1、基于MPPT控制的獨立光伏發電系統設計摘 要隨著時代的發展，人類對能源的需求越來越多，新能源開發是解決能源問題的根本途徑，而太陽能光伏發電正是新能源和可再生能源的重要組成部分。本文主要研究獨立光伏發電系統，它有著相當廣泛的應用。獨立光伏系統主要包括了光伏電池、蓄電池組、充電器和逆變器四個組成部分，本文對獨立光伏系統中的最大功率點跟蹤進行深入研究。本文利用光伏電池的數學模型和等效電路，在MATLAB/Simulink中建立了光伏電池的仿真模型，得到了與實際光伏電池輸出特性一致的仿真曲線，為進一步研究最大功率點跟蹤打下了基礎。最大功率點跟蹤的方法有很多，但是應用最為廣泛的是擾動觀察法和電導增量法，

2、本文對自適應占空比干擾法進行了詳細的分析，給出了算法設計，并建立了光伏電池的仿真模型對算法進行了仿真，仿真結果驗證了算法設計的正確。關鍵詞：獨立光伏系統，光伏電池，最大功率點跟蹤The Design of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on MPPT ControlABSTRACTWith the development of economics and technology, more and more energy is required. Researching and developing new ener

3、gy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy. Research on the stand-alone photovoltaic system is the main content of this thesis. There is very comprehensive application for the stand-alone photovol

4、taic system. The stand-alone photovoltaic system is composed of the solar cell, storage battery, charger and inverter. Several key techniques, for instance , the MPPT(Maximum Power Point Tracking) are deeply studied in this thesis. Base on the mathematical model and the equivalent circuit, the solar

5、 cell simulation model in MATLAB/Simulink is built in order to research the MPPT, and the curve which is in accordance with the actual solar cell is attained. This work built the base for the further research on MPPT. There are many methods for MPPT, but the P&O(Perturb and Observe) method and the C

6、.I. (Conductance incremental) method are applied most extensively, and these two methods are analyzed in detail. The algorithmic designs of the P&O method and the C.I. method are given in this thesis, and the algorithmic designs are simulated with the model of the solar cell in MATLAB/Simulink, and

7、the result of simulation validated the correctness of the design of the two algorithms. Besides, take the P&O for instance, the factors which can affect the quality of the MPPT are discussed.KEY WORDS:Stand-alone photovoltaic system,Solar cell,MPPT目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc29351 前言 PAGEREF

8、_Toc29351 1 HYPERLINK l _Toc24498 第1章 緒論 PAGEREF _Toc24498 2 HYPERLINK l _Toc778 1.1 發展光伏發電的意義 PAGEREF _Toc778 2 HYPERLINK l _Toc23433 1.1.1 保護氣候和改善環境 PAGEREF _Toc23433 2 HYPERLINK l _Toc17570 1.1.2 節省空間 PAGEREF _Toc17570 3 HYPERLINK l _Toc17160 1.1.3 增加就業 PAGEREF _Toc17160 3 HYPERLINK l _Toc9848 1.

9、1.4 提供農村電力 PAGEREF _Toc9848 3 HYPERLINK l _Toc32047 1.1.5 中國的特殊需求 PAGEREF _Toc32047 4 HYPERLINK l _Toc24354 1.2 國內外光伏產業的發展及趨勢 PAGEREF _Toc24354 4 HYPERLINK l _Toc2934 1.2.1 世界光伏產業發展的現狀和趨勢 PAGEREF _Toc2934 4 HYPERLINK l _Toc17059 1.2.2 國內光伏產業發展現狀和趨勢 PAGEREF _Toc17059 5 HYPERLINK l _Toc4241 第2章 光伏發電系統

10、 PAGEREF _Toc4241 6 HYPERLINK l _Toc5274 2.1 光伏發電系統的基本組成 PAGEREF _Toc5274 6 HYPERLINK l _Toc9844 2.2 帶有最大功率跟蹤功能的光伏發電系統的基本組成 PAGEREF _Toc9844 6 HYPERLINK l _Toc8372 第3章 光伏陣列特性及其仿真模型的研究 PAGEREF _Toc8372 8 HYPERLINK l _Toc17791 3.1 光伏電池的工作原理 PAGEREF _Toc17791 8 HYPERLINK l _Toc29611 3.2 光伏電池等效電路分析 PAGE

