（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊控制的光伏系统最大功率点跟踪研究.pdf

中文摘要 近些年来，随着环境污染的同益严重，全球能源的逐渐紧张，清洁可再生的太阳能 作为一种新型的绿色能源，以其无污染，取之不尽，用之不竭等诸多优点，受到人们更 多的关注。太阳能光伏发电是目前太阳能发电的一种重要方式。太阳能光伏发电产业将 逐渐成为未来主要的能源来源。 本文选用无锡尚德公司的s t p 0 9 5 0 s 3 6 型号的独立光伏电池为研究对象，以最大限 度利用太阳能为最终目标，对该型号的独立光伏发电系统的最大功率点跟踪控制进行了 理论和仿真研究。 光伏发电系统研究的基础问题是光伏阵列输出特性，本文首先运用 m a t l a b s i m u l i n k 建立了光伏阵列的仿真模型，解决了以往建立光伏阵列模型过程 繁琐的缺点，为实现光伏系统的仿真和系统设计研究提供了基础保证。 在光伏发电系统中，最大功率点跟踪m p p t 方法是提高系统效率的重要手段。本文 在介绍光伏阵列仿真模型及其输出特性的基础上，提出了最大功率点跟踪的原理和方 法，介绍了几种常见的m p p t 方法，并比较了这些算法的优缺点。考虑到太阳能光伏系 统往往受到外界因素所影响，很难确定系统参数，并且具有很强的非线性，因此本文提 出了将模糊逻辑控制技术应用于s t p 0 9 5 0 s 3 6 型的独立光伏系统，给出了模糊控制器的 设计方法，并利用m a t l a b s i m u l i n k ，模糊逻辑工具箱等工具进行仿真模拟最大功 率点控制，模糊控制仿真结果通过与固定步长m p p t 方法相比较，发现固定步长法到达稳 态后存在一定的波动，这就造成了能源的浪费，而模糊控制m p p t 方法跟踪速度很快，动 态响应性能良好，到达稳态后几乎没有波动，能够稳定、高效地跟踪光伏阵列最大功率 点，同时，在日照强度、环境温度等系统参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点， 保持系统稳定。仿真结果表明将模糊控制运用于最大功率点跟踪是可行的，并具有良好 的动态及稳态性能。 关键字：太阳能；光伏电池；m a t l a b s i m u l i n k ；最大功率点跟踪；模糊控制； c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o b l e mi s ，t h i sf i r s tu s eo fm a t l a b | s i m u l i n kt oe s t a b l i s ha p h o t o v o l t a i ca r r a ys i m u l a t i o nm o d e l ，t os o l v et h ec o m p l i c a t e dp r o c e s so f e s t a b l i s h m e n to fp h o t o v o l t a i ca r r a ym o d e ls h o r t c o m i n g s ，f o rt h er e a l i z a t i o no f p h o t o v o l t a i cs y s t e m s i m u l a t i o na n ds y s t e m d e s i g np r o v i d et h e b a s i sf o r a s s u r a n c e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) m e t h o df o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m s a ni m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v es y s t e me f f i c i e n c y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i ca r r a y sa n dt h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o da n dp r i n c i p l e ，i n t r o d u c e ss e v e r a l c o m m o nm p p tm e t h o d a n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s e a