完整版光伏阵列最大功率点跟踪毕业设计Word文档格式.docx
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ABSTRACT
Withthegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic（PV）arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayhaverelativelylowconversionefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,weshouldcontrolthePVsystemeffectively.ThispaperfocusesonMPPTcontroltechniquesofPVarray,analysesthetheoryparticularly,establishessimulationmodelwithMATLABsoftware,presentscontrolstrategiesrelevantly,andvalidatedbyexperimentalresults.
Firstly,thispaperanalysestheelectricalcharacteristicsofPVcellandestablishessimulationmodel,andalsoanalysescommonlyusedMPPTmethods,suchasIncrementalConductancemethod、P&
Omethod.Andthenpresentsthreeimprovedmethods:
OpenCircuitmethod、OptimalGradientmethod、Three-PointWeightComparisonmethod.Thesemethodseachhashisstrongpointandcanbeusedindifferentfield.
Secondly,thispaperanalysesthecomposingofthePVsystem.ItiscomposedbyPVarray、powerelectronicsconverters、powerstoragesystemandloads.
Keywords:
Photovoltaiccell；
MPPT；
P&
Q,；
IncrementalConductancemethod,；
Fuzzycontroller；
MATLAB/SIMULINK.
摘要（中文）…………………………………………...……………………………………...I
（英文）………………………………………………...…………………………….…..II
1．5本文的主要内容及章节概述2
第二章光伏电池特性的研究4
2.1.2光伏电池的工作原理4
2．3．2光伏电池的特性分析9
2．4小结12
3．2常用的最大功率点跟踪算法14
3．2．1爬山法（P＆O）14
3．2．2爬山法仿真结果及其分析17
3．2．3导纳增量（IncrementalConductance）法18
3．2．4导纳法仿真结果及其分析20
3．3优缺点分析21
3．3．1爬山法分析21
3．3．2导纳法分析21
4．5小结26
第五章总结与展望..............................................................................................28
参考文献30
第1章绪论
1.1本文的研究目的和意义
1.1.1研究目的
在目前所有可再生绿色能源中，太阳能公认是利用最灵活，最可行的一种能源，面对着能源危机，研发成本的的限制等问题、如何最大化的利用太阳能光伏发电系统发的电具有深远的意义。
要保证光伏发电系统的高效运行，需快速准确地进行最大功率点跟踪（MPPT），目前很多常用最大功率点跟踪方法都存在一定缺陷，从而导致光伏系统的功率较低，为此本文研究了几种常见的光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法，比较其各自的优缺点，为选取跟踪方法提供理论依据。