11、REF _Toc29611 9 HYPERLINK l _Toc19955 3.3 光伏陣列的Simulink模型 PAGEREF _Toc19955 12 HYPERLINK l _Toc8549 第4章 光伏陣列最大功率點跟蹤算法的研究 PAGEREF _Toc8549 19 HYPERLINK l _Toc3615 4.1 光伏系統最大功率跟蹤的原理 PAGEREF _Toc3615 19 HYPERLINK l _Toc10482 4.2 最大功率跟蹤點方法概述 PAGEREF _Toc10482 20 HYPERLINK l _Toc13030 4.3 DC/DC變換電路實現MPPT

12、的原理 PAGEREF _Toc13030 28 HYPERLINK l _Toc19825 4.3.1 Boost變換電路 PAGEREF _Toc19825 29 HYPERLINK l _Toc15759 4.3.2 Boost電路實現光伏陣列MPPT的仿真模型 PAGEREF _Toc15759 31 HYPERLINK l _Toc13093 4.4 自適應占空比干擾觀察法 PAGEREF _Toc13093 36 HYPERLINK l _Toc12545 4.4.1 占空比干擾觀察法的提出 PAGEREF _Toc12545 36 HYPERLINK l _Toc19016 4.

13、4.2 自適應控制技術介紹 PAGEREF _Toc19016 37 HYPERLINK l _Toc31181 4.4.3 基于自適應控制思想的MPPT方法 PAGEREF _Toc31181 37 HYPERLINK l _Toc7518 4.4.4 光伏陣列MPPT仿真模型的建立 PAGEREF _Toc7518 40 HYPERLINK l _Toc28608 4.4.5 仿真結果與分析 PAGEREF _Toc28608 41 HYPERLINK l _Toc1800 結論 PAGEREF _Toc1800 45 HYPERLINK l _Toc1236 謝 辭 PAGEREF _T

14、oc1236 47 HYPERLINK l _Toc13238 參考文獻 PAGEREF _Toc13238 48 HYPERLINK l _Toc5292 外文資料翻譯 PAGEREF _Toc5292 51前言長期以來，人們就一直在努力研究利用太陽能。我們地球所接受到的太陽能，雖只占太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，但是這些能量相當于全球所需總能量的34萬倍，可謂取之不盡，用之不竭。太陽能和石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”和全球性氣候變化，也不會造成環境污染。特別是在近10多年來，在石油可開采量日漸見底和生態環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，太陽能的利用受到許多國家的重

15、視，大家正在競相開發各種光電新技術和光電新型材料，以擴大太陽能利用的應用領域。從發電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應用十分廣泛，在某些領域，太陽能的利用已開始進入實用階段。電能是目前使用最廣泛的能源利用形式，光電轉換在太陽能的引用領域中占有重要的地位，太陽能電池就是一種經由太陽光照射后，把光的能量轉換成電能的能量轉換元件。有人稱之為光伏電池光伏系統。目前的主要問題是電池的轉換效率低且價格昂貴，因此，如何在現有的光電元件轉換技術的基礎上，進一步提高太陽電池的轉換效率，充分利用光伏陣列所轉換的能量，一直是光伏系統研究的重要方向。本課題從太陽能電池的光伏特性出發，對于如何提高太陽能電池的

16、能量轉換效率，進行了有益的探討。 第1章 緒論1.1 發展光伏發電的意義太陽能作為一種可持續利用的潔凈能源，有著巨大的開發應用潛力。人類賴以生存的自然資源幾乎全部轉換自太陽能，人類利用太陽能的歷史更是可以追溯到人類的起源時代。太陽能是人類得以生存和發展的最基礎的能源形式，從現代科技的發展來看，太陽能開發利用技術的進步有可能決定著人類未來的生活方式。目前，雖然太陽能光伏發電成本較高，但是從長遠來看，隨著技術的進步，以及其它能源利用形式的逐漸飽和，太陽能可能在2030之后成為主流能源利用形式，有著不可估量的發展潛力。光伏發電著有許多特殊優勢，尤其是它可以為邊遠地區、特殊場合供電?？紤]到光伏發電的附

