力巨大。根据世界能源理事会（World Energy Council, WEC）估算，全球清洁能源资源每年理论可开发量超过150000万亿千瓦时，按照发电煤耗300克标准煤/(千瓦时)计算，约合45万亿吨标准煤，相当于全球化石能源剩余探明储量的38倍。其中太阳能来自太阳辐射，是世界上资源量最大、分布最广泛的清洁能源。太阳能发电是太阳能开发利用的最主要的方式。它具有可再生、干净无污染、无资源短缺、分布式发电和不受地域限制等优点，21世纪以来，全球太阳能发电呈现快速发展势头，超过风电成为增长速度最快的清洁能源发电品种。1.1.2 我国太阳能资源的分布 我国幅员辽阔，具有着非常丰富的太阳能资源。从图1-2中我们可以看出，我国全年三分之二以上的地区太阳能资源情况较好，年日照大于2000小时，年均辐射量约为1630kWh/m。在我国开展大规模太阳能光伏发电具有着得天独厚的条件，我国极具太阳能市场潜力。图1-2 中国陆地太阳能资源分布图1.2太阳能发电发展概况 太阳能发电主要包括两种方式：太阳能光发电和太阳能热发电。光发电是一种能够将太阳能直接转变成电能的发电方式。热发电则是先将太阳能转化为热能，再将热能最终转化成电能。其中太阳能光发电包括光伏发电、光感应发电、光生物发电和光化学发电四种形式。现代物理学研究认为，太阳光是由不同频率的光子组成，光子是光线中携带能量的粒子。太阳能光伏发电就是利用光子激发半导体物质中的电子从而产生光生伏特效应，一种将太阳能直接转换为电能的发电方式。1.2.1 光伏发电的历史 1839年法国科学家贝克勒耳发现了“光生伏特效应”；1873年英国科学家威廉史密斯发现了对光敏感的硒材料，并进行了大胆的推断，在光的照射下光通量与硒的导电能力成正比，随着光通量的增加硒的导电能力随之增加；1880年，美国科学家查尔斯弗里茨开发出第一块以硒材料为基础的光伏电池，诞生了将太阳光能转换成电能的实用光伏发电技术；1954年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，获得了4.5%光电转换效率的成果，它与我们今天所熟知的硅太阳能电池基本接近1；1961年至1971年期间，硅光伏电池的重点侧重于降低电池的重量及开发成本、提高其抗辐射能力上，其技术上没有取得重大改善与进步；1972年至1976年期间，空间用单晶硅光伏电池被成功研制并得到了初步的应用。从20世纪70年代中后期开始，光伏技术逐渐得到发展完善，成本不断降低，形成了不断发展的光伏技术产业，逐渐成为21世纪新能源舞台上的主要成员之一2。1.2.2 太阳能发电的国内外发展概况 在各国政策激励下，世界光伏发电已经从最初少数国家开发进入大规模发展阶段，而光热发电尚处于技术研发和试验示范阶段。从各国政策走势和规划来看，太阳能发电将继续保持快速发展，远期发展规模将超过风电。20世纪70年代以来，太阳能发电日益受到各国政策推动和重视。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，大幅度增加太阳能的研究经费，并且成立了太阳能开发银行，促进了太阳能产业的商业化发展。1974年，日本公布了政府制定的“阳光计划”，其中对太阳能的研究开发项目包括了太阳能热发电、太阳房、太阳能电池生产系统、工业太阳能系统、分散型和大型光伏发电系统等等。1990年，德国提出了“2000个光伏屋顶计划”。1998年，荷兰提出了“百万个太阳能屋顶计划”。2009年，印度提出了“尼赫鲁国家太阳能计划”，提出把印度打造为全球的太阳能利用大国的具体方针和路线。自2009年开始中国实施“金太阳工程”，为用户侧分布式光伏发电项目提供约50%的初始投资补贴，从此开启了我国光伏发电规模化发展的新时代。截至2013年6月，我国光伏发电的总装机容量约为1076万kW。2014 年，中国光伏发电的累计总装机容量位居世界第二，仅次于德国。根据可再生能源中长期发展规划，到 2020 年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW，到2050年将达到600GW。预计，到2050年，我国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%3。