光伏微电源的建模与仿真.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文光伏微电源的建模与仿真摘要微电网是为整合分布式发电的优势,削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构。它通过整合分布式发电单元与配电网,在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起,可以方便地进行结构和配置的优化。结合冷热电联供方案,能够提高能源利用效率,减轻能源动力系统对环境的影响,推动分布式电源上网,促进社会向绿色、环保、节能方向发展。无疑,微电网运行将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑,是未来电力系统的发展趋势之一。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为本世纪最重要的能源之一。光伏并网逆变器按照拓扑结构可分为单级式和双级式两大类，本文采用双级式光伏发电作为微电源模型进行仿真分析。光伏发电系统中，要提高整体效率，一个重要的途径 是实时调整光伏阵列模块工作点，使之始终工作在最大功率点附近，即最大功率点跟踪。最大功率点跟踪的方法有很多种，但应用最广泛的是扰动观察法和电导增量法，本文对扰动观察法做了详细分析，给出了算法设计，并建立了光伏电池仿真模型对算法结果进行了仿真，验证了算法的正确性。关键词太阳能 ；光伏发电；光伏并网逆变器；光伏阵列模块；最大功率点跟随Modeling and Simulation of micro power PVAbstractMicrogrid is proposed new organization and structure of the distributed energy to integrate the advantages of distributed generation,reduce the impact of distributed generation on the grid and negative impact.It is through the integration of distributed generation units and the relationgship between the distributed network,directly to make the distributed power generation units,power network and end user together in a local area.It can optimized the structure,and configuration easily.Combined with CCPH program,it can improve energy efficiency,reduce the impact of energy power systems on the environment,promote the distributed power line,improve relability and to promote social to develepment to the green,environmental protection,energy saving.Undoubtely,the microgrid will be the next large grids complements and effective support,and the future trend of power system. From energy supply of many factors to consider，Solar energy is undoubtedly meet the sustainable development strategy of ideal green energy 。Global energy experts that, the solar energy will become the most important one of the energy 。