基于simulink的带有MPPT功的光伏电池的仿真.doc

学习资料收集于网络，仅供参考本科毕业设计（论文）基于Simulink的带有MPPT功能的光伏电池的仿真 学 院 电力学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 郭子暄 学生学号 20083015192 指导教师 荆朝霞 提交日期 2012年 5 月 20 日学习资料摘 要如今，在全球经济与科技高速发展的背景下，能源消耗自然成为不可忽略的问题。在传统化石燃料，如煤、石油、天然气等面临枯竭之时，新能源的开发与利用成为当今的热点。在众多新能源中，光能由其高效、可持续以及无污染等特点进入了人们的视野。光伏电池也应运而生。本文首先通过对光伏电池单二极管等效电路的分析，以PV-MF165EB3光伏单元为例，基于高斯-赛德尔法提出了光伏电池等效电路中未知参数的求取方法，并利用Matlab/Simulink建立相关数学模型以仿真其输出特性。经验证，该模型能够较为精确地仿真PV-MF165EB3单元的I-V以及P-V特性。应用于光伏系统的最大功功率跟踪控制系统（MPPT）是为了使得光伏电池在不同的温度、光照强度以及电力负荷情况下实现功率的最大化。在本文当中，在I-V以及P-V特性基础之上，通过对其非线性特性的分析提供了最大功率跟踪控制算法电导增值法，在本文中详细讲述了电导增量法的计算原理以及相关计算流程。为使输出端功率最大化，应用Boost升压电路跟踪最大功率点处电压，并经过逆变器完成其逆变，并分析逆变的效果。关键词：光伏系统；最大功率跟踪；电导增量法Abstract Recently, with the rapid developing of economic and technology, the energy problem has grown into a great issue which cannot be ignored. Nowadays under the background that conventional fossil fuels are running out quickly, the exploitation of new resources became an outstanding research focus. Among new resources, solar power which has the characteristics of high efficiency, sustainability, non-pollution comes into peoples sight. Naturally, PV panel comes into being.In this paper, firstly we made an analysis for the single-diode equivalent circuit for PV system. Taking the PV-MF165EB3 module as an example, we come up with the method for obtaining the unknown parameters based on GAUSSSEIDEL METHOD. After that with the applying of Matlab/Simulink, we can obtain the output characteristics of PV system. Through validating, the model can simulate the P-V and I-V characteristics of PV-MF165EB3 module accurately. A maximum power point tracking control (MPPT) is used for a photovoltaic (PV) system in order to maximize the output power irrespective of the temperature and irradiation conditions and of the load electrical characteristics. In this paper, on the basis of the P-V and I-V characteristics, through the research of the non-linear character, the Increase Conduct Algorithm is recommended to track the maximum power point. And here we will explain the flowchart of this method in detail.In order to maximize the output power, a boost converter is applied to obtain the voltage at MPP, through an