1.3 本文研究的主要内容 本文主要针对光伏发电系统中的光伏电池建模以及最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）方面进行了研究。首先概述了太阳能光伏发电的背景及意义和太阳能发电的概况，对光伏发电历史以及国内外光伏发电发展现状进行了综述，其次概述了光伏并网发电系统及其原理，通过Matlab对光伏电池进行了建模、仿真，并对其结果进行分析，得出了不同环境温度及不同光照强度下太阳能电池输出特性曲线图，以此证明了太阳能电池输出的非线性特性；最后介绍了最大功率点跟踪技术（MPPT）的原理以及BOOST电路实现MPPT的理论依据，对常见的 MPPT方法进行了概述及建模仿真分析，并根据文献6详细描述了一种改进的基于最优梯度的滞环比较法的原理，最后对改进的基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，验证了改进算法的优越性。2 光伏并网发电系统及基本原理 2.1 光伏发电系统的分类光伏发电系统可以分为两大类：独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统是指不与电网连接而直接带负载的系统，如图2-1所示，并网光伏发电系统是与电网并联运行的系统，如图2-2所示，光伏并网系统与公共电网并列运行，当系统发出的功率大于负载时将多余的功率送入电网，而当系统发出的功率小于负载时公共电网对所缺的功率进行补充。 直流电交流电光照交流负载电池板逆变器蓄电池光照图2-1 独立光伏发电系统基本结构交流电直流电电网逆变器太阳能电池板蓄电池 图2-2 并网光伏发电系统基本结构 光伏并网发电系统按照系统功能可以分为两类：一种是不含储能装置的“不可调度式光伏并网发电系统”，另一种是含储能装置的“可调度式光伏并网发电系统”4。 不可调度式光伏并网发电系统仅能够并网运行，运行控制方式单一；而可调度式光伏并网发电系统能够在系统发生故障时兼具不间断电源（UPS），以保障重要负荷的供电，然而由于增加了储能环节，虽然与不可调度式系统功能齐全，但是也带来了严重的问题：储能装置的设置必须增加充电系统，不仅增加了成本而且还会降低系统可靠性；储能系统寿命较短且体积大；使用的同时还要对报废的储能装置进行专门处理，防止腐蚀性液体泄漏。基于以上原因，目前一般采用的是不可调度式发电系统，其集成度高、可靠性高、安装调试也相对方便5,6。2.2光伏并网发电系统组成光伏并网发电系统的典型结构应该包括光伏阵列、最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）装置、储能系统、并网逆变器以及并网变压器7。图2.3 光伏并网发电系统的典型结构 光伏阵列是由多块光伏电池单体串、并联后封装而成的太阳能电池方阵，是太阳能发电系统的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分，其作用是将太阳能装换为电能；最大功率点跟踪装置是光伏发电系统中的必要控制环节，光伏阵列模块输出具有非线性特性，受环境温度、光照强度、负载等因素影响，最大功率点跟踪控制可以实时调整光伏阵列模块工作点，经过比较寻优，找到光伏阵列在确定光照强度和环境温度条件下输出与最大功率对应的工作电压8，使之在任何条件下输出相应的最大功率，保障了光伏能源充分利用；储能系统能够在光照充足的情况下储存多余的电能，再根据需要在光照不足的情况下释放电能，起到调节供电平衡、稳定光伏电源的作用；并网变压器和逆变器则是将光伏阵列发出的低压直流电经升压后转化为标准的交流电，并入电网。2.3光伏电池2.3.1光伏电池的工作原理太阳能光伏发电的基本原理是利用利用光伏电池P-N结的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，就会在半导体内产生电子-空穴对，在P-N结内建静电场的作用下，电子、空穴相互运动，如下图2-4所示，P区的电子向N区移动，N区的空穴向P区移动，使得太阳电池的受光面N型区有大量电子积累，电势降低，而在电池背光面P型区有大量空穴积累，电势升高，P-N结两端形成光生伏打电动势，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。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生伏打电势差，这就是开路电压。