Photovoltaic (pv) grid inverter according to the topology structure can be divided into the single level type and double levels of two kinds big ，I want to adopt double levels of photovoltaic power generation as the power source model simulation analysis .Photovoltaic power generation systems, to improve the overall efficiency, a important way is the real-time adjustment photovoltaic array module used to always working in the maximum power point near, namely the maximum power point tracking (MPPT). There are many methods for MPPT, but the P&O(Perturb and Observe) method and the C.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 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.Keywordssolar；Photovoltaic power generation ；Photovoltaic (pv) grid inverter；Photovoltaic array module ；The maximum power point tracking不要删除行尾的分节符，此行不会被打印III- -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状和发展前景11.3 本文研究的主要内容3第2章 微电网中微电源数学模型的研究42.1 光伏电池模型42.1.1 光伏电池的基本原理42.1.2 光伏电池的基本模型42.2 燃料电池模型62.2.1 燃料电池的基本原理62.2.2 固体氧化物燃料电池的基本模型72.3 本章小结8第3章 光伏发电系统模型103.1 光伏系统特性103.2 最大功率跟踪113.3 逆变器的控制133.4 本章小结13第4章 光伏电池的建模与仿真144.1光伏电池模型144.1.1 光伏电池模型144.1.2 仿真分析174.2 最大功率跟踪控制模型214.2.1 最大功率跟踪原理214.2.2 最大功率跟踪算法模型234.2.3 仿真分析264.3 本章小结29结论31致谢32参考文献33附录a34附录b39千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着社会的日益的发展，对能源的需求量越来越大，全球范围内的能源危机也日益突出，传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料也是有限的。人类对化石燃料的过度开采，使得这一类能源面临枯竭，而未来对能源的需求还将日益增长，能源危机日益突出。同时大量使用一次性能源产生的环境污染，造成了“温室效应”，极度的环境和人类的污染灾害不断发生，如此严重威胁到人类未来的生存。【1、2】为了解决能源供求矛盾，各国都加强了对清洁能源的利用。分布式发电是近些年备受关注的一种发电方式，它利用太阳能、风能、潮汐等可再生清洁能源发电，既保护了环境，又节约了能源，又实现了能源的多级利用，被认为是极有发展前途的发电技术。【3、4】PV作为一种典型的分布式发电，具有以下几个方面：【5】1.发电具有先进性：即直接从光子到电子的转换，没有中间过程和机械运动，发电形式极其简洁；2.没有资源短缺和耗尽问题；3.光伏发电和自然的关系：没有燃烧过程，不排放温室气体和其他废气，环境友好，做到真正的绿色发电；4.无磨损、无噪声；5.易于建造和拆迁；6.PV性能稳定、可靠，使用寿命长；7.能实现无人管理维护成本低。我国太阳能资源丰富，从长远来看，其他能源形式应用饱和，太阳能作为可持续发展能源有很好的发展前景。1.2 国内外研究现状和发展前景目前，各个国家对微电网的定义和研究不相同：1.美国微电网的定义和研究 美国电气可靠性技术解决方案联合会（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, CERTS ）将微电网定义为：是一种由负荷和微电源共同组成的系统，同时提供电能和热量；微电网内部电源主要由电力电子器件负责能量转换，并提供相应的控制；微点网对于外部的大电网表现为单一的受控单元，并可提供给用户高质量的电能需求和供电安全的要求等。使其成为众多微电网概念中最早也是最权威的一个。美国对微电网的研究主要集中在对电力电子技术的控制上，并形成了“即插即用”（plug and play）与“对等”（peer to peer）的控制思想和设计理念；目前美国已经完成了微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等方面的理论分析，并初步形成关于微电网的管理政策和法规等；同时美国政府将建设“电网的现代化”（grid modernization）与微电网结合起来，将提高重要负荷的供电可靠性、满足多样性的供电需求、降低成本、实现智能化作为研究和发展的重点。