l g o r i t h m s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es o l a rp vs y s t e m sa r eo f t e na f f e c t e db y e x t e r n a lf a c t o r s ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e r m i n es y s t e mp a r a m e t e r s ，a n dh a sas t r o n g n o n - l i n e a r , s ot h i sp a p e r , af u z z yl o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rs t p 0 9 5 0 s 3 6t y p e o fi n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cs y s t e m st oaf u z z yc o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o d ，a n d u s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，f u z z yl o g i ct o o l b o xf o rs i m u l a t i o nt o o l ss u c ha s m a x i m u mp o w e rp o i n tc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o ls i m u l a t i o nr e s u l t so fm p p tw i t h f i x e ds t e pm e t h o dc o m p a r e dt of i x e d s t e pm e t h o dw a sf o u n dt or e a c hs t e a d y t h e r ei sac e r t a i ns t a t ea f t e rt h ef l u c t u a t i o n ，w h i c hr e s u l t si ne n e r g yw a s t e ，a n d f u z z yc o n t r o lm e t h o df o rt r a c k i n gm p p tf a s t ，g o o dd y n a m i cr e s p o n s e ，t o r e a c hs t e a d ys t a t ew i t ha l m o s tn of l u c t u a t i o n ，c a nb es t a b l e ，e f f i c i e n tm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g s o l a ra r r a ym e a n w h il e ，i nt h es u n li g h ti n t e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n do t h e rs y s t e mp a r a m e t e r sp e r t u r b a t i o n s ，c a nq u i c k l yf i n d an e w o p e r a t i n gp o i n t ，t om a i n t a i ns y s t e ms t a b i l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e f u z z yc o n t r o la p p l i e dt ot h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gi s f e a s i b l ea n dh a s g o o dd y n a m i c a n ds t a t i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y ；p h o t o v o l t a i cc e l l ；m a t l a b s i m u l i n k ；m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ；f u z