毕业设计(论文)基于MPPT控制的光伏发电系统设计

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇

2、蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈

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7、蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅

8、蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆

9、蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇

10、薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈衿螂腿薁蚂肀芈芀袇羆芇莃蚀袂芆蒅袅袈芅蚇螈膇芄莇薁肃芃葿螆罿芃薂蕿袅节芁螅螁莁莄薈聿莀蒆螃羅荿蚈薆羁莈莈袁袇莇蒀蚄膆莇薂袀肂莆蚅蚂羈莅莄袈袄肁蒇蚁螀肁蕿袆聿肀艿虿肅聿蒁羄羁肈薃螇袇肇蚆薀膅肆莅螆肁肅蒈薈羇膅

11、薀螄袃膄艿薇蝿膃莂螂膈膂薄蚅肄膁蚆袀羀膀莆蚃袆腿蒈 基于mppt控制的独立光伏发电系统设计摘 要随着时代的发展，人类对能源的需求越来越多，新能源开发是解决能源问题的根本途径，而太阳能光伏发电正是新能源和可再生能源的重要组成部分。本文主要研究独立光伏发电系统，它有着相当广泛的应用。独立光伏系统主要包括了光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四个组成部分，本文对独立光伏系统中的最大功率点跟踪进行深入研究。本文利用光伏电池的数学模型和等效电路，在matlab/simulink中建立了光伏电池的仿真模型，得到了与实际光伏电池输出特性一致的仿真曲线，为进一步研究最大功率点跟踪打下了基础。最大功率点跟踪的方法

12、有很多，但是应用最为广泛的是扰动观察法和电导增量法，本文对自适应占空比干扰法进行了详细的分析，给出了算法设计，并建立了光伏电池的仿真模型对算法进行了仿真，仿真结果验证了算法设计的正确。关键词：独立光伏系统，光伏电池，最大功率点跟踪the design of independent photovoltaic power generation system based on mppt controlabstractwith the development of economics and technology, more and more energy is required. researchi

13、ng and developing new energy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy. research on the stand-alone photovoltaic system is the main content of this thesis. there is very comprehensive application fo

14、r the stand-alone photovoltaic system. the stand-alone photovoltaic system is composed of the solar cell, storage battery, charger and inverter. several key techniques, for instance , the mppt(maximum power point tracking) are deeply studied in this thesis. base on the mathematical model and the equ

15、ivalent circuit, the solar cell simulation model in matlab/simulink is built in order to research the mppt, and the curve which is in accordance with the actual solar cell is attained. this work built the base for the further research on mppt. there are many methods for mppt, but the p&o(perturb and

16、 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 cel

17、l 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.key words:stand-alone photovoltaic system,solar cell,mppt目录前言1第1章 绪论21.1 发展光伏发电的意义2

18、1.1.1 保护气候和改善环境21.1.2 节省空间31.1.3 增加就业31.1.4 提供农村电力31.1.5 中国的特殊需求41.2 国内外光伏产业的发展及趋势41.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势41.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势5第2章 光伏发电系统62.1 光伏发电系统的基本组成62.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成6第3章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究83.1 光伏电池的工作原理83.2 光伏电池等效电路分析93.3 光伏阵列的simulink模型12第4章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究194.1 光伏系统最大功率跟踪的原理194.2 最大功率跟踪点

19、方法概述204.3 dc/dc变换电路实现mppt的原理284.3.1 boost变换电路294.3.2 boost电路实现光伏阵列mppt的仿真模型314.4 自适应占空比干扰观察法364.4.1 占空比干扰观察法的提出364.4.2 自适应控制技术介绍374.4.3 基于自适应控制思想的mppt方法374.4.4 光伏阵列mppt仿真模型的建立404.4.5 仿真结果与分析41结论45谢 辞47参考文献48外文资料翻译515前言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的34万倍，可谓

20、取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。有人称之为光伏电池光伏系统。目前的主要问题

21、是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨。 第1章 绪论1.1 发展光伏发电的意义太阳能作为一种可持续利用的洁净能源，有着巨大的开发应用潜力。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类的起源时代。太阳能是人类得以生存和发展的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。目前，虽然太阳能光伏发电成本