【6】2.欧盟微电网的定义和研究 欧盟微电网项目对微电网的定义如下：利用一次能源；使用微型分布式发电系统（分为不可控、部分可控和完全可控 3 种类型），并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子设备进行能量转换和控制。欧盟将发展“智能电网（Smart Grid）”作为电力系统发展的方向，由于微电网本身的智能化、能量利用多元化且环境友好等优点，已经成为研究的重点。目前已在多国建设了不同规模的实验平台对微电网的运行、控制、保护、安全及通信等基本理论加以验证，其后续研究工作定在：研究更先进的控制策略、建设示范工程、DG 的大规模接入以及传统电网向智能电网的初步过渡等方面。【7】3.日本微电网的定义和研究 日本的微电网定义为：在一定区域内利用可控的分布式电源，根据用户需求，提供电能和热能的小型系统。日本对微电网的研究主要集中在电能需求的多样化、环境保护及能源的利用率上。目前日本政府已与国内高校、企业及国家重点实验室结合，在新能源和可再生能源的发展及微电网的开拓上取得了不错的研究成果。【8】4.微电网在中国的研究和发展 根据国外微电网定义的特点，结合我国电力系统发展的现状和发展趋势，我国的微电网可定义为：微电网是通过本地分布式电源或中、小型传统发电方式优化配置，向附近负荷提供电能和热能的特殊电网，是一种基于传统电源的较大规模的独立系统；在微电网内部通过电源和负荷的可控性，在充分满足用户对电能质量和供电安全要求的基础上，实现微电网的并网运行或独立自治运行；微电网对外表现为一个整体单元，并且可以平滑并入主网运行。【9】我国的微电网发展目前仍处于起始阶段，但我国幅员辽阔、资源雄厚，因而微电网在我国有着广阔的应用前景。然而，我们在建设自己的微电网时，不能盲从国外微电网的发展模式，必须根据我国国情建设适合我们自身发展的微电网体系。为此，提出我国微电网的研究方向可以从以下几个方面：（1）基于我国目前有很多容量小、靠近负荷区但设备陈旧、煤耗率高的现状，可以考虑对现有小型发电机组进行技术改造，将其并入微电网，组成区域性的小型微电网，以实现现有资源的合理再利用，减少新的投资费用；（2）充分发挥我国的地域优势，将分布式发电技术、储能技术与新型技术相结合，加速对微电网内逆变器等新型电力电子设备的研发；（3）针对我国高压、超高压输电发展迅速的特点，应加强微电网与大电网的联系，与上级电网互为备用、相互支持，同时加强微电网与主网之间的协调控制，以提高微电网对上层电网的支撑能力，对于电网的稳定具有重要意义。1.3 本文研究的主要内容1、研究微电网、与微电网有关的概念包括微电网与智能电网的区别联系，微电网发展的意义。熟悉MTALAB/simulink软件仿真工具箱的使用（基于MATLAB的小型电力系统的建模与仿真），目的：熟悉建模、仿真的过程；2、微电网光伏发电模型；3、微电网中光伏微电源的建模仿真；4、MPPT扰动观察法的算法及仿真实现。第2章 微电网中微电源数学模型的研究2.1 光伏电池模型2.1.1 光伏电池的基本原理当适当波长的光照射到半导体系统上,系统吸收光能后两端产生电动势,这种现象称为光伏效应,光伏电池正是利用这种效应进行光电能量转换,将太阳能转换为电能。例如,当光线照射到由P型和N型半导体材料构成的结上时,光被半导体吸收后,在导带和价带中产生电子和空穴,这些电子和空穴被PN结的内建电场分离,然后分别汇集到光伏电池的两极,从而产生电动势。由于光照产生的电子空穴各向相反方向漂移,从而在内部构成自区流向区的光生电流,如果将结与外电路接通,只要光照不停止,就会不断地有电流流过电路。光伏电池的输出电压一一电特性随着日照强度和电池温度的变化而改变。在使用太阳能电池供电时,由于单体电池片的容量较小,一般不能满足负载的用电需求。将几片、几十片或几百片单体电池经过串!并联连接起来构成组合体,形成光伏电池板。工程上应用的光伏电池板是太阳能电池使用的基本单元,其输出电压一般为十几至几十伏左右。此外,还可以根据负载容量需求,将若干个光伏电池板经过串、并联组成功率较大的实际供电装置,称为光伏阵列。【10】2.1.2 光伏电池的基本模型图2-1光伏电池模型光伏电池的等值电路模型一般有3种。第1种是不考虑光伏电池内部任何电阻的简单模型，该模型在光伏电池理论研究以及复杂光伏发电系统中应用较多；第2种模型是只考虑光伏电池并联电阻影响的模型，该模型精度稍高,但在实际应用中并不常见；第3种模型是较为精确的一种模型，其既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的影响，其等值电路模型如上图（2-1）所示：图中电流为光生电流,只受光照强度影响,与外接负载无关。