z yc o n t r o l l e r ； 第四章模糊控制在太阳能光伏系统中的应用设计3 7 4 1 模糊逻辑控制的基本原理3 7 4 2 模糊控制器的设计流程3 8 i v 1 1 2 4 4 6 6 6 9 9 o o 1 3 3 4 5 5 2 5 5 6 2 5 1 1 1 l l l 1 l 2 2 2 2 3 3 r 一 一 一 一 一 一 一 一义 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ：- 一 一 一 一意 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1j 乖 一 一 一 一 一 一 一 旦冢 一 一 一 。一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 e 一 一 一 一 一 一 一的 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一较 一 一 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 v a d v a n t a g e s 4 m p p t t e c h n o l o g y 6 c h a p t e r i is o l a rp h o t o v o l t a i cs i m u l a t i o nm o d e l 9 2 1t h ep r i n c i p l eo f s o l a rp h o t o v o l t a i cc e l l s 9 2 2t h ed e s i g no fs o l a rp h o t o v o l t a i ca r r a y s 1o 2 2 1p h o t o v o l t a i ca r r a yd e s i g np r i n c i p l e sa n di d e a s 10 2 2 2e s t i m a t i n gt h es i z eo fp h o t o v o l t a i ca r r a y 11 2 3e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rp h o t o v o l t a i cc e l l s 13 2 3 1p h o t o v o l t a i cc e l le q u i v a l e n tc i r c u i t 1 3 2 3 2p h o t o v o l t a i co u t p u tc h a r a c t e r i s t i c se q u a t i o n 1 4 2 4s o l a rp h o t o v o l t a i cs i m u l a t i o nm o d e l 15 2 4 1t h es i m u l a t i no f p h o t o v o l t a i cc e l l 1 5 2 5s u m m a r y 2 3 c h a p t e ri i ip vm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs y s t e m 2 5 ：；1p h o t o v o l t a i cm p p t a l g o r i t h m 2 5 3 2s e v e r a lc o m m o n l yu s e dm p p t a l g o r i t h m s 2 6 3 3i m p r o v e dd u t yc y c l ep e r t u r b a t i o nm e t h o d 3 2 ：；4s u m m a r y ：； c h a p t e r i vf u z z yc o n t r o l l e ri np vm p p t s y s t e m 3 7 4 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o lt h e o r y 3 7 4 2f u z z yc o n t r o l l e rd e s i g np r o c e s s 3 8 4 3f u z z yc o n t r o l l e ri np h o t o v o l t a i cm a x i m u mp o w e rp o i n ts y s t e m 。