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1、本科毕业设计（论文）光伏最大功率点跟踪比较研究*燕 山大 学2012年6月本科毕业设计（论文）光伏最大功率点跟踪比较研究专业：电气工程及其自动化学生姓名：*学号：*指导教师： *答辩日期：2012年6月17日 燕山大学里仁学院毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院系级教学单位：电气工程及自动化学号*学生姓名*专 业班 级里仁应电2班题目题目名称光伏最大功率点跟踪比较研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（
2、） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 学习光伏电池的原理，建立其数学模型。2. 根据数学模型建立其Matlab仿真模型。3. 分析研究最大功率跟踪技术，比较三种最大功率点跟踪技术。4. 根据输入电压：150250VDC，输出电压：400VDC；，设计Boost变换器电路参数，完成系统最大功率跟踪仿真对比研究。基本要求1. 完成最大功率跟踪运行的仿真实验；2. 完成毕业设计任务书一份；3. 完成电路设计图纸（A0）一份。参考资料1. 电力电子技术期刊2. 电工技术学报期刊3. 中国电机工程学报期刊4. 开关电源原理及应用 蔡三宣 机械工业出版社周 次第1 4 周第 5 8 周第 9 1
3、2周第1315周第1618周应完成的内容查阅相关文献资料，学习和掌握光伏电池的基本工作原理。建立其数学模型和仿真模型，学习Matlab仿真软件。利用Matlab进行仿真模型的验证和最大功率跟踪仿真。完成系统的仿真实验，整理设计结果。撰写毕业设计论文，绘制设计图纸，毕业答辩。指导教师：*职称：实验师 2012年1月 6 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要随着各种能源的枯竭，太阳能作为一种新型能源越来越收到了人们的重视。目前光伏电池板的价格比较高，转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。本文着重对光伏工作原理及工作特性和最大功率点跟踪控
4、制技术进行了详细的理论分析，在Matlab/Simulink建立了仿真模型，提出了相应的控制策略，并进行了验证。首先，分析了太阳能电池板的工作原理以及工作特性，对于不同环境和不同日照强度下的太阳能电池，输出特性曲线也不相同，在Matlab/Simulink中对其进行了仿真，得出了光伏电池在不同光照，不同环境温度下的P-V和I-V曲线，验证了太阳能电池的非线性。其次，介绍了恒电压控制法、爬山法法和电导微增法三种最大功率点跟踪原理以及常用的几种跟踪方法，通过对这几种常用控制方法的研究对比找出其运行中存在的优缺点，并对原有的爬山法进行改进。在Matlab/Simulink中建立三种MPPT控制技术，
5、爬山法、改进爬山法和电导微增法了三种方法仿真模块。再次，研究Boost变换器及PWM的原理，计算能够满足本设计需要的Boost的参数，并在Matlab/Simulink中建立了Boost电路及PWM的模块。在Matlab/Simulink建立爬山法和以及改进的爬山法，电导增量法这三种方法整体仿真模型，并进行仿真，都实现了最大功率跟踪的目的，然而三种控制MPPT算法各有其优缺点，应根据不同场合采用不同算法。关键词光伏发电；最大功率点跟踪;Boost变换器；Matlab/Simulink仿真。I摘要Abstracthis paper focuses on photovoltaic principl
6、e and operating characteristics and maximum power point tracking control techniques carried out a detailed theoretical analysis, simulation model, a corresponding control strategy in Matlab / Simulink, and verified.First, analysis of the operating principles and operating characteristics of the sola
7、r panels, solar cells under various environmental conditions and sunlight intensity, the output characteristic curve is not the same, its simulation in Matlab/Simulink, come to the photovoltaic cells PV and IV curves in a different light, ambient temperature, verify that the nonlinear solar cells.Se
8、condly, this paper introduces the constant voltage control method, climbing method method and electric conductivity small increase method three most high power point tracking principle and commonly used several tracking method, through the common control method of the study compared to find out thei
9、r advantages and disadvantages of existing in the operation, and the original mountain climbing method to improve. Matlab/Simulink established in the three MPPT control technology, mountain climbing method, improve mountain climbing method and the method of increasing the conductance three methods s
10、imulation module.Again, research and the principle of PWM Boost converter, can satisfy the design calculation of the need to Boost parameters, and in Matlab/Simulink Boost circuit and build a PWM module.Finally, in Matlab/Simulink establish mountain climbing method and the method of climbing and imp
11、rovement, conductivity incremental approach the three methods to the whole simulation model, and the simulation, has realized the most power tracing purpose, however three control MPPT algorithm each have its advantages and disadvantages, should be based on different occasions by different algorithm
12、s.KeywordsPV systems; Maximum Power Point Tracking (MPPT);Boost converter; Matlab/Simulink SimulationI目录摘要IIAbstractII目录II第1章绪论21.1 课题背景21.2 课题国内外现状21.3 本课题的主要研究内容2第2章光伏电池的原理及特性研究22.1 概述22.2 太阳能光伏电池的分类22.3 光伏电池的工作原理22.4 光伏电池的模型和工作特性22.5 环境因素对光伏电池输出特性的影响22.6 光伏电池的建模及仿真22.6.1 光伏阵列的数学模型22.6.2 仿真曲线结果22.