1.1.2研究意义
能源是国民经济发展的命脉，是人民生活所必须的产物，其在现代工业生产、社会生活中占有重要地位。
有专家曾预言21世纪将是能源战争的年代，随着化石能源（石油，煤炭）的逐步消耗，能源危机已展现在全人类面前，太阳能作为一种巨量的可再生能源，开发和利用丰富的太阳能可以缓解目前的能源危机。
面对能源危机，当前世界各国都在新能源的开发方面投入巨大的人力、物力、财力，其中以太阳能开发利用投入最大，当今世界正围绕太阳能展开了一场科技革命。
虽然太阳能发电还没有真正进入普及阶段，但它的发展是一个必然的趋势，因为它的优点很多。
首先，太阳能是可再生能源，取之不尽，用之不竭；
其次，太阳能是一种清洁绿色的能源，对环境无污染，适宜大力普及。
1.2光伏阵列最大功率点跟踪研究的背景及其发展现状
随着全球经济的发展，能源问题日益严重，越来越多的国家关注新能源的利用，随着常规能源（石油，煤炭）的消耗量日益增大，生态环境问题日益严重，迫使世界各国必须寻找一种新型的可持续利用能源代替传统能源[6]。
太阳能,风能，地热能已经得到了广泛的认同，而在这其中，太阳能毫无疑问处于突出的位置，世界各国都投入巨大的人力，物力，财力争相发展这一清洁能源，它们的利用方向涵盖发电，取暖，供水等各领域。
在某些领域，太阳能的利用已日渐成熟，甚至进入实用阶段。
当太阳能的利用普及面的增加，摆在我们面前很现实的问题是如何提高太阳能的利用效率，由于太阳能的初期投入很大，要想得到价值的同等回报，提高系统效率势在必行。
这就是本文的出发点。
当前制约太阳能发展的因素主要有两点：
（1）初期投入较大；
（2）太阳能光伏电池的转换效率低，目前我们较多使用的光伏电池效率普遍在15%左右，即使世界上较先进的光伏电池只有在较特殊的实验条件下的效率也仅为40%左右[6]，因此光伏电池最大功率跟踪就十分重要，长期以来本课题也是学术界研究的热点。
1.3本文主要的研究内容
光伏电池输出的最大功率岁外界的条件变化而变化，影响最大功率点的主要因素是温度和光强的随机变化。
为了使系统能随外部条件的变化而自我调节，从而达到提高光伏阵列输出最大功率的目的，采取的措施是实时跟踪阵列的最大功率点。
本文以独立的光伏发电系统为研究对象，利用MATLAB为工具。
通过仿真比较目前常用的跟踪方法的各自特点。
为在不同环境下选取跟踪方法提供理论依据。
1.4实现方法及预期目标
本文采用理论结合实际的方法，先简要分析光伏系统的组成，各模块的工作原理，然后利用仿真软件对系统参数，实时曲线进行模拟得到实验数据，分析实验数据，验证理论的合理性。
具体步骤如下：
（1）建立太阳能电池物理模型，分析计算电特性。
在MALTAB环境下建立动态仿真模型该模型具有最大功率点跟踪的功能，改变各种参数，比较各种算法。
（2）分析光伏电池的输出特性利用MATLAB建立光伏电池模型奠定最大功率点跟踪的基础，分析各种最大功率点跟踪方法的优缺点。
1.5本文主要章节概述
本文基于MATLAB环境下对光伏阵列的最大功率点跟踪，以便阵列在外部环境不断变化的情况下仍能保证系统以最大功率输出。
论文的主要内容及安排如下：
第一章本章在广泛阅读当前太阳能最新技术文献的基础上介绍太阳能发电的现状、前景以及目前制约太阳能普及的因素，简要介绍本文的研究的背景，目的，方法以及预期的目标。
第二章本章节着重介绍太阳能技术的核心部件——光伏电池。
在科学技术飞速发展的今天，光伏电池的更新换代也更加快速。
简要介绍了光伏电池的特点及分类依据，在了解光伏电池工作原理的基础上介绍它的输出特性。
通过改变温度，光强的外界因素模拟仿真其输出的变化，得到影响其工作的最主要因素。
第三章本章在了解光伏电池基本电气特性的基础上介绍光伏阵列最大功率点跟踪的常用方法（爬山法、导纳增量法），通过设置参数，利用MTLAB实现仿真，经过示波器观察波形，得到基本的实验结论，从而比较两者各自的优缺点。
第四章本章节主要介绍模糊控制器的基本原理，简单介绍了3种常用的模糊控制方法：
查表法、软件模拟推理、公式解析法。
分别推理了它们的算法。
另外还介绍了一种改进的最大功率点跟踪方法--自适应占空比模糊控制法，简述了改进的依据，方法，优点。
将模糊逻辑控制应用于光伏电池最大功率点的跟踪不仅跟踪迅速，而且到达最大功率点后基本没有波动，即具有良好的动、稳态性能自适应占空比。