inverter , the PV system is connected with the micro power grid to supply electric power .Based on the theory of inversion , we will build a model to analyze the output lead by SVPWM control method.Keyword: Photovoltaics, Maximum Power Point Tracking (MPPT), Increase Conduct Algorithm目录摘要 Abstract 第一章 绪论11.1 分布式发电的研究背景与发展意义11.2 光伏发电系统概述11.3 国内外光伏系统的发展现状31.3.1 国内光伏系统的发展现状31.3.2 国外光伏系统的发展现状31.4 本文的研究的内容4第二章 风光互补微电网简介42.1 微电网概述42.2 风能光伏混合微网52.2.1 风能光伏混合微电网结构52.2.2 混合微网的有功无功输出控制5第三章 光伏系统的数学模型73.1 光伏系统的等效电路73.2 光伏系统参数的求取83.2.1 光伏系统的参数方程83.2.2 高斯赛德尔法103.2.3 高斯赛德尔法的初始化123.3 温度与光照对仿真参数的影响123.4 光伏模型仿真133.4.1 示例模型的提出133.4.2 光伏模型的串并联133.4.3 实例的提出143.4.4 仿真结果15第四章 光伏电池的最大功率控制174.1 电导增量法概述174.2 定步长电导增量法184.3 变步长电导增量算法204.3.1 变步长电导增量法的优点204.3.2 变步长电导增量法算法214.4 最大功率控制电路234.4.1 MPPT控制电路原理234.4.2 仿真结果24第五章 光伏系统的逆变265.1 SVPWM控制技术265.1.1 SVPWM概述265.1.2 SVPWM控制基本原理265.1.3 基于Simulink的SVPWM仿真295.2 光伏电池逆变的仿真32第六章 结论346.1 本文总结346.2 后续工作34参考文献 35致谢 36第一章 绪论1.1 分布式发电的研究背景与发展意义自20世纪初以来，电力行业普便把以“大机组，大型集中式电厂和高压电网”为主要特征的集中式单一供电系统作为现代电力工业的发展方向。经过100多年的发展，这种集中式的单一供电系统已经具有相当大的规模，为世界经济的繁荣和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。从20世纪80年代末开始，世界电力工业出现了由传统的集中供电模式向集中式电网和分布式供电模式结合过渡的趋势。近年来，以可再生能源利用为主的新型发电技术，主要是太阳能光伏发电和风力发电，还包括燃料电池发电等，凭借发电方式灵活，与环境兼容等优点得到了快速发展1。分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的。首先，对于电力系统的运行，分布式发电可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用。其次，对于供能方面，其可以作为备用发电容量、削峰容量，也可承担系统的基本负荷，还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。除此之外，分布式发电的应用对减少环境污染也起着重要的作用，如光伏发电的利用显著地轻了燃煤电厂产生的污染。由此可见分布式发电是相比于集中式来讲十分清洁的发电方式，安装地点也相对灵活，可置于居民及商业中心处2。当今，传统化石燃料能源的紧缺成为了推动分布式能源发展的重要因素，由于经济的发展，人均用电量的不断增长，在负荷处于峰值时，例如在酷暑时节，较多的地区会受到短时停电的威胁。为保证不间断供电，当今很多大型企业及商业中心采取分布式发电技术以保证生产与经济的稳定性。而且在市场经济的推动之下，电力结构也作出相应调整，激励人们考虑新的发电技术。由此不难想象，分布式发电技术必将成为今后重要发展趋势。1.2 光伏发电系统概述太阳能是当今利用效率最高，价格低廉，无环境污染的新能源。目前太阳能的使用主要体现在两个方面太阳能供热制冷以及太阳能发电。对于后者，可以通过光伏阵列（PV array）的应用将太阳能转化为电能。近些年来，光伏系统已经在电力系统中得到广泛认可和使用。在光伏阵列的基础之上，各种相关技术也得以发展，例如太阳能驱动汽车、光能充电系统、卫星电力系统等等。光伏发电系统可直接将太阳能转换为电能，不需要热力发动机驱动。光伏发电装置由固态电子器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。光伏系统重量较轻、不需要燃料提供能量，故光伏系统适合于其他分布式发电技术不能实现的环境。除此以外，光伏系统并入电网之后既可以独立运行即孤岛运行，也可并网运行，其出力可达微瓦级到兆瓦级，可建立兆瓦级大型发电厂16。工作中的光伏阵列如图1-1所示。图 1-1 工作中光伏阵列然而，光伏系统也存在其固有的缺陷，这主要是由其较高的建设费用以及相对较低的能量转换效率所导致的。