13、7 小结2第3章光伏电池最大功率点跟踪问题的研究23.1 最大功率点跟踪的原理23.2 常用最大功率点的几种控制实现方法的分析和比较23.2.1 恒电压控制法23.2.2 爬山法23.2.3 改进爬山法23.2.4 电导增量法23.3 本章小结2第4章最大功率跟踪系统的硬件设计24.1 Boost电路的设计24.1.1 Boost电路原理24.1.2 小功率光伏电池的系统参数设计24.1.3 Boost电路在Simulink中的实现24.2 PWM模块在Simulink中的实现24.2.1 PWM概述24.2.2PWM在Simulink中的模块搭建24.3 小结2第5章最大功率跟踪的实现25.
14、1 爬山法的实现25.2 进爬山法的实现25.3 电导增量法的实现25.4 光伏电池阵列25.5 大功率光伏系统的参数设计25.5 大功率光伏系统的仿真25.7 小结2结论2参考文献2致谢2附录12附录22附录32附录421第1章绪论第1章 绪论1.1 课题背景随着石油和煤等能源的渐渐枯竭，能源危机在人们面前已经慢慢的展现出来。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年，石油可采量为39.9年。可见，化石能源的可采量己经是屈指可数了，中国的能源资源储量情况更是危机逼人，按着2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。中
15、国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8%，水资源占36.5%，原油占3.4%，天然气占1.3%。我国能源经济可开发剩余可开采储量的资源保证程度仅为129.7年。由此可见，除了太阳能以外，中国各种一次能源资源均在世界平均水平以下，中国的面临着更严重的能源挑战。资源的枯竭，使太阳能发电越来越收到了人们青昧。其原因主要是与其它发电系统相比太阳能发电系统，具有如下优点1.只要有太阳，就有太阳辐射能，该能源取之不尽、用之不竭、清洁无公害。2.太阳能静止、安全卫生，对环境无污染，不损害生态环境。3.维护简单、易于实现自动控制和无人值守。4.发电系统的规模不论大小，发电系统的效率都保持一定，并且可以
16、任意扩大其规模。5.太阳能电池具有微型组建结构，便于连续自动化生产，随着需要量的大幅度增加，其价格将会迅速下降。6.太阳散射光也可发电，可以自由选择系统的安装地点。这些优点都是常规发电和其他发电方式不能与之相比的。然而目前光伏发电还存在着成本较高，有效工作时间较低，输出特性受外界环境影响大等缺点。因此我们需要对光伏的最大功率点进行跟踪，使用MPPT控制技术，实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作情况下阵列可能的最大功率输出并进行跟踪。这样即使光伏电池的结温升高或是太阳光照减少使阵列的输出功率减少，系统仍可以运行在当前工况下的最佳状态，使光伏方阵输出由光电转换获得的最大功率，
17、能够充分地利用太阳能电池的能量，提高系统的整体效率，对于降低光伏发电成本，提高能源的利用率，具有重要的意义。1.2课题国内外现状由于，国外先于拥有光伏发电技术，并投入了大量的资金和技术，因此光伏产业在国外发展迅速 。国际上太阳能电池的研究与发展具有领先地位的主要是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。为了减少投资，为了最高效率地利用太阳能，他们拥有娴熟的最大功率点跟踪技术。经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，目前国内已有许多文献针对太阳能电池最大功率点跟踪的问题进行了讨论，常见的几种方法有：恒定电压法、爬山法、改进爬山法、电导增量法、最优梯度法、功率回授法、
18、滞环比较法等。 1.3 本课题的主要研究内容本论文主要研究内容有以下几个方面:1.对太阳能电池的工作原理及其特性，电池组件和太阳能电池阵列特性进行研究分析。了解光伏电池的输出特性因受光伏电池自身参数、温度、光照强度等条件的影响，具有非线性，并在Matlab/Simulink中建立了光伏数学模型，对其进行仿真，得出了光伏电池在不同光照，不同环境温度下的P-V和I-V曲线，验证了太阳能电池的非线性。2.分析现有太阳能光伏发电系统电池阵列最大功率点跟踪的各种控制算法:研究它们各自的最大功率跟踪控制原理，比较分析各自优缺点。并对原有的爬山法进行了改进，从理论上分析可行性。在Matlab/Simulin