第五章总结本论文所获得基本结论，同时指出文章存在的不足。
展望了未来太阳能的发展前景以及将来太阳能技术的发展趋势。
第二章光伏电池特性的研究
作为能直接将太阳能转换为电能的光伏电池越来越受到人们的重视，其在光伏发电系统中占有重要地位。
其特点包括：
重量轻，寿命长，使用方便，能抗击各种振动，其在各种电池中是污染最小，市场前景最好的电池。
因此本文首先简要介绍光伏电池的电气特性。
光伏电池多采用半导体材料。
随着科学技术的发展，光伏电池的种类已相当繁多，但无论采用何种材料生产光伏电池，它们的共同特点是：
材料的禁带不能太宽；
要有较高的光电转换效率；
材料本身对环境不造成巨大的污染；
材料适合大规模的生产，最重要的是要有较强的稳定性[4]。
2．1光伏电池的工作原理
光伏发电的核心要解决的是怎样将太阳能转换为电能。
光伏电池就是这一核心部件，它的原理是利用半导体的光伏效应（光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象）制成的，它是一种能将太阳能辐射能直接转换成电能的转换器件。
由若干个光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若将若干个组件合成一定规模的光伏阵列，配套使用储能、测量、控制等装置，即构成光伏发电系统。
2.1.1P-N结简介
当今社会多数电子产品都是由介于导体和绝缘体之间的半导体材料制成，首先我们有必要介绍一下半导体材料及P-N结的基本原理。
现在大多数半导体材料为硅晶体，当掺入三价元素杂质时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴，同理当掺入五价的元素时便多了一个电子。
当P型半导体与N型半导体结合后，在其交界处便出现了电子和空穴的溶洞的差别，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，由于电子空穴都是带电的着用就在空间电荷区形成了一个内电场，
势垒电场的又对多数载流子（N区的电子和P区的空穴）的扩散运动起阻碍作用。
进入P区的电子和进入N区的空穴在内建电场的作用下，带负电的电子受到被拉回N区的力作用，带正电的空穴则受到被拉回到P区的力作用。
这种载流子在势垒电场作用下的运动成为漂移运动。
漂移流正好和上述交界面的扩散流方向相反。
扩散运动和漂移运动共存，在一定的温度和光照下，这两种作用相互矛盾又相互联系的统一在一个整体内，最后达到平衡，这就是P-N结的形成过程。
光伏电池正是利用了光激发少数载流子通过P-N结而发电的。
2.1.2光伏电池的工作原理
光伏电池的基本原理就是利用半导体材料的光伏效应。
在无光照的条件下，PN结内部形成内部电场，当光照在PN结附近时，当光子能量hv≥E时在结区附近就产生少数载流子（电子，空穴对）这些载流子在结区外考扩散进入结区，在结区内在电场的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。
使得N区带负电荷，P区带正电荷，就产生了附加电动势，这就是光伏效应。
图2.1光伏电池的工作原理
2．2光伏电池的电气特性
2．2．1光伏电池输出特性方程
光伏电池在原理上等效为一个二极管[4]，其等效电路如图2.2所示。
图2.2光伏电池等效电路图
根据基尔霍夫电流定律可得光伏电池的输出特性方程：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
其中公式中的参量代表的具体意义详见表2.1。
通常情况下讨论实际等效电路时，是在忽略Rs或Rsh的影响下进行电路分析，从上述公式中我们可以发现：
电阻Rs越大，短路电流会越小，但不会对开路电压造成大的影响；
电阻Rsh越大，开路电压会变小，但不会对短路电流造成大的影响。
同时，我们可以发现输出电流对输出功率的影响程度较大，加上影响开路电压的因素除了Rsh外还有流过二极管的电流值，因此R是影响光伏发电比较重要因素。
因此，在后面的讨论中我们将忽略Rsh，从而可以得到简化的光伏电池输出特性方程如下：
（2-4）
表2．1光伏电池等效模型参数解析
符号
描述