其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐射强度,而且会随环境温度的升高而略有上升；光电流流经负载时建立起端电压U,它反过来正向偏置于PN结,产生暗电流,的大小反映出了当前环境温度下,光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。由于光伏电池输出端存在接触电阻,另外材料本身具有一定的电阻率,流经负载的电流经过它们时必然引起损耗,用一个串联等效电阻表示；由于电池边沿的漏电及制作金属电极时在电池的微裂纹、划痕等处形成金属桥漏电等,使一部分本应通过负载的电流被短路,这种作用可用一个并联等效电阻表示,产生漏电流,与相比,为低阻值,小于1欧姆;而是高阻值,约几千欧姆。因此光伏电池的输出电流为,应用Kirchhoff电流定律,可得流过负载的电流I与其端口电压U之间的关系为: （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）式中,为光伏电池输出电流；为光伏电池输出电压；为光伏电池开路电压，为光伏电池反向饱和电流；为光伏电池的热力学温度；为电荷常量；为太阳辐射系数；为在25摄氏度和1000瓦每平方米时的短路电流；为参考温度，为在时的饱和电流；为短路电流温度效应系数,一般取；A,B为PN节点的理想因数；为波兹曼常数。2.2 燃料电池模型2.2.1 燃料电池的基本原理燃料电池是利用水电解逆反应的“发电机”【11】。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。由于其能量转换效率高、反应生成物没有污染而受到人们的广泛关注。其原理图如图2-2所示。图2-2燃料电池模型2.2.2 固体氧化物燃料电池的基本模型固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是被普遍认为在未来会普遍应用的燃料电池。在所有燃料电池中，燃料电池的工作温度最高，其发电所排气体有很高的温度，具有高的利用价值，既可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更加可以与燃气轮机、蒸汽轮机等组成联合发电系统，提高能源使用效率。因此固体氧化物燃料电池目前在微电网域使用较为广泛。固体氧化物燃料电池的工作过程是一个传热、传质与复杂化学反应相结合的复杂过程。要全面掌握其工作特性需要从多个方面进行分析研究，而这其中电化学特性分与研究是最为基础的。本文从课题仿真平台研究的需要出发，着重建立了反映其电化学特性的模型，本文建模时所采用的基本假设如下：（1）燃料电池的化学反应过程是稳态的；（2）燃料电池体系温度均匀且运行过程中保持不变；（3）参与反应气体均为理想气体；（4）多孔扩散电极为匀相结构,且界面处电流密度分布均匀。同时把燃料电池的电势简化为化学反应形成的电势以及各种极化现象引起的电势损失之和。对于以纯氢为燃料的固体氧化物燃料电池为例，电池总反应为： （2-5）则由Nernst方程可知理想电动势为： （2-6）式中，为各自气体分压力，为通用气体常数，为法拉第常数，为标准电动势。为标准Gibbs自由能，是关于温度与压力的函数，可由下式得到： （2-7） （2-8）电极的阳极、阴极活化电势分别为： （2-9） （2-10）电池欧姆极化电势为： （2-11）为各材料的总电阻。电极附近参与反应物的物质浓度与成团浓度会有明显差异，这种浓度梯度造成流体不稳定现象所引发的电势损失称为浓差极化，其可表示为： （2-12）为各气体在气体通道中的浓度，为各气体在电解质界面处的浓度，计算式为： （2-13）其中为综合考虑普通扩散和Knudsen扩散的系数，计算式为： （2-14）式中为多孔电极曲折系数，为多孔电极空隙率，为Knudsen扩散系数，由下式求得： （2-15）式中，为平均孔径半径，为气体的相对分子质量。为气体扩散系数，由下式可得： （2-16） （2-18）综上所述可得燃料电池的有效电势为： （2-19）2.3 本章小结微电网中的微电源还有风力发电机和柴油发电机，由于本文着重研究光伏微电源，就不一一列举出来了。文章详细阐述了燃料电池和光伏电池的基本原理，并选取了固体氧化物燃料电池和内部并、串联电阻的光伏电池模型作为建模对象，从模型结构分析入手对各个模型的数学原理进行了详细的推到和分析。本章为后来的微电源模型的建立提供了详细的理论基础。第3章 光伏发电系统模型从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为本世纪最重要的能源之一。光伏并网逆变器按照拓扑结构可分为单级式和双级式两大类【12】，本文采用双级式光伏发电作为微电源模型进行仿真分析。双级式光伏发电系统主电路结构主要由 BOOST 电路、电网侧逆变器、LC滤波器、线路以及各部分控制系统等构成。