19、k中建立三种MPPT控制技术，爬山法、改进爬山法和电导微增法了三种方法仿真模块。3.系统的硬件设计：介绍Boost电路，PWM波的工作原理和特性。大功率光伏发电系统的硬件实现。并对Boost变换器参数进行分析，并在功率点附近。如果此时电压继续增大，则输出功率下降，因此MPPT会减小输Matlab/Simulink中建立Boost电路模块，根据Boost电路原理图，建立Boost电路中MOSFET的PWM脉冲触发电路模型。4.根据光伏阵列的数学模型，在Matlab环境下建立光伏阵列的计算机仿真模块。建立分别基于爬山法、改进的爬山法以及电导增量法的光伏发电最大功率跟踪的仿真模型，根据仿真的结果，并
20、比较分析这三种方法实现MPPT的各自的特点。第2章光伏电池的原理及特性研究第2章 光伏电池的原理及特性研究2.1概述光伏电池的输出特性受光伏电池自身参数的影响，也受温度、光照强度等条件的影响。这就使得光伏电池的输出功率，随着外界的条件变化而变化。提高太阳能光电转换效率的方法主要有两种：一是提高太阳电池阵列自身的光电转换效率，这主要是对太阳电池的材料进行研究。另一种是对光伏电池阵列的输出电流和电压进行跟踪，使系统保持工作在最大功率点附近。研究MPPT控制技术的前提是，了解和掌握光伏电池的工作原理及其输出特性。本章介绍了光伏电池的种类、工作原理和输出特性，最后对光伏电池的输出特性进行了仿真。2.2
21、太阳能光伏电池的分类目前硅系太阳能电池作为应用主流的太阳能电池，它有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。从寿命和稳定性来看，硅晶体系列的单晶硅和多晶硅制成的太阳能电池有非常稳定输出特性，而非晶硅太阳能电池板经过阳光照射后很容易老化。硅晶系列的模块上安置了横向细电极和纵向粗电极，呈特殊的梳状。合理的电极设置一方面可以降低串联电阻，另一方面还可以减少遮光面积。单晶硅的变换效率约为15%-17%，多晶硅的变换效率约为12-14%，非晶硅的变换效率约为6-10%，单晶硅一般将纯硅拉制成圆柱棒，然后切成薄片，为提高受光面积，可将圆片切割成长方形，最后制成模块，而多晶硅材料因已经铸成一块立方体，故模块的往往呈正方体
22、。非晶硅太阳能电池板的最大优点是外形似薄膜，在质膜时可以自由控制其电流与电压，达到用户要求的输出功率，由于存在特制的透明电极以及孔，故能透过光线，作为建筑物的窗玻璃使用。2.3 光伏电池的工作原理光伏电池发电的原理是光生伏打效应，光伏电池是应用P-N结的光伏效应(Photovoltaic Effect)将太阳的光能转变成电能的。当太阳光照射到太阳能电池上时，光能被电池吸收，产生光电子一空穴对。在电池内电场的作用下，空穴和光生电子被分离，电池两端积累异号电荷，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳
23、的光能就变成了可以使用的电能。当阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导带，产生一个电子-空穴对。随即势垒电场将电子-空穴对分离，电子和空穴被分别推向N区和P区，并向P-N结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时，受势垒电场的作用，空穴留在P区，电子留在N区，形成内建电场。而由于内建电场的作用，N区中的空穴和P区中的电子被分别推向对方区域，使N区积累了过剩的电子，P区积累了过剩的空穴，即在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会产生电流流出。如图2-1所示：图2-1 光伏电池的工作原理图2.4光伏电池的模型和工作特性为了将光伏电池
24、工作的过程，以及影响光伏电池工作效能的因素搞清楚，必须通过等效电路模拟来进行分析。由于P-N结势垒区较强的内建静电场存在，因而能在光照下形成短路电流Isc、开路电压Voc、电流密度J。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出，当光照恒定时候，由于光生电流Iph不随光伏电池的工作状态而变换，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。Rsh是由PN结生产制造过程中产生的，与外部参数无关，一般阻值很大，负载端电压反作用于光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时，肯定会引起电池板的内部损耗，故引入一般很小的串联电阻Rs，大约在10