以上两问题主要由于它们非线性的，由光照辐射强度和环境温度所决定的功率-电压、电流-电压曲线所引起。为解决以上这些问题，相关技术已得到一定程度的开发：1） 改进光伏阵列的制造工艺；2） 控制输入光伏阵列的光照强度使用光能收集器实现输入的最大化；3） 应用光伏阵列并追踪最大电能。光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、运行温度以及负荷运行特性。正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。为解决这一问题，通过使用上述方法3），光伏系统在对应环境下的最大功率工作点，可以通过在线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处。光伏阵列的理想工作点称为最大功率工作点（Maximum Power Point, MPP），其随着温度和光照辐射强度的变化而变化。为得到光伏阵列的最大工作点，最大功率跟踪法得以应用。现在比较流行的最大功率跟踪控制算法主要有查表法，扰动观察法，电导增值法，动态法8。本文将重点讲述电导增值法。1.3 国内外光伏系统的发展现状1.3.1 国内光伏系统的发展现状在中国，太阳能资源较为丰富并有着较大的开发潜力。目前中国太阳能产业主要集中在太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统，且技术较为成熟。如今经多年的发展，中国已成为全球重要的太阳能光伏电池生产国以及太阳能热水器生产使用量最大的国家。中国光伏发电产业于20世纪70年代初起步，经过30多年的努力与快速发展，如今中国光伏企业已达到一个新阶段。在近些年，统计于2007年底，在太阳能电池方面生产的企业达50家，太阳能电池的年电产量达到1188MW，逐渐接近并超过了世界领先水平；在电力系统方向，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦。 2008年太阳能电池的产量继续提高，达到200万千瓦。如今，在国内“送电到乡”工程等项目和“光明工程”先导项目及世界光伏市场的有力拉动下，光伏系统必将得到进一步地发展。1.3.2 国外光伏系统的发展现状进入21世纪以来，光伏产业一直迅速发展。在生产产量方面，2002年全球光伏电池产量为560mw，到2003年已增长了34，高达750mw。2004年世界光伏电池年产量达到1256mw，年增长率高达68，2005年产量达1818mw，增长率略有下降，但仍有45。此外，各种政策更是有力地推动了光伏事业的发展，2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场的爆炸式发展，随之而来的是发达国家间纷纷对其进行效仿并取得成功。以美国为例，2006年，加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，也就是在未来10年内建设3000mw光伏发电系统的提案，标志着美国关光伏系统的政策的新时代的到来。正是因为欧美等发达国家强有力的政策推动，加速了世界光伏系统的进程，使得太阳能光伏发电的前景无限光明。综上所述，世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面17。(1)生产规模的断扩大。光伏产业的龙头企业光伏电量年产量已超过3000mw，在其推动之下，如今已有更多的企业提出了建设年产1000mw电池生产线的目标。 (2)光伏电池产量持续增长。近年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，19992007年间，光伏电池产量以年均增长率超过40的速度高速发展，太阳能电池的年产量从1999年的202mw增加到2007年的4000mw，增加了近20倍。 (3)光伏发展政策不断得以优化引发光伏市场飞速膨胀。在前文已经提出，2004年德国再生能源法的修订以及补贴法的修改，加速了德国光伏系统的发展。随后在2005年，美国效仿德国，通过“百万个太阳能屋顶计划”促进美国光伏系统的建设。在此推动之下，世界大国光伏系统将纷纷加入改革行列，走向光伏系统发展的前沿，中国就加入了这一洪流，迅速发展。(4)新技术不断出现，电池效率不断提高。随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平向更高水平发展。少数公司采用最先进的生产工艺，已经率先到达了效率20的目标，其他生产公司必定会纷纷效仿。1.4 微电网概述当今随着社会经济的发展，以集中式发电为主的大电网展现了其无法比拟的优势。首先，大电网模式的自动化程度较高，可以在一定程度上节省人力资源；其次，大电网远距离输电模式可实现高电网输电，减少了线路的损耗；再次，在集中式发电中，大机组的应用也在一定程度上提高了其效率。如今，随着远距离输电电压等级的进一步提高，集中式发电仍将作为当今输电的主流方式。然而，随着电网的进一步发展，集中式发电的缺点也愈发显现出来。