其系统原理结构如图3-1所示。图3-1 光伏发电系统结构图 系统基本工作原理如下：前级为 BOOST 电路，用来实现最大功率跟踪控制，同时高光伏阵列电压供后级使用；后级电网侧逆变器把直流电变换为交流电，并将光伏阵列发出功率传送到微电网系统中。这样，不但可以省去工频变压器，而且最大功率跟踪控制和逆变控制分开进行，其控制方法相对简单。微网运行控制仿真平台以仿真模型为DG基础，因此首先在Matlab/Simulink仿真环境中建立一个通用的PV模型。按目前常见的两级式系统建模，第一级为DC-DC变换,第二级为DC-AC变换，第一级在光伏电池与负载之间增加了一个DC-DC变换器，如图3-2所示。其作用是升高光伏电池输出直流电压到一个合适的水平，同时，可以实现对光伏电池的最大功率跟踪控制（Maximum power point tracking，MPPT）。3.1 光伏系统特性 太阳光照射到半导体 PN 结上，PN 结两端会产生一个光生电压，当接上负载，就会产生一个电流。单个太阳能电池的等效电路模型如图3-3。图3-2 两级式PV系统直流侧结构框图图3-3 太阳能电池的等效电路图其中，为光生电流；为 PN 结反向饱和电流； 为负载电流；为开路电压；q为电子电荷； A为 PN 结的曲线常数；UD 为等效二极管端电压；为串联电阻； 为旁路电阻；k 为 Boltzmann 常数；T 为电池表面温度。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 (3-1)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： (3-2)其中，为标准测试条件（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3.2 最大功率跟踪 通过给光伏阵列工作点电压施加扰动 U，同时记录扰动后的输出功率，如果输出功率增加，则保持原方向继续扰动，否则反方向扰动，最终使光伏阵列工作在最大功率点附近，其控制如图3-4。对扰动观测法的优点总结如下：(1) 模块化控制回路；(2) 跟踪方法简单，实现容易；(3) 对传感器精度要求不高。缺点为：(1) 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失。(2) 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度。(3) 在特定情况下会出现判断错误情况。图3-4 扰动观察法控制流程图3.3 逆变器的控制 逆变器仍然采用直流侧电压外环和滤波电感电流内环双环控制，由最大功率跟踪得到直流电压的参考值，为了使逆变器输出功率因数为 1，设定 Q*=0。其控制结构图3-5。3.4 本章小结本章光伏发电系统微电源的模型来替代原有简化的直流源模型；太阳能电池采用最大功率法跟踪以保证光能的最大利用率，从而代替恒 PQ 控制的不足。为下章仿真模型的搭建做好准备。图3-5 网侧变流器控制原理图第4章 光伏电池的建模与仿真4.1光伏电池模型4.1.1 光伏电池模型根据光伏电池的工学模型，在Matlab/Simulink中建立模型如下：图4-1 光伏电池仿真模型其中子系统1如图4-2，子系统2如图4-3，子系统3如图4-4，子系统4如图4-5，子系统5如图4-6，子系统6如图4-7。图4-2 Subsystem 1图4-3 Subsystem 2图4-4 Subsystem 3图4-5 Subsystem 4图4-6 Subsystem 5图4-7 Subsystem 6模型进行封装后的用户参数设计界面如图4-7所示图4-8 光伏电池封装后用户参数界面设置4.1.2 仿真分析图4-9 光伏电池仿真特性模型建立的光伏电池模块是一个受控电流源,其输出电流的大小由S、T和V决定。以下仿真不同温度和光照强度下,光伏电池的I-V和P-V特性,以验证模型的正确性光伏电池特性仿真模型如图4-9所示:标况下参数：、，系数a,b,c取典型值。相同温度不同光照强度（参数设置如图4-10）下光伏电池I-V、P-V特性曲线分析如图4-11：图4-10光照强度参数设置(a) I-V特性曲线(b) P-V特性曲线图4-11 不同光照强度下（温度）光伏电池特性曲线由图4-11可知：（1）光伏电池I-V特性具有高度的非线性；（2）可以看出随着端电压V由零逐渐增长,输出功率P先上升然后下降,说明存在一个端电压值,在其附近可获得最大功率输出；（3）短路电流随光照强度的减小而显著减小,两者成正比关系；（4）开路电压随光照强度的减小而缓慢减小；（5）最大功率随光照强度的减小而显著减小,同时,均减小。相同光照强度不同电池温度（参数设置如图4-12）下光伏电池I-V、P-V特性曲线分析如图4-13：由图4-13可知：（1） 随温度上升短路电流轻微增加，开路电压减少；（2） 随温度上升最大功率减小，变化不明显，同时减小、增加。