25、-3欧至几欧之间。光伏电池的等效电路如图2-2所示。图2-2 光伏电池的等效电路光伏电池的输出特性方程为：（2-1）式中，I为光伏电池输出电流(工作电流);V为光伏电池输出电压(工作电压); Iph为光生电流;Io为反向饱和电流(对于光伏单元而言，其数量级为10-4A);为二极管结电流; q为电子的电荷量(1.6 10-19C)；Rs为光伏电池的串联电阻(小于1)为二极管特性因子；k为玻耳兹曼常数(1.38e-23 J/K)；T为光伏电池温度；Rsh为光伏电池的并联电阻(数量级为K)太阳能电池板选购时要考虑好它的规格，主要是它的外型尺寸以及特性参数。太阳能电池的特性参数主要包括:1开路电压(V
26、oc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。2短路电流(Ioc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。3最大功率点电压(Um)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。4最大功率点电流Im )：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。5最大功率点功率(Pm )：在给定日照和温度下太阳能电池阵列可能输出的最大功率。太阳能电池的工作特性为非线性，光伏电池的输出功率取决于太阳辐照度和光伏电池工作的环境温度，因此太光伏电池的测量须在标准条件下进行，测量标准为光谱辐照度1000W/m；光伏电池温度25。主要用它的I-V和P-V特性曲线来描述如图2-3所示。图2-3光伏电池的I-V和P-V曲线
27、2.5环境因素对光伏电池输出特性的影响光伏电池是光伏发电系统中的核心组成部分，由于光伏电池的特性所限，其受外部因素的影响很大。光照强度和电池温度是影响光伏电池输出特性的最关键因素。在光照强度不变的条件下，不同温度时光伏电池的I-V、P-V输出特性曲线如图2-4所示。由图2-4(a)I-V曲线图可见，在固定日照强度下，当温度升高时光伏电池的开路电压会有较大下降。由P-V曲线图知，输出功率会随温度升高略微减少，而所能输出的最大功率值也会随着温度的递增而递减。对应于温度变化，最大功率值也会呈现线性变化。电池温度的上升会造成光伏电池输出功率的减少。在温度不变的条件下，不同日照强度下光伏电池的I-V、P
28、-V输出特性曲线如2-5所示。(a)I-V特性曲线(b) P-V特性曲线图2-4不同温度下光伏电池的输出曲线(a) I-V特性曲线(b) P-V特性曲线图2-5不同光照强度下太阳电池的输出曲线由2-5(a)I-V曲线图可见，光伏电池的的电流与光照强度成正比，随着光照强度的变大而变大。由2-5(b)P-V特性曲线图可以看出，光伏电池的功率是随着光照强度的变大而变大。2.6 光伏电池的建模及仿真2.6.1光伏阵列的数学模型由于现有硅太阳能电池工程数学模型精度不高，方法不够简单化，容易出错的缺点，基于硅太阳能的理论数学模型，本文提出一种改进的硅太阳能电池非线性工程简化数学模型。该模型是利用Matla
29、b/Simulink工具，在光伏电池物理数学模型的基础上，建立的一种简洁光伏电池仿真模型。该模型忽略一些次要因素的影响根据厂商提供的多晶硅太阳能电池最为参考，下面给出S=1000W/m2,T=25测试条件下的四个电气参数，即短路电流Isc=4.75A、开路电压Voc=21.75V、最大功率点电流Im=4.515A和最大功率点电压Vm=17.25V。首先给出仿真模型的数学表达式为：(2-1)(2-2)(2-3) (2-4)(2-5)(2-6)(2-7)式中，Isc，Voc，Im，Vm为4个标准参考计数值；Sref为太阳光强参考值为1000W/m2；Tref电池参考温度，为25C；S，T为任意太阳