如果P-N结两端接上负载，负载上就有电流通过，只要光照不停止，负载上将源源不断地有电流通过9。这就是太阳能发电光伏阵列的基本工作原理。图2-4光伏电池的工作原理图2.3.2 光伏电池的种类 从1954年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，到1959年的第一个单晶硅光伏电池的问世，再到1975年的非晶硅及带硅光伏电池的问世，到现在光伏电池的种类越来越多，技术也越来越成熟，据预测，到了2020年全球的光伏发电的总装机可能到达2.88亿千瓦10。 按照不同的分类方式光伏电池可分为以下几类： 1、按照结构的不同光伏电池可分为：肖特基光伏电池、同质结光伏电池、异质结光伏电池。 2、按光电转换机理的不同光伏电池可分为：传统光伏电池和激子光伏电池。 3、按照所用材料的不同光伏电池还可分为：硅光伏电池、有机型光伏电池、化合物薄膜电池、聚合物电极型以及纳米晶光伏电池。到目前为止，在市场所占份额最大，技术发展历史最悠久的光伏电池要数硅电池。高效晶硅电池其转换效率已经超过20%了，按照目前的发展趋势来看，在未来几年里其在市场的占有量将会不断扩大。3 光伏电池建模与仿真分析3.1光伏电池数学模型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3-1为太阳能电池的实际等效电路5。图3-1 太阳能电池的等效电路由光伏电池等效电路和电子学理论，可以得出光伏电池的I-V方程为： （3.1）式中：太阳能电池输出电流，A； 光生电流，A； 二极管的反向饱和电流（一般对于光伏单元量级而言，其量级为A），A； 电子电荷常数，为1.610C； 太阳能电池输出电压，V； 太阳能电池的等效串联电阻，； 太阳能电池的等效并联电阻，； 二极管特性因子； 玻尔兹曼常数，为1.3810J/K； 绝对温度，K； 式（3.1）是根据光伏电池原理得到的最基本表达式，被广泛应用于光伏电池的理论分析中，但是表达式中有5个参数、不易获得，它们不仅与电池温度、光照强度有关，而且对它们的确定非常困难。其中，由于光伏电池中串联的电阻非常小，可以等效为短路；而其并联的电阻非常大，可以等效为开路；在进行分析计算时都可以忽略不计。因此理想的光伏电池特性可以简化为经典的光伏电池I-V特性： （3.2） 工程用模型强调的是实用性和精确性的统一，因此在工程精度要求范围之内，还需要对式（3.2）模型进行简化，建立工程用数学模型10。电池厂家一般提供在标准测试条件（光谱AM为1.5，电池温度 =25，光照强度=1000W/m）下，光伏电池的参数：光伏电池短路电流，光伏电池开路电压；光伏电池最大功率点电流，光伏电池最大功率点电压。文献12还提出，建立光伏电池的工程模型时还需要在式（3.1）的基础上进行两点近似：1、 由于非常大，为数千欧姆；2、 通常，等效串联电阻远小于二极管的正向导通电阻，因此假设。同时有两个条件成立：1、 开路情况下；2、 在最大功率点处。 令，带入式（3.2）可得光伏电池工程实用表达式： （3.3）在最大功率点处我们可以进以下近似： （3.4） 可以解得： （3.5） （3.6）由式（3.5）、式（3.6）可知，当供应商提供电池参数、以及的情况下，为常数。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17。当考虑环境温度与光照强度变化时， （3.7） （3.8） （3.9） （3.10）式中， a、b分别为参考光照强度下的电流和电压的温度系数。对于硅光伏电池其实际测量值为： （A/） （3.11） （V/） （3.12）3.2 光伏电池模型 根据上一小结的公式，下面运用 Matlab/Simulink 建立光伏阵列仿真模型。1、 求解、 由式（3.5）可知，应先根据式（3.6）建立子模块如下图3-2所示。图3-2 子模块 根据及式（3.5）可建立子模块如下图3-3所示。图3-3 子模块2、 建立子模块 由式（3.8）、式（3.9）可建立子模块如下图3-4所示。图3-4 子模块3、 建立子模块 由子模块以及式（3.8）、式（3.10）可以建立子模块如下图3-5所示。图3-5 子模块4、 建立光伏电池的Simulink模型 根据式（3.7）及以上各子模块建立光伏阵列模型如下图3-6所示。