太阳能光伏发电最大功率跟踪点的研究与分析毕业设计.docx

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太阳能光伏发电最大功率跟踪点的研究与分析毕业设计

毕业设计（论文）

太阳能光伏发电最大功率跟踪点的研究与分析

二〇一三年五月二十四日

摘要

在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青睐，但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低，价格昂贵，所以光伏发电系统的初期投入较大。

为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。

本文着重对光伏阵列的各种最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析，建立了MATLAB仿真模型进行了实验验证。

首先，本文介绍了光伏发电技术的背景及意义，国内外光伏发电技术的现状及发展趋势，目前国内外光伏发电存在的问题，并简对光伏发电最大功率点跟踪进行了简要的概述。

然后，本文对光伏电池的工作原理和电气特性进行了分析，介绍了光伏电池的分类，并建立了光伏电池的仿真模型。

光伏电池是光伏发电系统的重要组成部分，介绍光伏电池对研究最大功率点跟踪具有重要意义。

再者，对光伏发电中的关键技术之一的光伏阵列最大功率点跟踪控制（MPPT）技术，做了详细的分析。

对常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法：

恒定电压法（CVT）、导纳增量法（IncrementalConductance）、扰动观测法（P&O）进行了仔细的研究，还有新兴的神经网络法和模糊控制法进行了仔细的分析，这些方法各有千秋，在不同的应用场合各有所长。

最后，在理论分析的基础上，给出了系统的硬件设计，详细介绍了DC-DC转换电路中的Boost升压变换电路的工作原理，以及其仿真波形，还有正弦波逆变器的SPWM波形产生电路的工作原理，最后通过MATLAB/SIUMLINK对该其中的一种算法进行了仿真验证。

关键词：

太阳能、光伏电池、最大功率点跟踪、仿真

Abstract

Withthegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic（PV）arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayhaverelativelylowconversionefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,ThispaperfocusesonMPPTcontroltechniquesofPVarray,analysesthetheoryparticularly,andvalidatedbyexperimentalresults.

Firstly,thispaperintroducesthebackgroundandsignificanceofphotovoltaicpowergenerationtechnology,Problemsexistinginthephotovoltaicpowergenerationathomeandabroad,AndJanetothephotovoltaicmaximumpowerpointtrackingtoabriefoverview.

Secondly,thispaperanalysestheelectricalcharacteristicsofPVcell,introducestheclassificationofthephotovoltaiccellsandestablishessimulationmodel,Photovoltaiccellsisanimportantpartofphotovoltaicpowergenerationsystem,introducephotovoltaiccellsisofgreatsignificancetothestudyofmaximumpowerpointtracking.Forcommonlyusedmaximumpowerpointtracking（MPPT）methodsandnewcontrolmethodwehaveacarefulstudy.Suchasconstantvoltagemethod,IncrementalConductancemethod,P&Omethod,Neuralnetworkmethod,andfuzzycontrolmethod.Thesecomeindifferentmethods,intheirdifferentapplicationoccasions.

Basedontheoreticalanalysis,givesthesystem'shardwaredesign,introducestheoperatingprincipleoftheDC-DCconversionandtheBoostcircuit,lastbutnotthe　least,thealgorithmissimulatedinMatlab/Simulink.

Keywords：

Thesolarenergy、Solarcells、maximumpowerpointtracking（MPPT）control、simulation

第1章绪论

1.1课题背景

在全世界的能源结构中，我们使用的不可再生能源石油、煤炭和天然气所占的比例大于80%，随着全球工业化的快速发展、人口增长和社会生活水平的提高，世界面临着能源需求不断增长的巨大挑战，这与能源的日益枯竭形成了鲜明的对比。

目前世界上常规能源的储量有的只能维持半个世纪（如石油），最多的也能维持一、两个世纪（如煤）人类生存的需求。

而世界人口已经突破60亿，比上个世纪末期增加了2倍多，而能源消费据统计却增加了16倍。

而且这些化石燃料的燃烧向大气中释放了大量的二氧化碳、二氧化硫等有害气体，此类气体的排放不仅对自然环境造成严重的污染，并且给人类赖以生存的生态环境带来了巨大的灾难。

能源工业面临经济增长与环境保护双重压力。

能源问题、环保问题是当今世界各国面临的重大问题之一。

从经济的可持续发展和保护生存环境的角度出发，加快步伐寻找清洁、环保的可再生能源，积极地走一条新能源的可持续发展之路，已成为世界性问题，具有重大的战略意义。

根据21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查研究显示，石油可开采的年数为39年、天然气可开采为61年、煤炭为可采量为220年，世界范围内的石油消耗增长率约为2%，在这个增长速度下，2050年时的石油消费量将是现在的一倍，所有的石油能源将会短短的40年内消耗殆尽。