17、加價值，它的綜合經濟效益大大提升，因此不能單純與傳統發電模式去比較單位發電成本。光伏發電可以降低溫室氣體和污染物排放、創造就業機會、保障能源安全和促進農村尤其是邊遠農村的發展?？傊l展光伏發電在經濟、社會和環境保護等方面都有著積極的意義，下面來具體討論光伏發電的發展意義。1.1.1 保護氣候和改善環境太陽能光伏發電最重要的特征是在發電過程中只排放很少的CO2，而CO2作為最主要的溫室氣體，導致氣候變化的罪魁禍首。同時，電池板可循環使用，系統材料可再利用，光伏的能源投入可進一步降低。如果廣泛使用光伏發電技術，可以為減緩氣候變暖做出貢獻。我國能源消費占世界的10%以上，同時我國一次能源消費中，煤

18、占到 70%左右，比世界平均水平高出40多個百分點。燃煤造成的二氧化硫和煙塵排放量約占排放總量的70%80%，二氧化硫排放形成的酸雨面積已占國土面積的1/3。目前，環境質量的總體水平還在不斷惡化，世界十大污染城市我國一直占多數。環境污染給我國社會經濟發展和人民健康帶來了嚴重影響。世界銀行估計2020年中國由于空氣污染造成的環境和健康損失將達到GDP總量的13。而光伏發電不產生傳統發電技（例如燃煤發電）帶來的污染物排放和安全問題，沒有廢氣或噪音污染。系統報廢后也很少有環境污染的遺留問題1,2。1.1.2 節省空間光伏發電是一種簡單的低風險技術，幾乎可以安裝在任何有光的地方。這意味著在公共、私人和

19、工業建筑的屋頂和墻面上都有廣泛的安裝潛力。在運行中，這個系統還可以降低建筑的受熱，增加通風。光伏電池板還可以作為隔聲板裝在公路兩側。光伏發電在提供大量電力供應的同時，避免占用更多的土地。1.1.3 增加就業光伏發電可以提供大量的就業機會。安裝階段創造大量的就業機會（安裝工人、零售商和服務工程師），促進地方經濟發展。根據歐洲光伏發電行業信息顯示，生產每兆瓦光伏產品大約產生10個就業機會，安裝每兆瓦光伏系統創造大約33個就業機會。批發和間接供應可提供34個就業崗位，研究領域提供12個就業機會。整個產業鏈中，每兆瓦的生產、安裝和使用，可提供50個就業機會。在未來幾十年，隨著規模的擴大，自動設備的使用

20、，這些數據會有所降低。但是，光伏發電產業不僅僅是一個資金密集型的產業，同時也是一個勞動密集型的產業。目前中國光伏技術及產業的就業總人數近萬。到2020年將達到10萬人左右。按照中國電力專家的研究，2050年，光伏發電將達到裝機容量10億，年生產和安裝量1億，就業人數將超過500萬人。1.1.4 提供農村電力太陽能光伏發電系統可以很容易地在偏遠的農村地區安裝，這些地區可能多年無法架設電網。光伏發電等可再生能源特別適用于遠離電網、零星分布的社區。離網農村電力以家庭為單位或設立小電網可提供照明、冷藏、教育、通訊和衛生等所需電力，提高經濟生產力，增加創收的機會。光伏發電系統結實耐用、易于安裝和具有靈活

21、性等特征，使其可滿足世界任何地方的農村電力需求。2006年底，中國還有無電人口1100萬，使用光伏發電系統可以解決大部分無電人口的用電問題。1.1.5 中國的特殊需求中國是一個能源生產和消費大國。2006年能源消費總量為246億噸標準煤，比2005年增長9.3%。2006年各種一次能源的構成比例為：煤炭占69.7%、石油占20.3%、天然氣占3.0%、水電等占6.0%、核電占0.8%。2006年，中國的原油進口達到1.5億噸，大約是中國原油總需求量的50。中國能源開采和利用技術落后，傳統高能耗產業比重大，單位GDP能耗落后于發達國家，甚至比世界平均水平落后許多。中國又是世界上最大的發展中國家，