图3-6 光伏电池的Simulink模型3.3 光伏电池仿真分析 前文所建立的光伏电池模型是一个受控电流源，其输出电流的大小由输入的S、T、V值所决定。下文仿真在不同光照强度和环境温度条件下，光伏电池的P-V和I-V特性曲线，封装后的光伏电池仿真模型如图3-7所示。图3-7 光伏电池仿真模型由于的值较小，在这里采用恒定的方法来近似模拟，令 。仿真中，使用某供应商提供的型号为CN-200S的光伏电池所提供的参数，标况下其参数为： A、 V、 A、 V。1200W/m800W/m1000W/m1200W/m(W)(V)(V)(A)1000W/m800W/m图3-8 不同光照强度下（T=25）的光伏电池特性曲线(W)(V)(V)(A)101025402540图3-9 不同温度下（S=1000W/m）的光伏电池特性曲线 光伏电池的P-V、I-V特性是光伏发电系统分析过程中最重要的数据之一。由图3-8、图3-9可知，光伏电池是一个既非恒流源也非恒压源的直流电源，具有强烈的非线性特性。1、随着电压由零逐渐增大，输出功率有一个先上升然后下降的过程，说明存在着一个电压值，可获得最大的功率输出。 2、在温度保持不变的前提下，短路电流随光照强度的增加而显著增加，开路电压也随光照强度的增加而缓慢增加。 3、随着光照强度的增加，光伏电池的最大输出功率增加，其对应的电压电流值也增加。 4、当光照强度保持不变，环境温度发生变化时，短路电流随着温度的升高增加缓慢，开路电压成反比例减小。 5、随着温度的升高，最大功率值减小。4 光伏阵列最大功率点跟踪方法研究4.1 最大功率点跟踪的理论依据由前文分析可知，太阳能电池的P-V特性具有强烈的非线性特性，并且光伏阵列输出模块功率会随着光照强度、环境温度等外在环境条件的变化而发生变化。当光照强度、环境温度一定时，光伏阵列总存在一个最大功率输出点，其对应的工作电压、工作电流分别为、，当光伏阵列的工作电压工作于最大功率点左侧时，其输出功率随工作电压的上升而增大，当光伏阵列的工作电压工作于最大功率点右侧时，其输出功率随工作电压的上升而减小。然而太阳能电池的工作环境是瞬息万变的，日照强度与环境温度时时刻刻都在发生着变化，最大功率点所对应的工作电压、工作电流也发生变化，因此对光伏阵列的输出功率必须加以严格的控制，以便阵列在任何当前环境条件下都能获得最大输出功率，提高系统的整体效率。图4-1最大功率匹配的原理图 由文献12可知，将光伏电池简化为恒压源和内阻，就可得到最大功率匹配的原理图如图4-1所示，其中是电压源电压，是电路中的电流，分别为电压源内阻和负载电阻。在这个线性回路中，负载上的功率为13 （4.1） 将上式两边对求导，因为为常数，可以得到 （4.2） 我们不难看出当时，负载上的功率最大， （4.3） 也就是说，对于一个线性电路，当负载电阻与内阻相等时，负载上可获得最大功率。虽然光伏阵列和DC/ DC转换电路都是非线性的，但是在极短的时间范围内，我们可以在一定程度上将其等效为线性电路14。因此，只要调节光伏阵列的后级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最大功率点跟踪13。图4-2 MPPT方法示意图为了更直观的展示的工作原理，图4-2重新绘制了光伏阵列的输出特性。两个不同光照强度下光伏阵列的输出特性如曲线、曲线所示，A点和B点分别为与其对应的光照强度下的最大功率点；并假定在某一时刻，系统运行在最大功率点处。当外界光照强度发生变化时，光伏阵列的输出特性由曲线 1变化为曲线 2。此时如果负载1不发生相应变化，系统将运行在A点，这样就偏离了曲线所对应的光照强度下的最大功率点。为了能够继续保持系统运行在新最大功率点，系统的负载特性应当从负载1变化至负载2处，以保证系统能够运行在新的光照强度下的最大功率点B。同样的原理，如果光照强度发生变化，假设光伏阵列的输出特性由曲线2变化为曲线1，系统的负载特性应当从负载2变化至负载1，以保证相应的工作点不会由 B点变化至 B点，而是仍然能运行在该光照强度下的最大功率点A处。从理论上分析是没有任何问题的，但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻受光照强度、环境温度以及负载情况的影响处在不断变化中，而且测量电路中电阻值要比测量电压值复杂得多。