30、光强和电池温度；S1，T1，C1，C2，D均为中间变量；，为补偿系数，=0.0054，=0.21。太阳能电池模型内部结构如图2-6所示图2-6太阳能光伏模型2.6.2仿真曲线结果由图2-6得到该模型的仿真曲线（仿真采用变步长算法ode45tb，仿真时间为40秒，设最大步长为0.1）。在温度T=25C时，测得光照强度为1000W/m2，800W/m2，600W/m2，400W/m2，200W/m2时的光伏阵列电池I-V、P-V曲线如图2-7，2-8所示：图2-7光伏电池的I-V曲线图2-8光伏电池的P-V曲线在光照强度为S=1000W/m2，测的温度分别为10，25，40，55，70时光伏阵列电
31、池I-V, P-V曲线如图2-9，2-10所示： 图2-9 光伏电池的I-V曲线 图2-10 光伏电池的P-V曲线由图2-7，图2-8可知，在温度不变的情况下，随着光照强度的不断升高，最大功率点也逐渐增大。由图2-9，图2-10在光照强度不变的情况下，随着温度的升高最大功率点在逐渐减小。该光伏电池的仿真模型在光伏电池温度、光照强度发生变换时，均可以比较准确的模拟太阳能的实际输出特性。它不仅可以作为研究光伏电池稳态输出特性的有效工具，同时又为研究整个光伏发电系统的动态瞬时特性提供了前提和基础。2.7小结本章主要介绍了光伏电池的基本工作原理以及工作特性，对不同环境及不同日照强度下的太阳能电池，输出
32、特性曲线不同，表明了太阳能电池的非线性。同时，为了实现对光伏电池最大功率跟踪控制技术的仿真研究，建立了光伏电池的Matlab/Simulink仿真模型，最终的仿真结果证明，该模型可以正确模拟出光伏电池的输出特性，为下一步研究光伏电池的最大功率跟踪打下了基础。31第3章光伏电池最大功率点跟踪问题的研究第3章光伏电池最大功率点跟踪问题的研究3.1最大功率点跟踪的原理在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，提高太阳能光伏电池的转换效率是要提高整个系统的效率必要条件，使其输出功率为最大功率，然而，太阳能光伏电池的I-V特性具有非线性，并且它随着外界环境(日照强度、温度)总存在着一个最大功率点
33、如图3-1所示，在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电流和输出电压之间具有非线性的关系，并且具有唯一的一个最大功率点。在光伏发电系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，即光伏电池在最大功率点处工作，从而提高光伏电池的转换效率，达到充分利用太阳能的目的。然而当日照强度或者电池表面温度等因素又是因地区而异，有时甚至是瞬息万变的。因此，如何在时刻变化外界环境下，使光伏电池维持在最大功率点处，成为光伏发电系统中的一个急需解决又很重要的问题。图3-1光伏电池的输出电压与输出电流的关系图在实际应用中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的高效应用带来了困难。另外，光伏系
34、统的负载可能是交、直流电机，蓄电池等设备，也可能是直接并网，甚至是这些负载之间的投切转换。正是由于诸多的难以预知因素影响着光伏阵列的输出，使得光伏发电系统中必须有一个适配器，来协调电源和负载，使系统一直处于高效、稳定的工作状态，时刻为负载提供由光电转换所得到的最大功率，以提高太阳能的利用率。最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）控制器即为满足以上要求的适配器。它的工作过程为：由于光伏电池阵列的输出电压Ub、输出电流ib和内阻r也处于不停变化之中。只有使用DC/DC变换器实现负载的动态变化，才能保证光伏电池始终输出最大功率。通过实时监测光伏电池的
35、输出电压和输出电流，两者相乘得到当前的功率，与前一时刻的功率相比较，调节PWM的占空比，从而使光伏电池始终工作在最大功率点。如果当前功率点在最大功率点左侧，则MPPT控制器通过调节PWM占空比，增大输出电压，使功率点右移，然后不断与光伏电池的特性曲线相比较，使功率点最终到达最大功率点附近。如果此时电压继续增大，则输出功率下降，因此MPPT会减小输出电压，使其控制在最大功率点附近，以达到最大功率输出。如果当前功率点在最大功率点右侧，则MPPT控制器通过调节PWM占空比，减小输出电压，使功率点左移，使功率最终到达最大功率点附近。3.2 常用最大功率点的几种控制实现方法的分析和比较由于光伏电池具有明