首先，随着电网复杂程度的不断提高，大电网的运行成本和运行难度也进一步增大；其次，随着负荷多样化的进一步发展，传统的发电模式也愈发难以适合各种不同的负荷特性；再次，大电网较为脆弱，其安全性及可靠性较差。近年来世界各地多次发生大面积重大停电事故，造成了巨大经济损失。2008初，中国南方地区发生大面积冰灾，给南方电网造成了巨大的不利影响，进一步暴露了传统大电网模式的脆弱性。微电网是相对传统大电网提出的概念，是由分布式电源（光伏电源、风力发电机、微燃汽轮机）、储能设备（蓄电池等）、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集、按照一定拓扑结构形成的发配电系统。是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与主网并列运行，也可以孤岛运行。微网能在一定程度上减轻负荷对大电网的依赖，缓解传统能源的危机。而分布式电源的多样性也能满足不能负荷的特性。微电网的安全性较高，且可以在小范围内将分布式发电单元、网络以及用户终端相连结，方便地实现冷热电的联产，优化和提高了能源的使用效率。1.5 风能光伏混合微网1.5.1 风能光伏混合微电网结构风力机组与光伏系统的混合微电网结构如图1-2所示。变速风力发电机采用直驱型同步发电机与风力机直接耦合,无需风力发电系统的齿轮箱,减少发电机的维护量15。该机组经变流器和逆变器以及变压器T1接入微电网。对于光伏系统，经过较为稳定的单级逆变器再经变压器T2接入电网。这里选用蓄电池作为微电网的储能装置，通过逆变器接入配电网，进行有功及无功的调节。图1-2 风能与光伏混合微电网结构1.5.2 混合微网的有功无功输出控制对于风力发电系统，在风光互补优化中，采用PQ控制策略，为保证最大限度地利用可再生资源，根据13，其参考输出有功值按追踪最大输出功率： （1-1）式中，为最佳叶尖速比，即在风能利用系数Cp为最大值时对应的叶尖速比。对于固定桨距的风力发电机，取桨距角为0。将风力机组的转速代入上式中，即可得出最大参考功率。对于风力发电机的出力控制，流程图如1-3所示。输入有功及无功功率的参考值，偏差信号通过PI调节器之后分别输出idref及iqref，利用Park变换将其转变为三相参考电压iaref 、ibref 和icref使用SVPWM控制法，实现有功无功的解耦控制。图1-3 风力机组有功无功的解耦控制对于光伏系统，前面已经介绍过，在不同的环境，可以应用最大功率控制法来获得最大功率时所对应的工作电压。将直流输出电压值与其比较并经过PI调节器输出idref，再将输出无功与参考无功比较输出iqref，同样根据SVPWM实现有功无功的解耦控制。如图2-3所示。图1-4 光伏系统的有功无功解耦控制示意图对于储能设备，同样对其进行有功与无功的解耦控制，这里不详加介绍。当风光混合微电网并网运行时，配电网侧为分布式电源提供频率，蓄电池仅调节有功，以此来抑制由于有功输出的波动所引起的风机和光伏系的电压变化；当风光混合微网处于孤岛运行状态时，此时使用蓄电池作为主控单元，通过调整其有功及无功的输出，以维持电压和频率的稳定。保证分布式电源较高的供电质量。亦可实现风光混合微电网由并网运行平滑、快速地切换到孤岛运行状态。1.4 本文的研究的内容基于上述基本理论，本次将重点对光伏电池进行相关研究，其主要内容如下：1. 了解相关风光互补微电网的基本知识，明确光伏电池研究方向。2. 深入了解光伏电池的工作原理，分析光伏电池单二极管等效电路，根据厂家已给参数求取未知参数，并建立光伏电池数学模型。3. 深入分析电导增值法的原理以及相关的计算流程，用Simulink建立其算法模块。4. 用Simulink建立MPPT控制电路，并分析当光照发生变化时输出电压、电流、功率的变化。5. 建立光伏逆变电路，分析逆变电路逆变效果。第二章 光伏系统的数学模型2.1 光伏系统的等效电路为研究分析光伏系统的功率电压特性及电流电压特性并获取其最大功率工作点，需建立相应的光伏等效电路。在当今众多等效电路中，单二极管模型可以较为准确并简明地仿真光伏阵列的输出特性。单二极管电路如图2-1所示：图2-1 光伏阵列单二极管等效电路单二极管等效电路中包含电流源、二极管以及等效串并联电阻，则电压电流（VI）关系式可以表示为： (2-1)其中V和I分别指代模型的电压和电流。和分别为光电流和二极管的暗饱和电流，为结热电压，和分别为等效电路的串联电阻和并联电阻。为模型中串联的光伏单元个数。其中二极管的结热电压与PN结温度有关，其关系式如下： （2-2）在式2-2中，K为玻尔兹曼常数，K=1.38 10-12 J/K ，T为PN结热力学温度，A为二极管的理想系数，q为电子所带电量。式2-1所表示的光伏电池等效模型中，存在五个未知参数Iph 、I0、Vt、Rs和Rsh。而光伏电池建模的主要目的在于在标准试验条件（STC）以及不同环境条件下通过生产商给定的相关参数求取相应未知参数以仿真I-V输出特性。光伏系统模型的参数是随着温度和光照辐射强度变化而变化的，根据变化的参数可以通过单二极管等效电路求取对应的最大功率工作点。