基于MATLAB光伏电池最大功率点跟踪算法的研究.docx
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基于MATLAB光伏电池最大功率点跟踪算法的研究
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且价格昂贵，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，提出了相应的控制策略，并进行了实验验证。
首先，本文对光伏发电系统的组成进行了分析，光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。
根据光伏发电系统和电网的关系，还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。
然后，本文对光伏电池的电气特性进行了分析，并建立了光伏电池的仿真模型。
同时，本文对常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法：
导纳增量法（IncrementalConductance）、扰动观测法（P&O）进行了仔细的分析，并提出了改进的方法：
通过模糊控制实现占空比跟踪的方法。
这些方法各有千秋，在不同的应用场合各有所长。
关键词：
光伏电池；最大功率点跟踪；爬山法；电导增量法；模糊控制；MATLAB/SIMULINK仿真；
ABSTRACT
Withthegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic（PV）arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayhaverelativelylowconversionefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,weshouldcontrolthePVsystemeffectively.ThispaperfocusesonMPPTcontroltechniquesofPVarray,analysesthetheoryparticularly,establishessimulationmodelwithMATLABsoftware,presentscontrolstrategiesrelevantly,andvalidatedbyexperimentalresults.
Firstly,thispaperanalysesthecomposingofthePVsystem.ItiscomposedbyPVarray、powerelectronicsconverters、powerstoragesystemandloads.WecandividethePVsystemintotwotypes:
stand-alonePVsystemandgrid-connectedPVsystembytherelationshipwiththegrid.
Secondly,thispaperanalysestheelectricalcharacteristicsofPVcellandestablishessimulationmodel,andalsoanalysescommonlyusedMPPTmethods,suchasIncrementalConductancemethod、P&Omethod.Andthenpresentsthreeimprovedmethods:
OpenCircuitmethod、OptimalGradientmethod、Three-PointWeightComparisonmethod.Thesemethodseachhashisstrongpointandcanbeusedindifferentfield.
Keywords：
Photovoltaiccell，MPPT，P&Q,IncrementalConductancemethod,Fuzzycontroller，MATLAB/SIMULINK.
目录
摘要（中文）…………………………………………...……………………………………...
（英文）………………………………………………...…………………………….…..
第一章概述1
1．1研究背景1
1．2研究现状1
1．2．1光伏电源系统1
1．2．2最大功率点跟踪1
1．2．3电力电子仿真工具1
1．3研究内容2
1．4研究意义2
1．5实现方法及预期目标3
第二章光伏电池特性的研究3
2．1光伏电池的分类3
2．2光伏电池的工作原理4
2.2.1P-N结简介4
2.2.2光伏电池的工作原理5
2．3光伏电池的电气特性5
2．3．1光伏电池输出特性方程5
2．3．2光伏电池模组与阵列7
2．4光伏电池的仿真实现8
2．4．1仿真原理与模型8
2．4．2光伏电池的特性分析10
2．5小结13
第三章最大功率点跟踪算法的研究13
3．1光伏系统的最大功率点跟踪13
3．2常用的最大功率点跟踪算法15
3．2．1爬山法（P＆O）15
3．2．2爬山法仿真结果及其分析18
3．2．3导纳增量（IncrementalConductance）法19
3．2．4导纳法仿真结果及其分析21
3．3优缺点分析22
3．3．1爬山法分析22
3．3．2导纳法分析22
3．4小结22
第四章自适应占空比扰动模糊控制法23
4．1模糊控制的基本原理23
4．2模糊控制规则库的建立23
4．3模糊控制算法23
4．3．1查表法23
4．3．2软件模糊推理法24
4．3．3解析公式法24
4．4自适应占空比法24
4．4．1自适应占空比扰动模糊控制法24
4．4．2算法的思路25
4．5小结27
第五章总结与展望28
5．1总结28
5．2展望28
参考文献29
致谢
参考文献
第一章概述
1．1研究背景
随着全球经济的发展，能源问题日益尖锐，越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。
随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。