36、显的非线性特性，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪。目前，最大功率点跟踪的方法有很多，如恒定电压控制法，爬山法，改进爬山法，电导微增法，模糊控制法，滞环比较法等。本文主要对恒定电压控制法，爬山法，改进爬山法，电导微增法这三种方法进行了分析。其中爬山法和电导增量法事两种应用广泛的方法，爬山法被测参数少、结构简单，而电导增量法在迅速变化外界环境里，其动态性能和跟踪方面比爬山法好，但是这两种方法都存在一个共同的缺点，即步长是固定的，如果步长过大，就会导致系统振荡加剧，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间的滞留在低功率输出区。针对这一缺点提出了变步长寻优法，当
37、距离最大功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点，当距离最大功率点较远时，步长取大，寻优速度加快，当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作。3.2.1恒电压控制法在光伏电池温度一定时，光伏电池的输出P-V曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。将光伏电池输出电压控制在该电压处，此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。恒电压控制法的示意图见图3-2。图3-2恒电压控制法的示意图恒定电压方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，系统不易出现振荡，易于实现且成本较低等优点，但是太阳能电池最大功率点电压约为其开路电压的76%，这种方法的误差很大，控制精度差，还有这种跟踪方式忽
38、略了温度对太阳能电池开路电压的影响，以单晶硅为例，温度每升高1度时，其开路电压下降率为0.35%-0.45%，这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也随着环境温度的变化而变化，对于四季温差或者日温差比较大的地区，恒定电压方式并不能在所有的温度环境下完全的跟踪最大功率。如果仍然采用恒定电压，控制策略就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。恒电压控制法：最为简单、易于实现。环境快速变换时，系统不能自动地跟踪到太阳能电池的另一个最大功率点，有较大的功率损失。由于该方法简单并存在一定的缺点，本文并未对该方法在MPPT/Simulink进行仿真，只是进行了简单的分析和介绍。3.2.2 爬山法目前实现MPP
39、T常用的方法是爬山法，其实现简单，所需检测的参数少,它寻找最大功率点的方向是通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来实现的。其原理是先扰动输出电压值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值比较，如果功率值减小，则表示扰动方向错误，朝相反的方向扰动，如果扰动后功率值大于扰动前的值，则往相同的方向扰动。图3-3爬山法跟踪原理图3-3所示，首先假设光伏电池工作电压可控制为逐渐增大，刚开始时光伏电池工作于Pn点上，由于工作电压的增大，下一时刻工作点移至Pn+1，此时有PnPn+1，在此情况下，我们通过改变工作电压的变化方向(即使其转变为逐渐减小)，工作点则从另外一个方向向峰顶爬升，如此反复控制光伏电池工作点
40、电压的改变，从而实现工作点最终稳定工作于最大功率点附近。具体的流程图如图3-4所示。图3-4爬山法流程图从图中可以看出：在功率比较之后，再判断电压的变化，确定调整电压V，然后再进行比较，以确定电压的增减。扰动观察法简单易懂，实现起来比较容易，只要进行简单的运算和比较即可，因此是一种较为常用的方法。其具体工作方法如下：首先测取两次光伏电池的输出电压和电流，计算出两次的功率，若P0，则工作点位于最大功率点Pmax左侧，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整，增大输出电压。爬山法实质上是一个自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功