3 9 v i 4 3 1t h ei n p u ta n do u t p u tf u z z ys e t sa n dt h eu n i v e r s e 3 9 4 3 2t h em e m b e r s h i pf u n c t i o n 4 0 4 3 3f u z z yd e c i s i o nt a b l e 4 1 4 3 4a m b i g u i t ym e t h o ds e l e c t e d 4 2 4 4p h o t o v o l t a i cf u z z yc o n t r o l l e rm o d e l 4 3 4 5p h o t o v o l t a i cf u z z yc o n t r o l l e rs i m u l a t i o nr e s u l t s 4 4 4 6s u m m a r y 4 6 c h a p t e rvs u m m a r ya n d o u t l o o k 4 7 r e f e r e n c e s 51 t h a n k s 5 5 t h el i s to fp u b l i s h e dp a p e r s 5 7 v l l 第一市绪论 第一章绪论 本章1 1 节介绍了论文的研究背景；1 2 节介绍了太阳能光伏发电系统国内外发展现 状；1 3 节简单介绍了太阳能光伏发电系统及其优越性；1 4 节介绍了太阳能光伏发电系 统最大功率点跟踪技术的背景和意义；1 5 节总结了论文所做的主要工作。 1 1 研究背景 2 0 世纪以来，人类主要利用的能源为化石能源，包括煤炭，天然气和石油等。在未 来，随着人口增加，经济不断发展，世界能源消耗量也将不断持续增长，终究有一天， 世界上可利用的化石能源总量会达到极限。随着化石能源的不断消耗，能源危机已经不 容忽视的困扰着人类的发展。至j j 2 1 世纪初期，世界能源储量数据的调查显示出，化石能 源的可丌采量已经屈指可数；而我国的能源资源储量情况更是危机逼人n 1 。 随着经济的发展，传统能源与环境，经济的矛盾更加突出。人们已经深刻的认识到， 能源才是社会发展的基本动力。但是，由于常规能源的分布不均匀性和有限性性，大部 分国家能源供应并不能满足经济可持续发展的需要。因而，为解决能源问题，全世界都 把目光投向了可再生能源，发展利用可再生能源，从而有效改变人类的能源结构，维持 人类社会的可持续发展1 。 目前，发展可再生能源已经成为全球性课题。在中华人民共和国可再生能源法 1 中，为可再生能源界定了范围，包括太阳能，风能，水能，地热能，生物质能和海洋 能等，其中，太阳能因其独有优势成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能已经成为重 要可再生能源，太阳能是人类能够自由利用的能源，它取之不尽，用之不竭的，廉价且 无污染。据统计，太阳每秒钟到达地面的能量高达8 0 万千瓦，如果将地表0 1 的太阳能 转换为电能，转变率为5 ，人类每年发电量可以达n 5 6 1 0 1 2 千瓦小时，其能量等于 目前世界上能耗的4 0 倍。 因此，从长远目光来看，太阳能的利用前景不容忽视，潜力巨大。近些年来，太阳 能利用技术已经成为世界快速，稳定发展的新兴产业之一，在商业化生产，市场丌拓和 研究丌发等方面都获得了长足发展。目前，光伏产业的发展很好的解决了全球各国能源 问题，保证了能源与环境保护，经济发展的可持续发展。根据国际权威机构预测b 1 ，在 未来的2 0 5 0 年，全球_ 爪阳能的直接利用比例将发展到世界能源的1 5 ，而太阳能在整个 可再生能源结构中所占比例将大于5 0 。以上预测充分反映了在人类能源结构中，太阳 能的地位愈来愈重要。表1 - 1 给出了太阳能在未水能源结构中的比例； 皋十模糊控制的光伏系统最人功率点跟踪研究 表1 - 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例( ) t a b l e 1 - 1r e n e w a b l ee n e r g ya n ds o l a re n e r g ym i xi nt h ef u t u r ee n e r g yt h ep r o p o r t i o n ( ) 年份 2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0 2 0 4 0 2 0 5 0 s h e l l 太阳能一一 1 97 913 5 预测 可再生 2 0 22 3 53 3 64 2 75 3 4 能源 日本 太阳能一一 2 68 41 4 9 预测 u j 再生 2 2 22 0 93 2 34 3 35 4 6 能源 太阳能一一 2 3 8 21 4 2 平均 可再生 2 1 12 2 23 3 04 35 4 能源 我国是能源消耗大国，仅次于美国，是世界第二大能源消费国，然而，我国人均能 源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1 1 0 ，人均煤炭储量仅为世界平均 值的1 9 。