图4-12 电池温度参数设置（a） I/V特性曲线（b） P/V特性曲线图4-13 不同电池温度下（光照强度S=1000W/）光伏电池特性曲线4.2 最大功率跟踪控制模型4.2.1 最大功率跟踪原理【13】光伏电池的典型输出功率特性如下图4-14所示,可见P-V曲线为单凸峰形曲线,当光伏电池的工作电压为时,光伏电池的输出功率为最大功率值,即为光伏电池最大功率点。图4-14 典型光伏电池P-V特性曲线由4.1.2节的仿真分析可知,光伏电池的开路电压和短路电流受光照强度和电池温度的影响很大,导致系统工作点不确定,从而使系统效率降低。此外,串联电阻对光伏电池的输出也有影响。为此,光伏电池必须实现MPPT,以便其在任何条件下不断获得最大功率输出。MPPT的实现实质上是一个自寻优过程,即通过控制端电压或其他物理量,使光伏电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。常用的MPPT方法有：定电压法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法等。以下介绍扰动观察法（Perturbation and Observation method,PQ）的原理。PQ是扰动光伏电池的端口电压,并根据公式计算扰动前后光伏电池的输出功率,将扰动后的输出功率同扰动前的输出功率进行比较。若扰动后太阳能电池的输出功率增加,则说明此前的扰动能够提高光伏电池的输出功率,下一次则往相同的方向继续扰动光伏电池的输出电压；反之,若扰动后光伏电池的输出功率减少,则说明扰动不利于增加光伏电池的输出功率,下一次则往相反的方向扰动。图4-15 P&Q原理P&Q法采用模块化控制回路、结构简单、测量参数较少、实现容易,应用较多。当日照随时间变化不快时,这种方法非常有效。虽然不能迅速跟踪到最大功率点,但是如果增加采样时间,可以减少系统损失,而且该方法只需要两个传感器,减少了硬件个数和成本费用。它的缺点是到达最大功率点附近之后,会在其左右振荡,造成能量损耗,尤其在气候条件变化缓慢时,情况更为严重。另外跟踪步长的选择对跟踪精度和响应速度无法兼顾。4.2.2 最大功率跟踪算法模型1、 DC-DC变换器模型通过改变DC-DC变换器中功率开关管控制信号（PWM）的导通率（占空比）,来调整和控制光伏电池工作在最大功率点,可以实现MPPT。DC-DC转换电路可分为升压(Boost)、降压（Buck）、升降压（Buck-Boost）和丘克（Cuk）四种。选择Boost电路实现光伏电池的MPPT,拓扑结构如图4-14所示,当开关管导通时,输入电压对电感充电,中电流上升。当关断后,开始放电,电感两端电压与输入电源的电压相叠加,使输出端产生高于输入端的电压【14】。RLDCTcVinVout图4-16 Boost电路拓扑结构根据Boost电路原理,可知其输入输出电压关系为： （4-1）假设Boost电路元件为理想器件,变换器无功率损失则： （4-2） （4-3）从上式（4-3）可以看出,当固定不变时,开关占空比越大,Boost电路输入阻抗就越小,越小时,Boost电路输入阻抗就越大。通过调节就可以调节等效输入阻抗的值,当与光伏输出阻抗相匹配,根据最大功率传输原理,可以实现光伏电的MPPT。建立Boost电路仿真模型如图4-17所示：图4-17 Boost电路仿真模型模型中开关器件使用IGBT/Diode模块。按文献【15】设置其它参数直流滤波电容,升压电感,直流母线支撑电容。2、 MPPT模型P&Q法通过成比例的增加或者减少Boost的输入电压,移动操作点向最大功率点靠近,同时计算出参考电压用于产生PWM的控制信号。该算法流程如图4-18。其中、是当前时刻的采羊值,根据这两个值计算功率。比较点与点功率值的变化,功率值的变化决定下一步变化的方向。如果功率增加,搜索方向不变,如果功率减小,则搜索方向相反。为占空比间隔,决定功率变化的步长。如果步长值较大,则系统响应快,但不准确相反地,如果步长小,则系统反应慢,但相对精确。通过对的不断调整,最终可以搜索到最大功率点【16】。由P&Q算法流程建立MPPT仿真模型如图4-19所示。可知当与同号则为正,否则为负。可以用Sign函数模块判断正负,为正则输出1,为负则输出-1。模型中三个零阶保持器的采样周期与MPPT控制的采样周期相同,可在取值,以保证仿真效果更为精确。模型输出为参考电压。图4-18 P&Q算法流程图4-19 MPPT仿真模型3、 PWM脉宽调制的建模PWM脉宽调制模块如图4-20所示,与三角波比较产生的PWM脉冲信号,控制Boost电路开关器件的通断。其中,零阶保持器的采样周期与MPPT仿真模块周期相同,取在-取值之间,三角载波频率决定PWM频率【17】图4-20 PWM仿真模型4.2.3 仿真分析【18】光伏电池MPPT仿真模型如图4-21所示，仿真参数设置如表4-1所示：图4-21 光伏电池MPPT仿真模型1、 标况下仿真从图4-22（a）可知,模型能够实现MPPT控制,系统在0.07s达到最大功率点,功率输出稳定。