太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位，世界各国都投入大量的人力、物力、财力争相发展。
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。
因此我们可以看出光伏电池的设计有着广阔的前景和意义。
限制光伏系统的主要因素有两点：
⑴初期投资比较大；⑵太阳能光伏电池的转换效率低。
目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右，即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%，因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要，所以长期以来都是学术界研究的热点。
1．2研究现状
1．2．1光伏电源系统
常用光伏电源系统主要有直流系统和交流系统。
光伏电池将吸收的光能转换成电能且通过供电控制器供给负载用电。
光伏电源系统具有以下优点：
（1）用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式，光伏电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料；
（2）太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用：
（3）不包含任何运转部件，系统可连续工作，使用寿命超过数十年；
（4）具有良好的模块化特点，可根据负载当前需求具体定制，将来再扩容；
（5）太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定；
（6）无需为揍入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。
除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。
在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失，而太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。
1．2．2最大功率点跟踪
光伏电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说都采用一个变换装置，使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态，再使它向负载供电，即所谓的最大功率跟踪器。
目前，最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动与观察法和增量电导法。
根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法，其中现今最常用的为扰动观察法和增量电导法，但这两种方法在实际应用中仍然存在着很多问题。
1．2．3电力电子仿真工具
目前，在应用较广泛的电力电子仿真软件中，Pspice是应用较多的一种。
Pspice最大的优点就是能够把仿真与电路原理图的设计紧密的结合在一起。
Pspice广泛应用于各种电路分析，可以满足电力电子电路动态仿真的要求。
Pspice的元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。
但是在Pspice的模型库中，没有电机、电路断路器、电涌放电器和晶闸管等电力系统和电力驱动的专用模型，为了对电力系统进行仿真，用户必须利用Pspice中现有的元件来构造所需模型，这样就会费时费力。
Pspice的仿真数据处理量庞大，仿真和处理速度墁。
输出数据格式和兼容性差，这些也限制了Pspice的应用。
Saber是一种功能更为强大的电子和电力仿真软件，它可以仿真电力电子元件、电路和系统；不仅具有Pspice的功能，还能结合数学控制方程模块实现仿真。
Saber的仿真结果真实性好．与Pspice类似。
但Saber的数据处理量也相当庞大，仿真的处理速度墁。
Saber软件价格高，使用时烦琐复杂，不利于推广应用，较适合于大企业应用。
MATLAB是美国MathWork公司自1984年开始推出的一种使用简便的工程计算语言，是当今最流行的科学技术软件，MATLAl3仿真技术已渗透到工程技术及物理实验等各个领域，可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。
Simulink（DynamicSystemSimulationSoftware）是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
使用simulink来建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统），将是一件非常轻松的事。
它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图。
它和MATLAB的无缝结合使得用户可以利用MATLAB丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。
在对电力电子进行仿真过程中，主要用到了simulink里的特殊工具库——电力系统模块，它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析，功能十分强大。
1．3研究内容
光伏电池输出最大功率因受到外界条件影响而产生变化，影响最大功率点的因素主要是光强和温度等因素。
当外界因素发生变化时，利用光伏发电最大功率跟踪实时跟踪光伏方阵的最大功率点，使得光伏方阵能以最大的功率输出，可以提高系统的输出。
以独立光伏发电系统为研究对象，采用MATLAB/SIMULINK从系统的参数选择、拓扑结构、控制策略、最大功率跟踪等方面进行最大功率跟踪方法研究。
最终达到基于MATLAB/SIMULINK，实现恒定电压法、爬山法、改进爬山法等算法，并比较其优劣的目标。
1．4研究意义
太阳能丰富、清洁、安全、方便，是目前广泛探索并得到-定发展的-种可再生能源。
