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1、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
2、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（Incremental Conductance）、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；ABSTRACTWith the green and renewable energy be widely used, solar energy is accepted commonly because of its unusu
3、al advantages. But the output of photovoltaic(PV) array is influenced by the environmental factors, and PV array have relatively low conversion efficiency and is expensive. In order to reduce the overall system cost and extract the maximum possible solar energy, we should control the PV system effec
4、tively. This paper focuses on MPPT control techniques of PV array, analyses the theory particularly, establishes simulation model with MATLAB software, presents control strategies relevantly, and validated by experimental results.Firstly, this paper analyses the composing of the PV system. It is com
5、posed by PV array、power electronics converters、power storage system and loads. We can divide the PV system into two types: stand-alone PV system and grid-connected PV system by the relationship with the grid.Secondly, this paper analyses the electrical characteristics of PV cell and establishes simu
6、lation model, and also analyses commonly used MPPT methods, such as Incremental Conductance method、P&O method. And then presents three improved methods: Open Circuit method、Optimal Gradient method、Three-Point Weight Comparison method. These methods each has his strong point and can be used in differ
7、ent field.Keywords：Photo voltaic cell，MPPT，P&Q , Incremental Conductance method, Fuzzy controller，MATLAB/SIMULINK. 目 录摘 要（中文）.I （英文）.II第一章 概述111 研究背景112 研究现状1121 光伏电源系统1122 最大功率点跟踪1123 电力电子仿真工具113 研究内容214 研究意义215 实现方法及预期目标3第二章 光伏电池特性的研究321光伏电池的分类322 光伏电池的工作原理42.2.1 P-N结简介42.2.2 光伏电池的工作原理523 光伏电池的电气特
8、性5231 光伏电池输出特性方程5232 光伏电池模组与阵列724光伏电池的仿真实现8241仿真原理与模型8242 光伏电池的特性分析1025 小结13第三章 最大功率点跟踪算法的研究1331 光伏系统的最大功率点跟踪1332 常用的最大功率点跟踪算法15321 爬山法(PO）15322 爬山法仿真结果及其分析18323导纳增量（Incremental Conductance）法19324导纳法仿真结果及其分析2133 优缺点分析22331爬山法分析22332导纳法分析2234 小结22第四章 自适应占空比扰动模糊控制法2341 模糊控制的基本原理2342模糊控制规则库的建立2343模糊控制算
9、法23431查表法23432软件模糊推理法24433 解析公式法2444 自适应占空比法24441 自适应占空比扰动模糊控制法24442 算法的思路2545小结27第五章 总结与展望2851总结2852展望28参考文献29致谢 参考文献 30第一章 概述11 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
10、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：初期投资比较大；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。 12 研究现状121 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
11、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。122 最大功率点跟
12、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。123 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
13、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P spice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
14、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(Dynamic System Simulatio
15、n Software)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。13 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
16、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。14 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
17、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，Maximum PowerPoint Tracking)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
18、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