单位
数值
I
光伏电池输出电流
A
V
光伏电池输出电压
IOS
光伏电池暗饱和电流
T
光伏电池表面温度
°
K
波尔兹曼常数
J/°
1.38×
10¯
23
Q
单位电荷
C
1.6×
19
K1
短路电流的温度系数
A/°
λ
日照强调
W/m²
ISC
标况下光伏电池短路电流
ILG
光电流
EGO
半导体材料的禁带宽度
J
A.B
理想因子，一般介于1和2之间
Tr
参考温度
301.18
Ior
Tr下的暗饱和电流
Rsh
光伏电池的并联等效电阻
Ω
Rs
光伏电池的串联等效电阻
2．2．2光伏电池与光伏阵列的组成关系
光伏电池组（Module）是由许多小单位的光伏电池经由并联或串联组合所组成的[10]。
；
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。
而电池串联组合的特点是可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压因此，合理的对电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。
我们可以得到光伏电池模组的输出特性方程：
（2-5）
上式中,np、ns分别代表模组中并联、串联光伏电池的个数。
同理，光伏阵列是由许多小单位的模组通过并联或串联组合而成的。
表2．2SiemensSP75在标准测试条件下的参数
电气特性
规格
额定输出最大功率Pmax
75（W）
额定电流Im
17（A）
额定电压Vm
4.4（V）
短路电流Isc
21.7（A）
开路电压Voc
4.8（A）
短路电流温度系数
2.06（mA/°
C）
开路电压温度系数
-0.77（V/°
NOCT（NOrmalOPeratingCellTemPerature）
45±
2（°
本文将以德国Siemens公司生产的SP75型号的光伏电池为例子简要讨论光伏电池的特性，表2.2列出了该型号模组的各项参数。
它由36个单结晶矽光伏电池串联而成，，根据公式（2-5），得到该型号光伏电池模组的输出特性方程：
（2-6）
考虑温度和太阳辐射影响时：
（2-7）
其中：
（2-10）
得到上式后用SIMULINK对该光伏电池模组进行仿真，并对仿真结果进行简要的分析。
2．3光伏电池的仿真实现
2．3．1仿真原理与模型
在公式（2-6）中有C1、C2,下面对这两个未知量分别进行讨论[5]，分别建立模型。
1，求解未知量C1
其中
（2-11）
按公式（2-7）可以创建C1的子模块
图2.3子模块C1模型图
2，求解未知量C2
（2-12）
按公式（2-8）可以创建C2的子模块
图2.4子模块C2模型图
得到上式两个未知量后，根据公式（2-6）即可实现该型号5光伏电池模组的建模，如图2.5。
采用V、T、λ作为输入，I、P（输出功率P=IV）作为输出。
输入变量V在0～30V之问，模拟温度T=25℃、日照强度A在200～1250W／㎡，得到光伏电池模组的，I-V、P-V关系如图2.6；
模拟温度T在20～l00℃、日照强度λ=750W／㎡时，电池模组的I-V、P-V的关系如图2.7。
2．3．2光伏电池的特性分析
光伏电池是利用太阳能发电，因此其必然会受到外界因素的影响。
其中最主要的因素是温度、光强[4]。
从上面的仿真结果可对光伏电池的特性进行简要的分析。
分析结果如下：
从图2.6可以看出，当温度不变，光强变大，光伏电池模组的开路电压不变，短路电流增大，导致输出功率变大。
而且，从P一V曲线图可以得出，最大输出功率点几乎落在同一根垂直线的两旁的附近处。
结论是当温度一定时，光伏电池输出电压保持恒定且为在某一光强下相应于最大功率点处的电压，则不管日照量如何变化，光伏电池可大致保持在该温度下的最大功率输出。
从图2.7可以看出，当光强一定时，温度增加，光伏电池开路电压会下降，短路电流略有上升，输出功率减小。
而且，从P-V曲线图可以看出，对应于温度的变化，最大功率点几乎成线性变化。
温度的上升，会造成光伏电池输出功率的减小，因此外界温度环境会直接影响到光伏电池的工作效率。
图2.5光伏电池模型
圈2.6在大气温度固定（25℃），不同日照强度下，光伏模组对日照量变化的特性曲线图：
（a）光伏模组的输出电流与输出电压的关系图；