然而，由于太阳能的波动性和随机性，联合发电系统输出的电能波动很大。
随着这种分布式并网电站的容量越来越大，太阳辐射的波动引起的系统运行状态的瞬态变化以及这种变化对网络内部和对电网的影响不容忽视。
所有光伏系统都希望太阳能光伏阵在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，这也就在理论上和实践上提出太阳能光伏阵的最大功率点跟踪（MPPT，MaximumPowerPointTracking）问题。
MPPT的实现实质上是-个寻优过程，即通过控制光伏阵端电压，使光伏阵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。
太阳电池阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。
为此，太阳电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格相对昂贵更加速了人们对这-问题的研究。
近年来，国外已相继开发出-些模拟光伏发电系统性能的大型工具软件包，例如TRNSYS（瞬态系统仿真软件）。
然而这样的工具软件包价格不匪，大部分光伏系统设计人员无法使用到这样的软件工具；另-方面，作为商业机密，模拟光伏系统所使用的模型和参数也未被公开。
在国内，对于光伏发电最大功率跟踪研究较多，例如：
陈进美和陈峦进行的太阳能光伏发电最大功率点间接跟踪算法研究，采用了比较可行的方法，针对太阳能发电最大功率传统跟踪算法的跟踪对象为光伏阵列的输出功率，通过改变跟踪对象，提出了参数跟踪法、双电压跟踪法等MPPT间接跟踪算法，并且结果表明，控制有效。
目前，最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动与观察法和增量电导法。
根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法，其中现今最常用的为爬山法和恒压法，但这两种方法在实际应用中仍然存在着很多问题。
1．5实现方法及预期目标
首先通过对太阳能电池的物理模型和电特性的分析计算，建立了太阳能电池的数学模型，并结合s函数，在Matlab／Simulink环境下建立其动态仿真模型。
考虑到太阳能的波动性和随机性对太阳电池阵列的影响，该模型具有最大功率点跟踪（MPPT）功能。
通过对各种算法的比较，最大功率点的跟踪采用干扰观测法。
模型还需考虑工作温度、太阳辐射强度、太阳电池串并联数、太阳电池模块参数对太阳电池阵列的影响。
分析光伏电池的输出特性，用MATLAB／SIMULINK建立光伏电池模型，为最大功率点跟踪控制算法的研究奠定基础：
分析现有最大功率点跟踪控制算法爬山法和恒压法的工作原理及优缺点，保证跟踪的动稳态性能：
将模糊逻辑控制技术应用于光伏电池的最大功率点跟踪，并给出模糊控制器的设计过程，运用MATLAB／SIMULINK进行仿真，使用仿真结果验证算法的控制性能，给出测试波形并进行必要的分析。
第二章光伏电池特性的研究
太阳能发电是提供新能源和减少环境污染的有效手段之一。
大规模的光伏发电，不但达到绿色环保的目的，而且对克服我国能源紧张问题具有重大意义。
太阳能光伏电池因为实现了直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。
它具有重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动等优点。
可以说在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是光伏电池。
因此，光伏电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
本章2.1节介绍了光伏电池的分类；2．2节介绍光伏电池工作原理；2．3节介绍光伏电池的电气特性，给出其输出特性方程，并对光伏电池模组和阵列作简单地介绍；2．4节用SIMULINK建立光伏电池模型，并对仿真结果进行分析；2．5节小结以上内容。
2．1光伏电池的分类
光伏电池多用半导体固体材料制造，也有用半导体加电解质的光化学电池，发展至今也已种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，他们对材料的一般要求是：
半导体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污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。
光伏电池按电池结构和材料分类形式可以分为：
1、按电池结构分类
①同质结光伏电池。
指在相同的半导体材料（除了其中含有少量的杂质外）上构成一个或多个P-N结的光伏电池。
②异质结光伏电池。
指在不同禁带宽度的半导体材料相接的界面上构成一个异质P-N结的光伏电池。
③肖特基结光伏电池。
指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池（又称为MS光伏电池）。
④薄膜光伏电池。
指利用薄膜技术将很薄的半导体材料铺在非半导体的衬底上而构成的光伏电池。
⑤叠层光伏电池。
指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。
⑥湿式光伏电池。
指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。
2、按电池材料分类
①硅形光伏电池。
包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。
其中：
单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光伏转换效率最高，可达20%左右，但成本比较昂贵；多晶硅材料晶体方向无规律。
由于在这种材料中的正、负电荷有一部分会因为晶体晶界连接的不规则性而损失，所以不能全部被P-N结电场所分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低，但多晶硅光伏电池成本较低；非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式，其造价廉价，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表，计算器等的电池。