预计至l j 2 0 1 0 年我国石油供需缺口1 亿吨，天然气缺口4 0 0 亿立方米。因此，开 发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。 总之，能源和环境已经是本世纪人类所面临的最基本的问题，随着环境污染问题和 世界能源的同益严重，清洁的可再生能源受到世界各国的广泛关注。近年来，太阳能光 伏( p h o t o v o l t a i c ，p v ) 发电技术1 得到了快速持续的发展，光伏发电逐渐成为利用太阳 能的主要方式。太阳能光伏发电系统的不断研究，缓解了环境和能源问题，因而，不断 开拓光伏发电产业，掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。 1 2 太阳能光伏产业的发展现状 ( 1 ) 国外光伏发电的发展及状况 2 0 世纪8 0 年代以来，太阳能光伏发电产业持续高速发展，以每年3 0 4 0 的速度快 速递增。在当今世界，光伏发电技术的应用普遍受到重视，特别是在南美，亚洲，非洲 及澳洲等各国。然而，由于太阳能光伏发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市 场上，太阳能光伏发电无法与常规能源进行竞争。在2 0 世纪9 0 年代以前，太阳能光伏发 电主要应用在远距离通讯、光伏水泵和边远的农村无电地区等领域。各国政府分别积极 制定各种优惠政策，鼓励太阳能的开发和利用，从而推动太阳能光伏发电的发展 1 。其 中，以美国，同本，德国等西方发达国家为主。 1 9 9 6 年，美国政府发起了一项“光伏建筑物计划”，共投入资金2 0 亿美元。1 9 9 7 年， 美国政府又率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划。美国的光伏电池生产总量至1 j 2 0 0 2 年已 2 第一章绪论 经达到11 2 g m w 。预计至j j 2 0 1 0 年，美国的发电成本降到7 7 美分千瓦时。 1 9 7 4 年，只本政府旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展，公布了“阳光计划”。 之后，为了推动同本光伏工业地发展与应用，又相继颁布了一系列鼓励可再生绿色能源 应用与研究的法规。截止至u 2 0 0 2 年，同本的光伏电池以世界最快的增长速度4 8 6 不断 增长，生产总量达至q 2 5 4 5 m w ，预计到2 0 1 0 年，同本将在一半以上的新居屋顶安装太阳 能光伏系统。 早在1 9 9 0 年，德国已经率先推出“1 0 0 0 太阳能屋顶计划”，德国是世界上最积极倡 导光伏利用的国家之一哺1 。1 9 9 3 年，由政府投资支持，德国首先实施的1 0 0 0 屋顶计划扩 展为2 0 0 0 屋顶计划。1 9 9 8 年，德国政府进一步研究开发与建筑相结合的专用光伏组件， 并提出了1 0 万光伏屋顶计划。2 0 0 0 年4 月1 同，德国政府正式颁布了可再生能源法。 此外，瑞士，印度，法国，荷兰，西班牙，意大利都有类似的计划，各国都投巨资 加速工业化进程和进行技术开发。目前，光伏建筑和光伏集中发电等发展迅速并且逐渐 成为市场主力。光伏发电从世界范围来讲己经完成了初期开发和规模应用发展，光伏发 电的应用范围几乎遍及所有用电领域。 ( 2 ) 我国光伏发电产业的发展及现状 1 9 5 8 年，中国丌始研究太阳能电池，到1 9 7 1 年，已经将太阳能电池成功应用在东方 红二号卫星上。1 9 7 3 年，光伏电池丌始用于地面。在2 0 世纪8 0 年代以，中国的光伏工业 前尚处于雏形，光伏能电池价格昂贵，其年产量徘徊在l o k w 以下。光伏发电受到产量和 价格的限制，市场的发展很缓慢。光伏电池在地面上仅用于小功率电源系统( 功率一般 在几瓦到几十瓦之间) ，如铁路信号系统、航标灯、电围栏、黑光灯和直流同光灯、高 山气象站的仪器用电等。直到1 9 9 0 年中国的光伏电池工业才得到了巩固，在一些应用领 域建立了光伏电池示范工程。并且从国外先后引进了多条光伏电池生产线，使得中国太 阳电池的售价也由8 0 元w 降到4 0 元w ，生产能力也猛增到4 5 m w 年。太阳电池开始广 泛用于石油、交通、农村电气化、通信、民用产品等各个领域。