41、率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停的周而复始，便可使阵列动态的工作在最大功率点上。此方法的优点是容易实现，算法简单，到达最大功率点附近之后，会在其左右振荡，造成能量损耗，但对于快速变化光强的环境容易产生错误的跟踪，功率损失较大。有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现“误判”。图3-5爬山法的误判原理通过图3-5可以看出，在光强变化快速的情况下，假定系统一开始工作在S1曲线上1点，由于扰动的作用，这时工作点向右移动到了S2曲线上的2点，并且P2P1，系统便认为此时最大功率点应该在2点的右边，仍向右调节工作点。如果光强按着此趋势不断的快速变化下去，则系统继续向右调节来寻找最大功率点。这
42、样工作点便越来越偏离最大功率点，这种情况一直持续到光强变化缓慢或者停止变化，系统才能逐渐把工作点调整回最大功率点上。根据爬山法的逻辑流程图，选择好实现判断和分支的模块，在Simulink中搭建该方法的模块如图3-6：图3-6 Simulink中的爬山法模块搭建电压信号和电流信号在输入到MPPT模块之后，首先通过零阶保持器，目的是把信号传递过程中第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。Memory模块的作用是在下一个脉冲信号到来之间保持本次脉冲信号的值。电压信号与电流信号相乘之后得
43、到当前功率P(k)，P(k)与P(k-1)的值相减之后的信号和电压信号V(k)与V(k-1)的信号相减以后的信号，通过Sign模块判断两信号的正负，如正则输出1，如负输出-1，如为0则输出0。得出的两个信号相乘之后判断正负，同号则在当前占空比D减去D；异号则在前占空比D加上D；相乘为零则不改变当前占空比D。D的值可在模块中设定。3.2.3 改进爬山法针对爬山法的振荡，跟踪速度慢，提出改进的爬山法:对于Boost (3.1) (3.2)通过给占空比D一个增量D，则Ppv有Ppv的增量，D与Ppv的关系如表3-1所示，另外，采用变步长的方式可以更快更稳定的跟踪太阳能板的输出最大功率点，其中D1为粗
44、调，本文设为0.01,为细调，D2本文设为0.001。表3-1改进爬山法的算法逻辑对应表情况PpvD变化趋势100+D1200-D130-D2400+D2具体的流程图如图3-7所示:图3-7改进爬山法的流程图改进的爬山法不会出现误判，波动幅度小，提高了跟踪效率；所以针对这个采用一种变步长的方式，当V离Pm较远时，系统跟踪的步长较大，当V离Pm较近时，系统跟踪的步长较小，通过设置合适的参数，就可以快速跟踪光伏电池的输出，还可以降低成本，是一种不错的跟踪方法，根据改进爬山法的逻辑流程图，选择好实现判断和分支的模块，在Simulink中搭建该方法的模块如图3-8： 图3-8Simulink中的改进爬
45、山法模块搭建电压信号和电流信号在输入到MPPT模块之后，首先通过零阶保持器，目的是把信号传递过程中第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。Memory模块的作用是在下一个脉冲信号到来之间保持本次脉冲信号的值。电压信号与电流信号相乘之后得到当前功率P(k)，P(k)与P(k-1)的值相减之后的信号和占空比D(k)与D(k-1)的信号相减以后的信号相乘，通过Sign模块判断正负，如正则输出1，如负输出-1，如为0则输出0。得出的两个信号相乘之后判断正负，并采用不同的步长，如果P(k)
46、与P(k-1)的值为正,则采用大步长D1，如果P(k)与P(k-1)的值为负，则采用小步长D2，当同号且P(k)与P(k-1)的值为正，则在当前占空比D减去D1；异号且P(k)与P(k-1)的值为正则在前占空比D加上D1；当同号且P(k)与P(k-1)的值为负，则在当前占空比D减去D2；异号且P(k)与P(k-1)的值为负则在前占空比D加上D2相乘为零则不改变当前占空比D。3.2.4电导增量法电导增量法的工作原理是通过调整工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现的，而电导增量法则避免了爬山法的盲目性，它能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系，是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量的方法来完成最大功率点跟踪的功能。从图3-9所示:光伏阵列的电压功率