②非硅半导体光伏电池。
主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池，硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用。
③有机光伏电池。
主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。
2．2光伏电池的工作原理
光伏发电应用首要解决的是怎样将太阳能转换为电能。
光伏电池就是利用半导体光伏效应制成的，它是一种能将太阳能辐射能直接转换成电能的转换器件。
由若干个这种器件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功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制等装置相配套，即构成光伏发电系统。
2.2.1P-N结简介
当导电类型不同的P型半导体和N型半导体紧密接触在一起，在交界面上就会出现电子和空穴的浓度差，N区电子浓度高，P区空穴浓度高，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
扩散流的强弱正比于电子和空穴的浓度差。
在扩散作用下，N区的一部分电子进入P区，P区得一部分空穴进入N区，结果在交界面附近，P区一边因失去了带正电的空穴和接受了带负电的电子，呈现负电性；N区一边因失去带负电的电子和接受了带正电的空穴，而呈现正极性。
由于正负电荷的相互吸引，在P区和N区的交界面附近形成一个空间电荷区，并产生一个称为势垒电场的内建电场，其方向从带正电荷的N区指向带负电荷的P区，这就是通常所说的半导体P-N结。
势垒电场的建立反过来又对上述多数载流子（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。
2.2.2光伏电池的工作原理
光伏电池是不加偏置的P-N结器件，如图2.1所示，当入射光子能量hv≥E时，半导体中原子就因吸收光子能量而产生电子——空穴对。
在势垒区内建电场作用下，P区光生电子进入N区，在N区边界积累；N区光生空穴进入P区，在P区边界积累。
于是在P区和N区间建立光生电动势，它的方向与内建电场相反。
光生载流子的运动，由于中和掉部分空间电荷，使PN结势垒减低，引起正向注入。
当光生电流，：
和正向电流JF大小相等时，对应一定的势垒高度（％一y）。
这个电压V，相当于P区相对N区有一个电压，它就是光生电压。
接通外电路，只要保持光照，就会有电流不断地流过负载R，这个效应就是光伏效应，是光伏电池的基本原理。
图2.1光伏电池的工作原理
2．3光伏电池的电气特性
2．3．1光伏电池输出特性方程
光伏电池相当于具有与受光面平行的极薄PN截面的大面积的等效二极管，其等效电路如图2.2所示。
图2.2光伏电池等效电路图
由图2-1中电流的流向可得光伏电池的输出特性方程：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
上述三个公式的参数解析详见表2.1。
一般讨论实际等效电路时，可忽略Rs或Rsh对光伏电池等效电路进行分析可以发现：
串联电阻Rs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Rsh越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。
在发电效率上，似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了Rsh外还包括二极管的电流值，因此R。
对光伏电池的发电效率的影响较为明显。
因此，在下面的讨论中将忽略Rsh，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式2-4。
（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
V
IOS
光伏电池暗饱和电流
A
T
光伏电池表面温度
°K
K
波尔兹曼常数
J/°K
1.38×10¯23
q
单位电荷
C
1.6×10¯19
K1
短路电流的温度系数
A/°K
λ
日照强调
W/m²
ISC
标况下光伏电池短路电流
A
ILG
光电流
A
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
°K
301.18
Ior
Tr下的暗饱和电流
A
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
Ω
2．3．2光伏电池模组与阵列
光伏电池模组（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。
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：
（2-5）
其中,np、ns分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。
同样，光伏电池阵列（Array）是由许多小单位的模组经由并联或串联组合所组成的。
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/°C）
NOCT（NOrmalOPeratingCellTemPerature）
45±2（°C）
表2.2列出了德国Siemens公司生产的SP75型号的光伏电池模组的各项参数。
它由36个单结晶矽光伏电池串联而成，根据公式（2-5），设在参考条件下Isc为短路电流，Voc为开路电压，Im、Vm为最大功率点电流和电压，则当光伏电池阵列电压为V，得到该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：
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