22、较高，但是从长远来看，随着技术的进步，以及其它能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可能在2030之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。光伏发电着有许多特殊优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到光伏发电的附加价值，它的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式去比较单位发电成本。光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展光伏发电在经济、社会和环境保护等方面都有着积极的意义，下面来具体讨论光伏发电的发展意义。1.1.1 保护气候和改善环境太阳能光伏发电最重要的特征是在发电过程中只排放很少的co2，而co2作为最

23、主要的温室气体，导致气候变化的罪魁祸首。同时，电池板可循环使用，系统材料可再利用，光伏的能源投入可进一步降低。如果广泛使用光伏发电技术，可以为减缓气候变暖做出贡献。我国能源消费占世界的10%以上，同时我国一次能源消费中，煤占到 70%左右，比世界平均水平高出40多个百分点。燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占排放总量的70%80%，二氧化硫排放形成的酸雨面积已占国土面积的1/3。目前，环境质量的总体水平还在不断恶化，世界十大污染城市我国一直占多数。环境污染给我国社会经济发展和人民健康带来了严重影响。世界银行估计2020年中国由于空气污染造成的环境和健康损失将达到gdp总量的13。而光伏发电不产生

24、传统发电技（例如燃煤发电）带来的污染物排放和安全问题，没有废气或噪音污染。系统报废后也很少有环境污染的遗留问题1,2。1.1.2 节省空间光伏发电是一种简单的低风险技术，几乎可以安装在任何有光的地方。这意味着在公共、私人和工业建筑的屋顶和墙面上都有广泛的安装潜力。在运行中，这个系统还可以降低建筑的受热，增加通风。光伏电池板还可以作为隔声板装在公路两侧。光伏发电在提供大量电力供应的同时，避免占用更多的土地。1.1.3 增加就业光伏发电可以提供大量的就业机会。安装阶段创造大量的就业机会（安装工人、零售商和服务工程师），促进地方经济发展。根据欧洲光伏发电行业信息显示，生产每兆瓦光伏产品大约产生10个

25、就业机会，安装每兆瓦光伏系统创造大约33个就业机会。批发和间接供应可提供34个就业岗位，研究领域提供12个就业机会。整个产业链中，每兆瓦的生产、安装和使用，可提供50个就业机会。在未来几十年，随着规模的扩大，自动设备的使用，这些数据会有所降低。但是，光伏发电产业不仅仅是一个资金密集型的产业，同时也是一个劳动密集型的产业。目前中国光伏技术及产业的就业总人数近万。到2020年将达到10万人左右。按照中国电力专家的研究，2050年，光伏发电将达到装机容量10亿，年生产和安装量1亿，就业人数将超过500万人。1.1.4 提供农村电力太阳能光伏发电系统可以很容易地在偏远的农村地区安装，这些地区可能多年无

26、法架设电网。光伏发电等可再生能源特别适用于远离电网、零星分布的社区。离网农村电力以家庭为单位或设立小电网可提供照明、冷藏、教育、通讯和卫生等所需电力，提高经济生产力，增加创收的机会。光伏发电系统结实耐用、易于安装和具有灵活性等特征，使其可满足世界任何地方的农村电力需求。2006年底，中国还有无电人口1100万，使用光伏发电系统可以解决大部分无电人口的用电问题。1.1.5 中国的特殊需求中国是一个能源生产和消费大国。2006年能源消费总量为246亿吨标准煤，比2005年增长9.3%。2006年各种一次能源的构成比例为：煤炭占69.7%、石油占20.3%、天然气占3.0%、水电等占6.0%、核电占

27、0.8%。2006年，中国的原油进口达到1.5亿吨，大约是中国原油总需求量的50。中国能源开采和利用技术落后，传统高能耗产业比重大，单位gdp能耗落后于发达国家，甚至比世界平均水平落后许多。中国又是世界上最大的发展中国家，经济高速发展，中国能源消耗增长速度居世界首位，加剧了中国能源替代形势的严峻性和紧迫性。中国电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010年和2020年电力供需的缺口仍然分别为6.4%和10.7%，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。1.2 国内外光伏产业的发展及趋势1.2.1 世界光伏产