从图4-1中我们还可以直观的看出，当时，两端的电压大小是，这表明如果我们调节两端的电压使其为到，负载上同样可以获得最大功率。因此，为了进行光伏阵列的最大功率点跟踪，我们也可以通过测量并调节负载两端的电压来实现。4.2 基于DC/DC 变换电路 MPPT的实现 由前文可知，只要改变加在光伏阵列后级电路的等效电阻，使其始终等于光伏阵列内阻，就可以改变光伏阵列的工作点，使光伏阵列有最大功率的输出。目前所用的方法是增加一个DC/DC转换电路在光伏阵列和负载之间，通过调节DC/DC转换电路功率开关器件的占空比来实现控制。 按DC/DC转换电路的功能可分为以下三类：升压型转换电路( (Boost Converter)，降压型转换电路( BuckConverter)以及升降压型转换电路(Boost一Buck Converter)。 文献13、14详细介绍了选用升压型转换电路的理由，因此本文对电路的基本工作原理以及实现的理论依据进行了分析。4.2.1 BOOST电路的基本工作原理 当电感足够大时，变换电路可以始终工作在电感电流连续的状态。电路的每个周期都可分为开关管导通和关断两个阶段，其基本变换电路如图4-3所示。 当 t=0时，开关管Q导通，电源电压全部加在电感L上，电感电流增加，电感储能，感应电动势左正右负，二极管D承受反向电压截止，负载所需能量由电容C所储存的能量提供。当 时，开关管Q关断，电感电流不能突变，其产生的感应电动势左负右正，二极管D导通，电源和电感的储能给电容充电的同时给负载供电。图4-3 基本的BOOST变换电路一个周期内，电感两端电压对时间的积分为零（电感的伏秒平衡率）14，可以得到： （4.4）整理后得输入输出电压的关系： （4.5） 其中，为开关占空比，。显然，调整占空比可以改变输入与输出电压的关系。4.2.2 BOOST电路实现MPPT的理论依据图4-4为通过调节占空比以实现的电路图。图4-4 BOOST电路实现负载匹配示意图图中转换电路的输入电压为光伏阵列的输出电压。假设是纯电阻负载，从光伏阵列端口看，红色虚线后的电路可视为一个等效负载，其大小为 （4.6）若忽略中间环节的能量损耗，按理想情况考虑，由功率平衡可得： （4.7） 我们还可以知道，纯电阻负载消耗的功率为，将此关系式、式（4.5）、式（4.6）与式（4.7）整理得 （4.8） 由此可见，只要改变转换电路的开关管占空比，使其等效输入阻抗与光伏阵列的内阻相匹配，即相当于改变了负载特性的斜率，就可以改变其与光伏阵列P-V特性曲线的交点，使光伏阵列有最大的功率输出。4.3常用最大功率点跟踪算法 近年来，国内外的专家学者提出了许多种算法，既包括传统的开环算法和自寻优算法，又包括模糊逻辑控制和人工神经网络等智能算法5。目前常用的传统方法有以下几种：4.3.1 恒定电压法（Constant Voltage Tracking，CVT）由前文分析可知，当温度一定时，在不同的光照强度下，P-V曲线的最大功率点几乎分布于某一垂直直线附近，这说明光伏阵列最大功率的输出点大致对应于某一恒定电压，此时，如果将光伏阵列的输出电压固定在这一垂直直线即最大功率点所对应的电压附近，光伏阵列就基本上能够实现最大功率输出，这大大简化了光伏发电系统的的控制设计，人们只需要把光伏阵列的输出电压钳位于从生产厂商处获得的最大输出电压值即可。这种方法可以方便的通过硬件实现，控制简单，可靠性也比较高，但是对于早晚温差大和四季温度变化比较明显的地区，控制精度差，当外界环境发生剧烈变化时还需要人为调节才能良好，太阳能利用率低，并且这种方法温度对阵列的开路电压的影响，以单晶硅为例，当环境温度每升高时，其中开路电压将下降0.40.515。采用恒定电压法实现MPPT控制，由于其具有良好的稳定性和可靠性，目前在光伏发电系统中仍被大范围使用。随着光伏发电系统计算机控制技术及微处理器化的不断发展，这种方法正在逐渐被新的方法所取代。4.3.2 间歇扫描法 间歇扫描法是在定压跟踪法的基础上得来的，它实现MPPT的核心思想是定时扫描光伏阵列的电压来代替从生产商处得来的值，同时记录下不同电压下对应的电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地计算出最大功率点，从而取代了不间断的搜索过程。间歇扫描方法测定最大功率点所需要的时间是毫秒级，而定时扫描的时间间隔可以放宽至秒级12。