到2 0 0 0 年，在我国，太 阳电池累计用量已超过1 5 m w 一1 。 从1 9 9 6 到2 0 0 0 年期间，中国光伏发电在应用方面及产业化方面取得了巨大的进展， 特别是在远离电网地区的电力建设中，光伏发电发挥了重要作用。2 0 0 2 年“西部省区无 电乡通电计划”的启动，解决了西部7 8 0 个无电乡的用电问题。 2 0 0 5 年1 0 月，在“第十五届幽际光伏科学与工程大会”上，国内外的专家一致达成 了共同认识：太阳能光伏发电作为一种新兴发电方式，是目前已知发电方式中最安全， 最清洁，潜力最大的发电方式。目自订，我国正式将光伏产业纳入国家能源发展规划，而 皋十模糊控制的光伏系统最人功率点跟踪研究 在同本，美国，德国等国家，己将太阳能纳入能源储备战略，因此，我国政府对太阳能 的重视程度仍需进一步加强h 1 。 1 3 太阳能光伏发电系统简介及其优越性 1 3 1 太阳能光伏发电系统简介 太阳能光伏发电系统1 2 ”卜是一种电能转换装置，它可以将太阳光能转化为电 能。根据光伏系统与电网的关系，光伏系统可以分为并网光伏系统和独立光伏系统两种。 本文研究的是独立光伏系统，其系统结构如图1 - 1 所示。独立的光伏发电系统一般是由 太阳能光伏阵列( p h o t o v o l t a i ca r r a y ) 、d c d c 变换器( d c d c ) 、m p p t 控制器( m p p t c o n t r o l l e r ) 及负载( s t o r a g eb a t t e r y ) 组成。 1 ) 光伏阵列 图1 - 1 独立光伏发电系统的结构框图 f i g u r e 1 1t h ei n d e p e n d e n c ep vs y s t e mb l o c kd i a g r a m 图1 2 实验中搭建的光伏阵列 f i g u r e i 一2t h es t r u c t u r eo f t h ep h o t o v o l t a i cc e l l s 光伏电池阵列是由很多光伏电池组件串联，并联组成，组件由单品硅、多晶硅、非 晶硅或者由其它类型的太阳能光伏电池组成，其合成容量可达数百峰瓦，也可以达到数 4 第一章绪论 个兆峰瓦或者更大。一般情况下，由半导体器件构成的光伏阵列特性( 伏安特性) 具有强 烈的非线性。在本文第二章将对光伏电池模组和阵列作详细介绍：用s i m u l i n k 建立光 伏电池模型，进而进行仿真实验。图为本实验中搭建的太阳能光伏阵列。本实验所用的 光伏阵列为无锡尚德公司生产s t p 0 9 0 5 0 s 3 6 型光伏阵列，其光伏阵列各项参数将在第二 章中给出。 2 ) d c d c 变换电路 光伏阵列发出的电能为直流电能，随着环境，负载和天气等变化而不断变化，由于 光伏阵列所发的电能性能和质量很差，所以很难直接供负载使用，这就需要使用变换电 路将该电能进行适当的变换和控制，得到满足负载需求的输出电能。d c d c 环节的主要 作用是当蓄电池组过压时对蓄电池进行过压保护，通过控制太阳能光伏电池阵列的输出 能量来完成蓄电池的过压保护。当蓄电池没有过压时，保持太阳能光伏电池阵列持续输 出最大功率，从而向蓄电池组传递能量。在d c d c 环节中，为保证太阳能光伏电池阵列 在变化的外界因素( 温度和f l 照强度) 下始终输出最大功率，考虑到太阳能光伏电池的 强烈的非线性特性，一般需要引入最大功率点跟踪控制技术。 3 ) m p p t 控制器 在光伏发电系统中，一般应用光伏电池最大功率点跟踪( m p p t m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ) 朝n 4 1 控制技术来控制光伏阵列，从而解决了光伏阵列的强非线性问题。 本文将在第三章对最大功率点跟踪技术进一步讨论。 i 一一一一一一- 1 m p f f 控制器 图1 3 独立光伏发电系统的结构图 f i g u r e ! - 3t h ei n d e p e n d e n c ep vs y s t e mc h a r t 4 ) 蓄电池组 般情况下，蓄电池组是由一定数量的铅酸蓄电池经过串联、并联组成，蓄电池 容量与太阳电池阵列容量互相匹配。蓄电池的主要作用是储存光伏阵列所产生的电能， 皋于模糊控制的光伏系统最人功率点口 5 踪研究 以备不时之需。蓄电池对电压的波动有“缓冲”作用，这样可使得负载系统的运行更加 的平稳。铅酸蓄电池具有价格低，容量大等优点。在使用中，应注意防止使用不当造成 蓄电池老化，具体表现为：寿命缩短，电池的容量快速下降，在蓄电池的使用过程中， 必须注意光伏充电系统的充，放电保护。 