2.2 光伏系统参数的求取2.2.1 光伏系统的参数方通常情况下，光伏电池制造者会给出以下的数据：开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点工作电压Vmpp、最大功率工作点电流Impp以及光伏单元串联级数ns。除此之外，数据表通常还会给出光伏电池的短路电流及开路电压的温度因数，分别记为Ki和Kv。在V-I特性曲线中，(0, Isc)、(Voc,0)、(Vmpp, Impp)被认为是重要标记点。在本文中，我们就重要利用这几点的数据来求取相关参数。为简化计算过程，在式2-1中，由于自然底数指数项远大于1，故 “-1”项可以忽略不计，这样由重要标记点信息，我们可以得到下列三式： （2-3） （2-4） （2-5）为简化计算公式，更好地区别已知参数、未知参数，以及输出量，各变量的替换符号如下表所示： 表2-1 参数变量的转换数据表给出量Isca1短路电流Voca2开路电压Vmppa3MPP工作电压Imppa4MPP工作电流nsa5单元串级数等效电路未知参数Iphx1光电流I0x2二极管饱和电流Vtx3结热电压Rsx4等效串联电阻Rshx5等效并联电阻显而易见，在MPP处，输出功率P对电压U的偏微分为0。 （2-6）为求取五个等效电路中的未知参数，现已存在四个方程，现需列出第五个方程式。我们可以观察到，在V-I特性曲线中，由短路点处的斜率我们可以得到12： （2-7）在以下式中，y1、y2、y3分别代表输出电流I，输出电压U以及输出功率P。 对于式2-1，忽略了“-1”项之后，使用表2-1中的替换变量，可得： （2-8）对于式2-5，重新整理并转换变量后可得： （2-9）将式2-9中的代入2-8和2-3中，可得下列等式： （2-10） （2-11）同样为了简化计算，对于式2-11，在中括号项中，由于第二项远小于第一项，这里可以将其忽略。可得下式： (2-12)将式2-9中的和式2-12中的代入式2-4中，可得： （2-13）根据参考文献6，计算对偏微分，并进行变量替换，可得： （2-14）其中，。同样根据文献6，计算当等效电路处于短路时对的偏微分，利用式2-12中得到的的表达式，代入式2-7中。同时由于Rs 0I/V -I/V 是是Vref = Vref +VrefVref = Vref -VrefVref = Vref -VrefVref = Vref +Vref 否 否V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k)返回图 3-2 定步长电导增量法计算流程图图 3-3 定步长电导增值法的Simulink仿真模块然而固定步长的电导增量法也有其显然可见的缺点，正因为选取了固定步长，使得该算法在计算速度和精确度上无法达到一个很好的权衡，在下一节本文将详细讲解一种改进的电导增量算法。3.3 变步长电导增量算法3.3.1 变步长电导增量法的优点在3.2中已经详细介绍了定步长电导增量法的计算原理及计算流程，在章节的最后阶段也指出了定步长法存在着一定的局限性，主要在于以下两个方面。首先，由于嗓声的影响以及误差的存在使得判断条件I /V = -I / V很难以实现，因此判断条件更改为|I/V+I/V|，其中为接近零的正数。利用这种方法，当光伏阵列运行在稳定工作点时，如图3-4所示，系统可能工作点BC其间或在AB及CD段之间震荡。因此，步长就应该在响应速度和计算精确性上得到权衡。即如果在剧然变化的环境下（温度及光照辐射强度）步长较大，则在理想工作点附近会发生较大振荡，精确性会受到影响，反之亦然。下文将详细讲述一种改进的变步长式电导增值法。该控制算法利用变步长来权衡动态响应与计算精确度之间的关系。其中，其扰动步长可以根据固有的P-V特性自动调节。如果工作点远离最大功率工作点，则步长增加以加快动态响应。反之当工作点接近最大功率点时，步长减小以减少光伏系统在理想功率点附近的静态振荡，以及提高其光伏系统的工作效率。图3-4 基于电导增量法的MPP工作点轨迹3.3.2 变步长电导增量法算法变步长电导增量法的计算流程图如3-5所示，其中、 、 均为接近零的正数。而和为积累因数。由上节我们已经得出下式 （3-8）而参考工作电压Vref的更新规则可表示为： （3-9）其中： （3-10）由上式可见扰动步长的符号已经包括在步长变量本身，因此相比于定步长式的传统电导增量法，该改进算法的流程图更加简洁。在Vref的更新规则中，积累因数在一定程度上决定着控制算法的精度及动态响应速度。而人工调节对于不同的MPPT控制系统来讲是相对困难的，因此，为确保较好的最大功率跟踪效果，在启动过程中自动调节也就显得十分具有必要性。下式可以简单地定义的取值： （3-10）其中Vstep_max为在定步长的情况下所允许的最大允许更新步长，可以按下式计算： （3-11）其中m为接近1的正数，可以取其为0.9，Voc为光伏系统的开路电压。较小的值相对比于较大值动态响应较为缓慢。开始输入V(k)，I(k)V1V = V(k)-V(k-1)I = I(k) - I(k-1)是I3IV+IV2否是是否否V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k)图3-5 变步长电导增量法的计算流程电流的变化值I变化表现出了当前天气的变化。观察光伏电池的I-V曲线可以得出，在工