28、业发展的现状和趋势能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，最近10年光伏电池及组件生产的年平均增长率达到33%，近5年的年平均增长率达到43，2006年世界光伏电池产量达到2500mwp，累计发货量达到8500mwp。值得注意的是，中国2006年光伏电池的产量达到369.5mwp，紧随日本和德国之后，位居世界第三大光伏电池生产国。世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是：光伏发电在能源中的替代功能愈来愈大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并将成为光伏发电的主导市场（其它应用包

29、括通讯和信号、特殊商业和工业应用，农村离网应用、消费品和大型独立电站等）。从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲jrc的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中占到30以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上；2040年可再生能源占总能耗50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到 21世纪末可再生能源在能源结构中占到80以上，光伏发电占到60以上，显示出重要战略地位4。1.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势中国于1958年开始研究光伏电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红

30、二号卫星上，于1973年开始将光伏电池用于地面。中国光伏工业在20世纪80年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在10kwp以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上光伏电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固，并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波

31、电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。中国光伏发电的市场主要在通信和工业应用、农村和边远地区应用、光伏并网发电系统和太阳能商品等方面。所有这些应用领域中，大约有53.8是属于商业化的市场（通信工业应用和太阳能光伏产品），而另外的46.2则属于需要政府和政策支持的市场，包括农村电气化和并网光伏发电。由于并网成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段3。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2章 光伏发电系统2.1 光伏发电系统的基本组成光伏发电系统按照是否与常规电力系统相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。本文研究的是独立光伏发电系统，在此就不对并网

32、运行光伏发电系统做过多叙述。独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图2-1所示，主要由光伏电池，蓄电池组，充电器和逆变器四部分构成。光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。系统一般还需要蓄电池作为储能环节，根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，还需要逆变器将直流电转化为交流电。图2-1 独立光伏发电系统结构框图2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，由于光伏阵列的输出

33、特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此需要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如图2-2所示。图2-2 带有mppt功能的光伏发电系统结构图第3章 光伏阵列特性及其仿真模型的研究3.1 光伏电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种

34、把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池5。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。图3-1 光伏电池特性测试光伏电池实际上是一个p-n结。通常，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的

35、位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、嫁等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号p表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号n代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个 pn结。光伏电池的奥妙就在这个“结”上，pn结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。如图3-1所示，当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向n型区移动，使n型区带负电，同时空穴向p型区移动，使p型区带正电。这样，在pn结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在p

36、型层和n型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅光伏电池。3.2 光伏电池等效电路分析为了在光伏发电系统的设计中，更好的分析光伏阵列的电性能，更好的使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池之等效电路5如图3-2所示。图3-2 光伏电池等效电路图由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方

37、程： (3-1)=其中 (3-2) (3-3)上述三个公式的参数解析详见表3-1。一般讨论实际等效电路时，可忽略或。对光伏电池等效电路进行分析可以发现：串联电阻越大，则短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。由于为数千欧姆，因此，在下面的讨论中将忽略，得到光伏电池的简化等效电路图3-3，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式3-4。 (3-4)图3-3 光伏电池等效简化电路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

38、-5)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： (3-6)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

39、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3.3 光伏阵列的simulink模型光伏阵列是由许多小单位的光伏电池并联或串联组合所组成的。光伏电池串联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压；光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程 (3-7)其中、分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其i/v特性是日照强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统及其mppt的仿真，首先一步是解

40、决如何对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源6。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源10。但是该模型不能实时跟踪日照强度、环境温度变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。在光伏发电系统设计中，光伏电池板的生产厂家一般会提供该光伏阵列的参数，主要有：开路电压、短路电流、峰值工作电压、峰值工作电流、最大功率等。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。表3-1列出了无锡尚德公司生产的stp0950s-36型号的光伏阵列的各项参数。它由36个单结晶硅光伏电池串联而成，根据公式3-7，得到该光伏电池组件的输出特