1 3 2 太阳能光伏发电系统的优点： 光伏发电系统主要包括直流光伏系统和交流光伏系统，光能通过光伏电池换成电 能，再通过供电控制器转换成负载所需电能太阳能光伏发电系统具有以下优点n 们： ( 1 ) 无污染，安全，无噪音，即无任何物质及声，光，电，磁，机械噪音等“排放”。 同时太阳能可再生且无限，具有理想的可持续发展属性； ( 2 ) 太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用，可以灵活选择站址； ( 3 ) 机动灵活，发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小，扩展方便；而且易安 装，建设周期短； ( 4 ) 由于光伏电池的主要原料一硅的储量十分丰富，随着光伏电池研究的快速进程 和转换效率的不断提高以及与之相关的技术的发展，发电成本已经呈快速下降的趋势。 1 4 太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术的背景和意义 随着光伏组件成本的不断下降以及光伏技术的不断发展，光伏技术逐步渗透到人 们同常生活，生产的方方面面，其应用不再局限于仅仅为边远地区或者无电地区提供电 力，d , n 太阳能喷泉，太阳能路灯，太阳能庭院灯，大到太阳能游艇，太阳能制氢以及 太阳能汽车，都全面的体现了光伏发电技术对生产力的促进作用，及其高科技内涵。在 光伏发电系统中，保障整个系统持续、平稳、可靠的运行的关键正是光伏控制系统，因 此，在整个系统中必须采用可靠，安全，高效的光伏控制系统。在国外，光伏技术的应 用发展较早，在光伏系统控制技术上，特别是最大功率点跟踪的控制技术已获得了丰硕 的成果。近些年来，微机控制技术的迅速发展，微机控制技术为最大功率点跟踪控制技 术注入了新鲜血液，使得最大功率点跟踪技术焕发出了更加强大的生命力；在国内，对 光伏控制技术的研究尚处于初级阶段，在实际系统中，最大功率点跟踪的控制与国外相 比还有一定的差距。因此需要缩短与发达国家之间的技术差距，加强在这一技术领域内 的研究。在未来的，由于社会持续发展的需要，以光伏技术为代表的新能源产业将迎来 更快的发展阶段，光伏发电系统的市场应用自 景将十分广阔。 1 5 论文所做的主要工作 本论文共分为六个章节详细介绍具体的研究工作。 第一章：绪论中主要介绍此论文的研究背景、发展现状、研究内容及意义，并给出 6 第一章绪论 论文的机构安排。 第二章：本文选用了无锡尚德公司s t p 0 9 5 0 s 3 6 型号的光伏电池，以该型号的光伏 电池为研究对象，对该光伏电池特性进行研究：研究了该光伏电池的工作原理和电气特 性，给出了它的输出特性方程：使用m a t l a b s i m u l i n k n5 1 建立了该型号光伏电池模 型，并对模型仿真结果进行分析。 第三章：对光伏系统最大功率点跟踪方法进行研究：介绍了几种常用的最大功率点 跟踪算法，并对它们进行比较，分析各自所存在的优缺点。 第四章：介绍了模糊控制的基本原理，给出了模糊控制器的设计流程：将模糊逻辑 控制应用于s t p 0 9 5 0 s 一3 6 型光伏电池的最大功率点跟踪，基于第二章设计的该型号光伏 阵列的仿真模型，进步运用m a t l a b s i m u l i n k ，模糊逻辑工具箱模拟算法进行光伏 系统模糊控制仿真；并结合s m u l i n k 仿真给出了模糊控制器的详细设计过程，仿真结 果通过与固定步长最大功率点跟踪方法相比较，发现固定步长法到达稳态后有存在一定 的波动，这就造成了能源的浪费，而模糊控制最大功率点跟踪方法跟踪速度快，动态响 应性能良好，到达稳态后几乎没有波动，将模糊控制运用于最大功率点跟踪是可行的。，“ 第五章为总结与展望，对本论文的研究工作给予总结并对下一步的工作进行探讨。 皋十模糊拧制的光伏系统最人功率点跟踪i i j f 究 8 第- 二章太1 5 f 1 能光伏l u 池仿真模型的研究 第二章太阳能光伏电池仿真模型的研究 光伏发电首先要解决的问题是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池板是由许多光伏 电池单体经过串联，并联组合而成，再增加机械强度的支撑板，表面强化玻璃覆盖所构 成。光伏电池会受到r 照强度，温度以及制作材料等因素的影响而使它的输出有所变化， 所以为了使光伏电池发挥其最大输出，必须控制其瞬时的输出功率，使其在不同的环境 条件下都能输出最大功率。图2 一l 给出了典型的独立光伏系统结构图。 