4-22（b）（c）为光伏电池输出电流和电压,在最大功率点较小范围波动,符合P&Q算法。4-22（d）为电路输出电压,可见通过占空比控制,实现MPPT控制的同时光伏电池输出电压得到了放大,稳定后电压放大约3倍。表4-1 光伏电池MPPT仿真模型参数设置模块名称参数符号参数值模块名称参数符号参数值（单位）（单位）PV-MODELVoc(V)22BOOSTCdw(F)Isc(A)8.58L(H)Vm(V)17.7C(F)Im(A)7.94R()20Tref(C)25MPPT采样时间（s)0.0001Sref(W/)1000D0.001a(/)0.0025PWMfs(Hz)b0.5c(/)0.00288图4-22 标况下光伏电池MPPT仿真结果2、 光照强度变化时仿真初始电池温度为25光照强度为,0.1s时光照强度下降到,0.2s上升到,温度保持不变。从图4-23（a）（b）（c）可知,光照强度下降时,光伏电池输出最大功率、最大电压和电流均减小,光照强度上升时,均增加。同时可知在光照强度变化时模型仍能实现MPPT,调整时间约0.02s。图4-23 光照强度变化时光伏电池MPPT仿真结果3、电池温度变化时仿真初始光照强度为电池温度为,0.1s时电池温度上升到40,0.2s下降到到30,光照强度保持不变。从图4-24（a）（b）（c）可知,温度上升时,光伏电池输出最大功率减小、电压减小,最大电流增加温度下降时,最大功率增加、最大电压增加,最大电流减小。同时可知在电池温度变化时,模型仍能实现MPPT,调整时间很短。图4-24 电池温度变化时光伏电池MPPT仿真结果以上是参考文献中给出的仿真结果，由于Simulink操控不是十分熟练，导致我所做的模型没能仿真出正确的结果，特分析原因如下：1、 相同温度不同光照的设定，通过设定任意值模块设定不同的光照强度来实现不同的仿真结果，而相同光照强度不同电池温度是用相同的手法结果不尽如人意；2、 光伏电池模块是没有问题，Boost电路，MPPT，PWM模块单独运行也没出现报错，连接却没有结果。整体连接也能运行，是各个模块组合的不合理？但却没出现错误。4.3 本章小结在Matlab/Simulink中建立了光伏电池通用工程模型。该模型为一个受控电流源,只需给定标况下的基本参数即可得到不同环境条件下光伏电池输出电流。讨论了利用P&Q原理通过控制Boost电路占空比实现MPPT的算法,分析了算法原理,给出了算法流程,并建立了仿真模型。通过仿真验证了模型的正确性,仿真结果表明：模型动态性能好,对外界环境变化适应性较好。千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 43 -结论在Matlab/Simulink环境中构建了一个电源模型（光伏发电），通过仿真分析验证了模型的正确性和有效性,为研究微网运行控制问题提供了一种有效途径。光伏电池模型。采用扰动观察法判断最大功率点并通过控制Boost电路占空比实现最大功率跟踪控制。仿真表明,建立的模型具有通用性,动态性能好。对光照强度、温度变化反应灵敏,能够快速、准确的实现最大功率跟踪。对于仿真的操作不是很熟练，导致了有些大家出来的模型仿真结果不是很理想。对于新能源的利用和控制目前还是比较前沿的研究项目，控制理论和电力电子技术的紧密结合使得该领域的研究博大精深，虽然光伏发电系统在国外已经有大规模的应用，但是仍有许多技术问题有待解决，特别是在变流器拓扑结构、控制策略方面的研究，我们目前所做的研究工作还仅仅是开始。致谢一转眼四年的学习和生活就要结束了,方感叹“时光飞逝,如白驹过隙”回想起四年中的点点滴滴,我想对他们致以深深的谢意：首先感谢韦琦老师辛苦认真的指导工作，在韦琪老湿的督促下我才能完成此次毕业设计任务，对微电源有了基本的了解，对光伏微电源的建模与仿真有了一定的动手能力，虽然最后的结果不是那么的理想。还要感谢王士波师兄的帮助，在仿真上让我学到了很多，平时督促我们学习你也辛苦了。其次，向四年来辛勤栽培我的所有老师致以诚挚的谢意，正是有了老湿不遗余力的付出，才使我增强了战胜困难的勇气和信心。另外，对于父母和亲人的感激，我无以言说，我会用我的努力向你们致意。最后,特别感谢在百忙之中评阅和参加答辩会的各位专家和老师！