41、性方程 （3-8）下面运用simulink8,9对该光伏电池阵列进行仿真10。表3-2 光伏阵列stp0950s-36在标准测试条件下的参数标准测试条件下最大功率94w峰值工作电流4.5a峰值工作电压21.7v短路电流4.8a开路电压24.2v短路电流温度系数2.06(）开路电压温度系数0.77（）在公式3.8中的未知量有、以及，下面对这三个未知量进行讨论，分别建立模型。1.求解光生电流根据公式得 (3-3)建立光生电流子模块如图3-4所示。图3-4 子模块2. 求解光伏电池反向饱和电流当外部负载开路时，知=0，此时 （3-9）因此可求得 （3-10）根据公式 （3-6）可先建立子模块如图3-

42、5。图3-5 子模块令 （3.11）则建立子模块如图，并得到公式3-12图3-6 子模块 (3-12)根据上式可建立子模块如图图3-7 子模块3. 求解串联等效电阻在最大功率点处，有 （3-13）若取理想因子a=1，则在温度t=25下，25.68mv,则在标准测试条件下的串联等效电阻若得知在不同t、g下的最大功率点（、),就可求得不同气候条件下的。但由于数据有限，并且值较小，可采用恒定的方法来近似模拟。图3-8 光伏阵列simulink模型完成上述三个未知量的求解，根据公式3.8即可完成光伏阵列的建模，如图3-8所示。(a) (b)(c) (d)(a)20，不同光强下的伏安特性曲线；(b)20

43、，不同光强下的伏瓦特性曲线；(c)400w/m2，不同温度下的伏安特性曲线；(d)400w/m2，不同温度下的伏瓦特性曲线图3-9 光伏阵列特性曲线17第4章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究4.1 光伏系统最大功率跟踪的原理在太阳能光伏发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的i-v特性是非线性的，它随着外界环（温度、光照强度）的变化而变化，它的工作电压改变时它的输出功率也会改变，为了始终能获得最大的输出功率，所以需要进行最大功率点跟踪。图4-1中的曲线是在一定光照强度下的光伏i-v输出特性曲线，直线1为一

44、定负载阻抗的负载线，它和曲线的交点为a，即为光伏电池的工作点。显然，对应不同的负载阻抗，负载线的斜率不同，与光伏电池输出特性曲线的交点不同，即工作点不同，光伏电池在工作点上的输出功率也不同。如果不改变负载特性，则系统工作在a点，但a点的输出功率小于mpp处的功率。如果我们能改变负载阻抗，则可以使负载线与光伏电池输出特性曲线的交点从a点移到mpp，使光伏电池工作在最大功率点处。当光强变化时，光伏电池的输出特性也会变化，则可以相应地调整负载阻抗，使它仍能工作在最大功率点上。在不同的环境条件下，按输出最大功率的要求来进行调整负载阻抗，则能使太阳能得到最大利用，即实现最大功率点跟踪的控制。图4-1 最

45、大功率点跟踪原理由于dc/dc变换器具有阻抗变换的作用，dc/dc变换器输出端负载一定时，通过调节占空比d，可以改变dc/dc变换器的输入阻抗，这样就改变了光伏电池的负载阻抗。若知道最大功率点所对应的负载阻抗，就可以通过调整dc/dc变换器的占空比d，使dc/dc变换器的输入阻抗在光伏电池的最大功率点上。当外界环境变化时，仍然可以通过不断调整变换器的开关占空比d，实现光伏电池与dc/dc变换器之间的动态负载匹配，就可以实时获得光伏电池的最大输出功率。4.2 最大功率跟踪点方法概述目前，对最大功率点跟踪方法的研究很多，很多文献都提出了不同的mppt方法，例如恒电压跟踪方法7、干扰观察法14、增量

46、电导法15等，但是应用最为广泛的是干扰观察法和增量电导法。针对以上提到的几种方法，下文做了简要的介绍。4.2.1 恒电压跟踪恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理如图4-2所示，忽略温度效应时，光伏阵列在不同日照强度（分别为1000，800，600，400，200）下的最大功率输出点a、b、c、d和e总是近似在某一个恒定的电压值附近。假如曲线l为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应关照强度下直接匹配时的工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压跟踪（cvt）方法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统实现稳压器的功能，使阵列的工作点始终稳定在附近。这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大输出功率，如中所示。采用恒定电压跟踪（cvt）控制与直接匹配的功率差值在图中可以视为曲线l与曲线之间的面积。因而，在一定的条件下，恒定电压跟踪（cvt）方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪（mppt）控制。图4-2