随着我国经济发展、人口增加和社生活水平的提高，赖以生存的能源同样面临着更加严峻的挑战。

表1.1我国能源剩余资源探明储量和开发年限

我国可开发能源总储量约占世界总量的10.1%，但我过国人口众多，使得人均能源资源占有量远低于世界平均水平。

化石燃料的使用引发的又一重大问题就是环境污染和生态失衡。

化石燃料的大量燃烧产生的温室气体，对大气环境和生态系统产生了极其严重的影响。

在过去的100年里，全球平均气温上升了2～5℃，导致南北两极常年冰封的融化，全球海平面平均上升了10～25cm。

目前，有些岛国已经受到海平面升高的影响，致使家园迁移。

由能源短缺引发的问题也越来越突显，能源短缺和能源配置问题导致局部冲突和战争随时爆发，环境污染的加剧也导致了很多新的社会问题的出现。

经贸的全球化，废物垃圾越境转移问题表现突出，环境污染呈现国际化的新趋势。

常规能源在给人类带来高度发达的物质文明的同时，也在极大程度上使人类面临着前所未有的灾难。

随着全球经济的发展、能源和环境问题日益尖锐，太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐进入人们的视线。

研究和实践表明，太阳能直接辐射地球的能量丰富分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际公认的理想替代能源。

太阳能清洁、无污染，并且取之不尽，用之不竭，因此越来越受到人们的关注。

而且随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的不断进步，太阳能光伏发电得到了巨大的发展，成为目前利用太阳能的主耍方式之一。

欧洲联合研究中心（JRC）对光伏发电的未来发展作出如下预测：

2020年世界太阳能发电的发电量占世界总能源需求的1%，2050年占到20%，2100年则将超过50%。

所以光伏发电有着非常广泛的应用前景，是人类实现可持续发展的重要途径。

1.2国内外光伏发电概况

1.2.1国外光伏发电发展情况

美国、欧洲、日本等发达国家和发展中国家都为自己制定了一系列光伏发展策略和激励政策，使光伏发电产业成为世界光伏发电市场的主要增长点，全球总装机容量逐年递增。

美国实施“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年，总装机容量达到3025MW，完成100万套太阳能屋顶的安装，产生相当于3～5座大型火力燃煤电站产生的电能。

同时，美国参议院在2010年批准了可再生能源税收激励法案，将关键的可再生能源电力行业的税收激励政策延期一年，这项议案的通过为光伏产业的发展拓展了道路。

新世纪初，苏格兰发布了一项新的太阳能光伏计划，苏格兰南方能源公司免费将太阳能光伏系统安装在居民屋顶，以光伏发电系统在屋顶上保留25年作为交换条件，使国民免费享受光伏发电产生的电能。

2002年，日本的光伏电池生产总量在短短10年的时间就超过了美国，已达到254.5MW，并且以48.6%的增长速度快速增长，计划到2010年，一半以上的新居屋顶将安装太阳能光伏系统，总容量达到600MW。

印度提出的“国家太阳能计划”，将在2013年实现130万千瓦的太阳能装机容量，2017年在增加1000万千瓦，最后到2022年，达成太阳能装机总量2000万千瓦的终极目标。

印度国家火电公司也将以长期购买太阳能光伏电力，光伏发电产生的电能将足以满足100万户家庭的用电。

根据欧洲JRC机构对未来几十年能源结构的预测，到2030年，可再生能源在能源总结构中占到30％以上，而光伏发电在电力供应中应达到10％以上，2040年，可再生能源在能源总结构中占到50％以上，光伏发电占电力供应的20％以上，到2l世纪末，可再生能源应占到80％以上，光伏发电占到60％以上，显示出光伏发电在能源总结构发展战略中的重要地位。

由此可见太阳能光伏发电是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。

1.2.2国内光伏发电发展情况

我国太阳能产业起步比较晚，虽然集热器安装量在世界上排行第一，但是技术含量和集热效率方面普遍较低，因此国外在太阳能热水系统应用上的大量的实践与研究经验是值得我们去学习和思考，然后进一步去探索，以提高我国光伏发电技术和产业的水平，缩短我国光伏发电制造业与国际水平的差距。

进入21世纪后，我国出台而来一系列的优惠政策来鼓励和促进光伏产业的发展，使得我国的光伏产业的道路越走越远，光伏发电技术水平也有了显著提高。

据统计，我国在1995年的时候年装机量就只有1550W，累计安装总量也只有6630W，但是到了2002年我国的年装机量有了20300W多，到了2008年光伏安装总量更是达到40MW，累计安装总量达到了140MW。

由国家发改委制定的《中国可再生能源开发战略规划（2006—2020年）》，给出了我国在可再生能源和新能源方面中长期发