19、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。15 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MatlabSimulink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
20、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MATLABSIMULINK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MATLABSIMU LINK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
21、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；22节介绍光伏电池工作原理；23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；24节用SIMULINK建立光伏电池模型，并对仿真结果进行分析；25节小结以上内容。21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
22、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 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。 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。 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）。 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
23、的衬底上而构成的光伏电池。 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。 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 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
24、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。 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。 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。22 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。2.2.1
25、 P-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
26、-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hvE时，
27、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23 光伏电池的电气特性231 光伏电池输出特性方程 光伏电池相当于
28、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
29、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21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AV光伏电池输出电压VIOS光伏电池暗饱和电流AT光伏电池表面温度KK波尔兹曼常数J/K1.381023q单位电荷C1.61019K1短路电流的温度系数A/K日照强调W/mISC标况下光伏电池短路电流AILG光电流AEGO半导体材料的禁带宽度JA.B理想因子，一般介于1和2之间Tr参考温度K301.18IorTr下的暗饱和电流ARsh光伏电池的并联等效电阻Rs光伏电池的串联等效电阻232 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
30、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22 Siemens SP75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Pmax75（W）额定电流Im17（A）额定电压Vm4.4（V)短路电流Isc21.7(A)开路电压Voc4.8(A)短
31、路电流温度系数2.06(mA/C）开路电压温度系数-0.77（V/C)NOCT(NOrmal OPerating Cell TemPerature)452(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： （2-7） （2-7） （2-10）下面将运用SIMULINK对该光伏电池模组进行仿真，并对仿真结果进
32、行分析。24光伏电池的仿真实现241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进行讨论，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其中 （2-12）按公式（2-8）可以创建C2的子模块图2.4子模块C2模型图完成上述两个未知量的求解，根据公式（2-6）即可实现Siemens SP75光伏电厂模组的建模，如图2.5。采用V、T、作为输入，I、P(输出功率P=IV)作为输出。输入变量V在030V之问，模拟温度T=25、日照强度A在2001250W，得到光伏电池模组的，I-V、P-V关系如图2
33、.6；模拟温度T在20l00、日照强度=750W时，电池模组的I-V、P-V的关系如图2.7。242 光伏电池的特性分析光伏电池利用太阳能发电，因此其输出电流、输出电压自然受到外界气候因素如温度、日照强度等的影响， 根据simulink的仿真结果可对这一特性进行分析。从图2.6可以看出，当温度不变，日照强度变大，光伏电池模组的开路电压不变，短路电流增大，从而输出功率变大。并且，从P一V曲线图可以看出，最大输出功率点Pmax几乎落在同一根垂直线的两侧邻近处。即当温度一定时，光伏电池输出电压保持恒定且为在某一日照强度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
34、大功率输出。这正是恒电压跟踪方式CVT的理论依据。可见，日照强度的大小是影响光伏电池功率输出的重要因素。 从图2.7可以看出，当日照强度一定时，温度增加，光伏电池开路电压有所下降，短路电流略有上升，因此输出功率减小。并且，从P-V可以看出，对应于温度的变化，Pmax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，因此工作环境的温度将会直接影响到光伏电池的效率。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(7
35、50W)，不同大气温度下，光伏模组对温度变化的特性曲线图：(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）从上面的图形我们可以总结出，光伏电池的非线性表现的很明显，即：光伏电池的输出电流和输出功率取决于电池的端电压、温度以及太阳照射强度。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。其原因是：开路电压与太阳能照射强度成对数上升而短路电流只与太阳能照射强度成正比。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。因为输出电流的增加远小于电压