参考文献1 张超,光伏并网发电系统MPPT及孤岛检测新技术的研究,浙江大学博士学位论文,2006.2 吴理博,光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现,清华大学博士学位论文,2006.3 Jenkins N,Allen R,Crossley P,et al.Embedded generation.London:IEEE，2002.4 Willis H L,Seott W G.Distributed Power generation:Planning and evaluation.New York:CRC,2000.5 鲁宗相，王彩霞，闵勇等微电网研究综述电力系统自动化，2007，Vol.31(19)：104111.6 储灵施微电网研究发展概况电气时代，2010，(4)：76777 Standards Coordinating Committee 211547 IEEE standard forinter connecting distributed resources with electric power systems，20038 Morozumi SMicro-grid demonstration projects in JapanPower Conversion Conference Nagoya，2007.9 韩奕，张东霞，胡学浩等中国微网标准体系研究电力系统自动化，2010，Vol.34(1)：6972.10 李安定,太阳能光伏发电系统工程,北京：北京工业大学出版社，2001.11 聂波波,姜乐华.平板状固体氧化物燃料电池电化学特性Simulink建模与仿真.化学工业与工程技术,2008,29（1）：1013.12 吴理博光伏并网逆变系统综合控制策略及实现：博士学位论文北京：清华大学，2006：1825.13 程启明,程尹曼,等.光伏电池最大功率点的跟踪方法.上海电力学院学报。2009，25（4），346352.14 赵宏，潘俊明.基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统。电力电子技术.2004，38（3）：5557.15 梁雪峰，曾国宏.3KW光伏并网逆变器设计.电力电子技术.2008，42（8）：2830.16 李炜，朱新坚.光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型.计算机仿真.2006，23（06）：243249.17 马兆彪.太阳能光伏并网的分析与研究.江南大学硕士学位论文.2008.18 刘志勇.微电网建模仿真研究及平台开发.湖南大学硕士学位论文。2010.附录a What is Maximum Power Point Tracking (MPPT) and How Does it Work? Photovoltaic (PV) generation is becoming increasingly important as a renewable source since it offers many advantages such as incurring no fuel costs, not being polluting, requiring little maintenance, and emitting no noise, among others. PV modules still have relatively low conversion efficiency; therefore, controlling maximum power point tracking (MPPT) for the solar array is essential in a PV system. The amount of power generated by a PV depends on the operating voltage of the array. A PVs maximum power point (MPP) varies with solar insulation and temperature. Its V-I and V-P characteristic curves specify a unique operating point at which maximum possible power is delivered. At the MPP, the PV operates at its highest efficiency. Therefore, many methods have been developed to determine MPPT. Maximum Power Point Tracking, frequently referred to as MPPT, is an electronic system that operates the Photovoltaic (PV) modules in a manner that allows the modules to produce all the power they are capable of. MPPT is not a mechanical tracking system that “phy