通过定时扫描可以计算出在该光照强度以及环境温度条件下的最大功率值及其相应的电压，并通过实时控制使得光伏阵列工作在该点处。这种实现MPPT的方法稳定可靠，一般不会产生振荡，在光伏阵列容易产生遮挡的应用，如太阳能汽车，民用光伏建筑等，这种MPPT方案具有较高的实用价值。这种方案的最大缺点是在需要有连续输出的光伏系统中才能应用，同时该方法需要 CPU 具有较快的运算能力和较大的存储空间，并且将时间间隔放宽至秒级不能及时同步跟踪阵列输出，在光照强度变化剧烈的情况下，间歇扫描法很难使光伏阵列时刻工作于最大功率点处。4.3.3 扰动观察法(Perturb & Observe algorithms，P&O)扰动观察法是目前实现MPPT最常用的自寻优方法中的一种，其工作原理就是在光伏阵列正常工作时，不断地以较小的步长改变光伏阵列的输出电压值，这一过程称为“扰动”，该扰动值可正可负，在电压变化的同时，其输出功率也会发生变化，然后测量光伏电池输出功率的变化方向，根据功率变化的正负值来决定下一次对输出电压的扰动方向，若扰动后的功率与扰动之前功率值相比有所增加，则表示扰动的方向正确，电压可继续朝同一方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前的功率值，则往相反的方向扰动，最终使光伏阵列工作于最大功率点处。 图4-4为扰动观察法控制流程图。图4-4 扰动观察法控制流程图由图4-4扰动观察法的控制流程图建立其Matlab/Simulink 仿真模型如下图4-5所示。图4-5 扰动观察法的Matlab/Simulink 仿真模型其中设定扰动的步长为0.0002，零阶保持器采的样周期为0.002s。把MPPT控制系统串入BOOST转换电路，与前文中搭建的光伏电池模块进行连接，并在不同时刻改变光照强度和环境温度，最后由示波器输出光伏电池的输出功率。设定光照强度和环境温度的变化曲线如下图4-5、图4-6所示。光照强度在0.2s时从600W/m上升到1000W/m；环境温度在0.4s时从25上升到45。仿真模型的功率输出曲线如图4-7所示。图4-5 光照强度的变化曲线图4-6 环境温度的变化曲线图4-7 扰动观察法的功率变化曲线 扰动观察法由于跟踪方法简单，扰动参数少，是模块化的控制回路，容易实现，对传感器的精度要求不高，被因而广泛用于控制中。观察上图的功率变化曲线该方法的缺点就暴露了出来：（1）由于其始终存在，即使到达了最大功率点处扰动也不会停止，而是在其附近振荡运行，会导致一定的功率损失。（2）扰动步长的大小决定了跟踪的精度和速度，二者不能兼顾。（3）当光照强度突变时，容易发生误判现象。 文献15详细描述了由于算法的误判而引起的功率输出波动现象。 如图4-8所示，对于曲线1，当光照强度稳定时，假设系统工作在最大功率点附近，此时其输出电压为，输出功率为，由扰动观察法扰动光伏电池输出阵列的端电压至点时，其输出功率，进而可以稳步实现最大功率点的跟踪。曲线1Pa Pc Pb 曲线2图4-8 扰动观察法可能发生误判的示意图 若光照强度减弱，环境温度降低，由扰动观察法扰动光伏电池输出阵列的端电压仍至点时，其输出功率，扰动会向反方向进行，此时不论扰动电压使其上升还是下降，输出功率都必然会减小，显然这种情况造成了输出状态的波动，如果光照强度持续减弱，温度持续降低，则有可能控制系统不断误判，影响追踪效果。4.3.4 电导增量法(Incremental Conductance Algorithm,ICA) 电导增量法也是目前实现MPPT最常用的自寻优方法中的一种，通过光伏阵列曲线可知，在某一确定的光照强度和环境温度下，该曲线是一个单峰曲线，只有一个极大值点，在最大功率点处的斜率为零；在最大功率点左侧，斜率大于零；在最大功率的右侧，斜率小于零。对于光伏阵列的输出功率 （4.9）将式（4-9）两边对求导，得 （4.10）当时, 成立，说明此时系统工作于最大功率点处，此时只需要维持光伏阵列的输出电压不变即可；当时，成立，此时需增大光伏阵列的输出电压；当时，成立，说明此时系统工作于最大功率点右侧，此时需减小光伏阵列的输出电压。电导增量法的控制流程图如图4-9所示。图中程序先对新值进行采样，然后计算新值与旧值的误差，再判断电压的差值是否为零，若电压的差值为零再依次判断电流的差值是否为零，若两者都为零则表示阻抗一致；若电压的差值为零，电流的差值不为零，则表示光照