36、的下降，所以在高温下净功率有所减小。25 小结太阳能作为绿色能源，取之不绝、用之不尽。光伏电池利用太阳光发电，将太阳能转换为电能，输出功率。光伏电池的输出受到电池表面温度、日照强度等外界环境因素的影响，且具有明显的非线性。因此，当外界因素发生变化时，光伏电池很难保证最大功率的输出，从而造成能源上的浪费。光伏电池转换效率低成为光伏系统的一个主要问题。因此，如何进一步提高光伏电池的转换效率，即如何跟踪光伏电池的最大功率点，一直是光伏系统研究的重要方向。第三章 最大功率点跟踪算法的研究光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越来受到关注，在未来的供电系统中占有重要的地位。在前一章中
37、提到光伏发电存在的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。并且，光伏电池转换效率低、价格昂贵。初期投入较大。因此，充分利用光伏电池所产生的能量是光伏发电系统的基本要求。要解决此问题可在光伏电池与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏电池始终能够输出其最大功率， 以提高太阳能的利用率。在最大功率点跟踪系统中，确立一个好的算法是其中的关键，在智能控制发展的如火如茶的今天，利用智能控制方法上的模糊性，自适应性来对非线性、不确定性的太阳能光伏发电系统进行控制，无疑是一个很好的选择。31 光伏系统的最大功率点跟踪根据上一章中光伏电池模型，给定
38、温度和光照可以得到如图31光伏电池在一定温度、日照强度下的输出特性示意图，(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 从图31可以看出，在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间具有非线性的关系，并且具有唯一的最大功率点MPP(Maximum Power Point)。在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，即光伏电池工作在最大功率点，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。然而当电池表面温度或日照强度等因素发生变化时，最大功率点也会发生漂
39、移，并且这些外界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，成为光伏系统中一个急需解决而又非常重要的问题。 对于电阻型负载，其负载线与I-V曲线的交叉点决定了光伏电池的工作点。不同的负载RL 决定了不同的工作点。因此在不同的温度、日照强度条件下，当最大功率点发生漂移时，可通过调整负载使光伏电池重新工作在最大功率点处。最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)就是完成以上阻抗匹配的任务，使得变换后的工作点正好和光伏电池的最大功率点重合，使光伏电池以最大功率输出。32 常用的最大功率点跟踪算法关于光
40、伏电池的最大功率点跟踪算法，先前已有许多文献著作提出了这方面的探讨，依据原理与实现方法，比较常用的有两种方法，分别为爬山法和导纳法。以下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。321 爬山法(PO）由于爬山法(PO）的结构简单，且需要测量的参数较少，所以它被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上。其工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续使用原扰动。如果减小则改变原扰动方向。图3.2 扰动观察法跟踪情况示意图 图3.2说明了这
41、个动态过程，假设工作点在V1处，光伏电池输出功率为Pl，如果使工作点移到V2=V1+V，光伏电池输出功率为P2，然后比较现时功率P2与记忆功率Pl。因为P2Pl，说明输入信号差V使输出功率变大，工作点位于最大功率值Pmax的左边，继续增大电压，使工作点继续朝右边即Pmax的方向变化。如果工作点已越过Pmax到达V4，此时若再增加V，则工作点到达V5，比较结果：P5P4，说明工作点在Pmax右边，需要改变输入信号的变化方向，即输入信号每次减去V，再比较现时功率与记忆功率，就这样周而复始地寻找最大功率点Pmax。图3.3为扰PO的控制流程图。图3.3 爬山法的控制流程图根据上一章光伏模型并根据流程
42、图可以画出爬山法的模型：图3.4 爬山法模型图3.5 PWM电路模型图对于爬山法我们可以通过简单的模块来实现其算法，如图3.6 PWM模块基于占空比为升压式变换器产生脉冲信号。其中,零阶保持器的采样周期与MPPT仿真模块周期相同,取在0.01- 0.001之间。可从示波器观测仿真结果。图3.6 MPPT算法模块通过给定温度20，光照通过time模块设定在6001000之间进行扰动变化，通过搭建boos电路来直接实现扰动法的算法。其中通过PWM脉冲调试来改变电压，实现波动。322 爬山法仿真結果及其分析采用变步长的ode23tb(stiff/TR-BDF2) 仿真,最小步长与最大步长自动调节,相
43、对误差允许范围为110- 3 ,绝对误差范围为自动调节。从0秒开始仿真,仿真时间设为0.1秒。同时,最大功率点跟踪控制模块的采样周期与脉宽调制模块的采样周期相同,都取为0.001。太阳能光伏阵输入日照取100W /m2 ,电池温度为在25。设置好各模块仿真参数后,即可开始仿真。光伏阵输出与负载电阻输入的电压、功率和电流仿真曲线如图3.7所示。从图中的电压曲线、功率曲线和电流曲线可以看出, 该系统采用干扰观测法,实现了对太阳能电池最大功率点的准确跟踪。图3.7扰动法波形323导纳增量（Incremental Conductance）法导纳增量法也是光伏阵列MPPT常用方法之一。由光伏阵列的PV曲
44、线知，在最大功率点处其斜率为零，而P =VI，因此在最大功率点处有： （3-1）即： （3-2）式（）即为达到最大功率点的条件。如果 （3-3）则光伏电池组件的工作点在最大功率点的右边，此时应减小输出电压；如果 (3-4)则光伏电池组件的工作点在最大功率点的左边，此时应增大输出电压。在上式中dI表示增量前后测量到的电流差值，dV表示增量前后测量到的电压差值。因此，只要符合公式(35)要求时，则表示已达到最大功率点，即不进行下一次扰动。如果不符合则继续扰动。图38为实际应用导纳法来实现最大功率点跟踪的控制流程图。图3.8导纳法控制流程图。根据上一章光伏电池模型及图3.8可以建立导纳法的光伏模型：
45、图3.9导纳法模型图导纳增量法的数学依据是在最大功率点处功率对电压的导数为0。由于P-V曲线为一单峰曲线，因此采用导纳增量法进行最大功率跟踪时并无原理性误差，为一个较理想的MPPT跟踪方法。由于导数的运算是采用差分近似的方法，因此在最大功率跟踪中所产生的误差是由于控制算法中近似计算所产生的，可通过采用数值微分的三点计算公式来计算导数，提高导数的计算精度来提高系统的跟踪精度。324导纳法仿真结果及其分析图3.10导纳法输出功率波形图从图3.10可以清晰的看出功率的突变点，证明该模型真正实现了最大功率跟踪。其中s-function最大功率跟踪算法在附录中，这种算法相对而言是现在最常用也是比较简单的。33 优缺点分析331爬山法分析采用扰