（b）光伏模组的输出功率与输出电压的关系图。
（a）
（b）
图2.7在日照强度固定（750W／㎡），不同大气温度下，光伏模组对温度变化的特性曲线图：
（b）光伏模组的输出功率与输出电压的关系图
从上面得到的已知的实验图形我们可以得出，光伏电池的特性具有明显的非线性，即：
光伏电池的输出功率取决于电池的端电压、外界因素（温度，光照强度）。
比较它们的曲线变化我们可以观察到，随着太阳照射强度的增大，光伏组件的短路电流增加，同时最大输出功率也增加。
另一方面，同时通过比较我们可以发现，随着工作温度的升高，光伏电池的短路电流增加而最大输出功率减小。
2．4小结
太阳能由于其独特的利用价值。
利用光伏电池将太阳能转换为电能。
而光伏电池的输出受到电池表面温度、光强等外界环境因素的影响，但输出的非线性使系统必须做出改进。
为了最大化的利用太阳能，必须保证一定的转换效率，克服外界因素的改变对系统的影响，我们采用最大功率点跟踪的方法从而减少能源上的浪费[8]。
当前有很多点跟踪的方法，它们各有优缺，如何根据具体环境具体选取跟踪方法，这是本文下一章研究的重点。
第三章最大功率点跟踪算法的研究
由于太阳能发电具有安全、环保、可持续性等优越性，越来越来受到人们的重视，毫无疑问，其在未来的电力系统中占有不可比拟的地位。
在上一章中提出影响光伏发电效率的最大因素是外界环境的变化，温度和光强的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。
同时，光伏电池具有转换效率较低、成本昂贵，初期投入较大等客观问题的存在。
因此，提高光伏发电的转换效率是必然趋势，解决的途径之一是在光伏电池与负载间加最大功率点跟踪装置，保证实时跟踪最大功率点[3]。
下面本文将介绍最大功率点跟踪的基本原理及两种常用的跟踪方法。
3．1光伏系统的最大功率点跟踪
由上一章的分析可以得到在一定的温度和光强条件下的输出特性，如图3．1所示，（a）光伏电池的输出电流与输出电压关系图；
（b）光伏电池的输出功率与输出电压关系图。
图3.1（a）光伏电池I-V关系图
图3.1（b）光伏电池P-V关系图
从上图中可以看出：
在给点的温度和光强条件下，光伏系统具有唯一的最大功率点，高效利用太阳能的前提是尽量是系统充分保持在最大功率点下工作，但是在外界环境因素非常规变化时，最大功率点也会随之改变，更加不确定的是在不同地区环境各不相同，不解决好这一问题，将极大限制太阳能的广泛普及。
因此，在设计系统时应充分考虑最大功率点的跟踪问题，根据实时的外部环境，都能保持系统的自适应性。
另一方面我们可以由图发现，负载对最大功率的影响，这启发我们可以通过负载的改变来适应外部环境因素的变化，找到合适的负载使系统工作在最大功率点处。
最大功率点工作的基本思想就是寻找负载匹配的过程。
3．2常用的最大功率点跟踪算法
目前常用的光伏电池最大功率点跟踪算法已相当繁多，随着科学技术的进步，必将产生更多更先进的方法，由于本人能力及文章篇幅所限，不便赘述，本文只是基于前人的研究成果简要较少两种简单常用的方法，分别为爬山法和导纳法[10]。
下文将就这两种最大功率点跟踪算法分别说明其工作原理，并比较各自的优缺点。
3．2．1爬山法（P＆O）
由于爬山法独特的特点（结构简单，需测量的参数较少）使其成为目前使用频率较高的跟踪方法。
其基本原理概括的说就是通过改变输出电压，给其一个小的电压分量，通过电压分量来寻找功率的改变方向，如果功率增大，继续增加该电压分量，如果功率减小，则改变增量方向。
通过与未加增量前的功率的比较找到功率变化的方向。
图3.2扰动观察法跟踪情况示意图
图3.2具体说明了这个寻找最大功率点过程，假设起始工作点在V1，此时的功率为P1，然后给一个电压增量△V，设V2=V1+△V，V2点的功率为P2，比较P1P2的大小，由图知P2大于P1，及功率是增大的，继续赋予增量△V，到达P3，同理功率继续增大，当继续赋予增量时功率到达P4，功率值变小，说明最大功率点在P3P4之间，重复进行赋予增量的步骤，只到找到最大功率点。
图3.3为扰动法的控制流程图。
图3.3爬山法的控制流程图
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