光 图2 - 1 典型的独立光伏系统结构图 f i g u r e 2 - 1t h et y p i c a lp h o t o v o l t a i cs y s t e m 在本章中，2 1 节首先介绍了光伏电池的工作原理；2 2 节介绍了光伏电池阵列的设 计方法；2 3 节给出了光伏电池输出特性方程，并对光伏电池阵列和模组作简单地介绍； 2 4 节建立了光伏电池仿真模型，并对得出的仿真结果进行理论分析；2 5 节总结以上内 容。 2 1 太阳能光伏电池工作原理 太阳能是一种辐射能，它需要通过能量转换器从而转换成为电能。这种把光能转换 成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池工作原理的基础是半导体p n 结的光生伏 打效应。一般情况下，光伏电池所用的半导体材料是一种介于绝缘体和导体之间的特殊 物质，半导体的原子和任何物质的原子一样，也是由带负电的电子和带j 下电的原子核构 成，有4 个电子在半导体硅原子的外层，按固定轨道绕原子核转动。这些电子在受到外 来能量的作用时，就会在原来的位置上留下一个“空穴”，脱离轨道成为自由电子。自 由电子和空穴的数目在纯净的硅晶体中是相等的。当硅晶体中掺入镓，硼等元素时，这 些元素俘获电子变成空穴型半导体，一般用符号p 表示：当硅晶体中掺入能够释放电子 的砷，磷等元素时，它就成了电子型半导体，一般用符号n 表示。当这两种半导体结合 时，在交界面会形成一个p n 结，p n 结阻碍着电子和空穴的移动，就像一堵墙，光伏电池 的特殊之处就在这个“结”上，当阳光照射到光伏电池时，电子在接受光能的同时向n 型区移动，这时n 型区带负电，于此同时，空穴向p 型区移动，这时p 型区带f 电。这时， 9 时候，分 将一个个 目前，光 在光伏发电系统中，设计光伏阵列与其他工程设计过程一样，需要了解限定条件和 设计要求，然后进行综合分析、确定方案、选型研制、试验调试。 2 2 1 光伏电池设计原则和思路 在整个设计过程中，要特别注意两个问题，一个是优化设计，另一个是量化不定因 素。在设计中可能会遇到许多涉及环境、材料和工艺等的不定因素，要将这些不定因素 进行量化处理。优化设计是指根据材料的变更，试验的数据，用户的要求和新技术的涌 现，不断地修改设计方案，力求使某些指标( 如成本最低，效率最大等) 达到最佳，太阳 能光伏阵列的最优化设计要与和整个系统的设计相互协调，从而最终服从于整个系统。 在表2 - 1 中依次给出了设计光伏阵列时一套典型的设计准则和设计要求。设计要求 是指根据用户要求满足的基本技术指标，以及设计任务最终达到的目的。 1 0 第一二章太阳能光伏i u 池仿真模型的f i j f 究 表2 1 光伏阵列设计要求原则 t a b l e 2 1p h o t o v o l t a i ca r r a yd e s i g np r i n c i p l e so f d e s i g na n dr e q u i r e m e n t s 设计缓球波i ：t 。豫娜 功率 i ，均功穿，蜂麓功率 f 包路敞肇焱找选径 输m 设 ! 籀傍 功率行砸陶，能葳 光强( a 粥常数) 电气 设1 冀，谱t 气团数) 移效 熙废 的余缝 机 踅 太刚趴高( 季节) 漱膛 逛翔( 指向编赢) 避拦 电j ：线路浚计 功率 j ：侄：藏雠 系统 绝绻电阻和屯眶卉穷 锈出 滋艘 条佧 沭蟪篆休 役c | - 电泣翮麓板”裂 试骖t 叮 先侠电泡，i 联死搿： 能弓l 入迎接元释翔弓l 线帮i 拜 的战隧 电 砸线。接捅件 唆螽娥埠彼5 尹离 损耗 电路j i ：笼，狃塞二微管 可试黔牲( 浏浒点，逢矮器) 活矫，梦之雕 町馥卸住 吖糍性 封装密浚 龟气 电缀i 优 n f 毵造性( 咫体k ，j ，轻汆程艘) 系统 接地静电充电 焊辩堆鞭栖焊 球钺 2 2 2 光伏阵列尺寸的估算 根据光伏电池的物理、电气特性和功率输出的实际需要可以计算出光伏阵列的单片 电池数和总面积和。光伏阵列尺寸估算过程分为三步： 首先根据组装光伏阵列的各种元器件，如光伏电气元件，基板，光伏电池片和盖板 等，制定光伏阵列组合方案。根据使用该光伏阵列的各种内因性能及外因条件，计算出 每片电池的实际输出的最大功率圪，。 根据光伏系统的输出总功率匕，计算出光伏阵列的各个参数。 ( 1 ) 单片光伏电池的最大输出功率 e c e ，= e o s 。d j p f s h 尼。胛 ( 2 - 1 ) p 。= ( 2 - 2 ) 1c e l l m o e = 罟 ( 2 3 ) 暴十模糊控制的光伏系统最人功率点跟踪研究 f b d = 1 一瓦u 而n + ：了u w 瓦( 2 - 4 ) 式中，s 为太阳有效光强，( 考虑了非垂直入射的效应，太阳距离和盖板透射衰减) ； 尸，为电池在未衰减前原始功率输出值，( 光强为一个太阳常数条件下，基准温度( 2 5 。c 或2 8 。c ) ，太阳光垂直入射在光伏电池上) ；为光伏电池装配系数，e 卅为