22、經濟高速發展，中國能源消耗增長速度居世界首位，加劇了中國能源替代形勢的嚴峻性和緊迫性。中國電力科學院的研究表明，在考慮到充分開發煤電、水電和核電的情況下，2010年和2020年電力供需的缺口仍然分別為6.4%和10.7%，這個缺口正是需要用可再生能源發電進行補充的。而太陽能光伏發電可能在未來中國的能源供應中占據主要位置。1.2 國內外光伏產業的發展及趨勢1.2.1 世界光伏產業發展的現狀和趨勢能源和環境問題是近十幾年來世界關注的焦點，為了實現能源和環境的可持續發展，世界各國都將光伏發電作為發展的重點。在各國政府的大力支持下，光伏產業發展迅速，最近10年光伏電池及組件生產的年平均增長率達到33%

23、，近5年的年平均增長率達到43，2006年世界光伏電池產量達到2500MWp，累計發貨量達到8500MWp。值得注意的是，中國2006年光伏電池的產量達到369.5MWp，緊隨日本和德國之后，位居世界第三大光伏電池生產國。世界光伏產業和市場發展的另一個突出特點是：光伏發電在能源中的替代功能愈來愈大，主要表現在并網發電的應用比例增加非?？?，并將成為光伏發電的主導市場（其它應用包括通訊和信號、特殊商業和工業應用，農村離網應用、消費品和大型獨立電站等）。從長遠看，太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。根據歐洲JRC的預測，到20

24、30年可再生能源在總能源結構中占到30以上，太陽能光伏發電在世界總電力的供應中達到10%以上；2040年可再生能源占總能耗50以上，太陽能光伏發電將占總電力的20%以上；到 21世紀末可再生能源在能源結構中占到80以上，光伏發電占到60以上，顯示出重要戰略地位4。1.2.2 國內光伏產業發展現狀和趨勢中國于1958年開始研究光伏電池，于1971年首次成功應用于我國發射的東方紅二號衛星上，于1973年開始將光伏電池用于地面。中國光伏工業在20世紀80年代以前尚處于雛形，光伏電池的年產量一直徘徊在10kWp以下，價格也很昂貴。由于受到價格和產量的限制，市場的發展很緩慢，除了作為衛星電源，在地面上光

25、伏電池僅用于小功率電源系統，如航標燈、鐵路信號系統、高山氣象站的儀器用電、電圍欄、黑光燈、直流日光燈等，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。在“六五”和“七五”期間，國家開始對光伏工業和光伏市場的發展給以支持，中央和地方政府在光伏領域投入了一定資金，使得我國十分弱小的光伏電池工業得到了鞏固，并在許多應用領域建立了示范，如微波中繼站、部隊通信系統、水閘和石油管道的陰極保護系統、農村載波 系統、小型戶用系統和村莊供電系統等。中國光伏發電的市場主要在通信和工業應用、農村和邊遠地區應用、光伏并網發電系統和太陽能商品等方面。所有這些應用領域中，大約有53.8是屬于商業化的市場（通信工業應用和太陽能光伏產品），而

26、另外的46.2則屬于需要政府和政策支持的市場，包括農村電氣化和并網光伏發電。由于并網成本很高，并網光伏發電目前還處于示范階段3。第2章 光伏發電系統2.1 光伏發電系統的基本組成光伏發電系統按照是否與常規電力系統相連可以分為獨立運行系統與并網運行系統。獨立運行光伏發電系統是指不與電網相連的光伏發電系統。本文研究的是獨立光伏發電系統，在此就不對并網運行光伏發電系統做過多敘述。獨立運行太陽能光伏發電系統的典型結構框圖如圖2-1所示，主要由光伏電池，蓄電池組，充電器和逆變器四部分構成。光伏電池板作為系統中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽光照的情況下輸出能量。系

27、統一般還需要蓄電池作為儲能環節，根據負載的需要，當光伏電池發電量大于負載時，光伏電池通過充電器對蓄電池電；當發電量不足時，光伏電池和蓄電池同時對負載供電。如果負載是交流負載，還需要逆變器將直流電轉化為交流電。圖2-1 獨立光伏發電系統結構框圖2.2 帶有最大功率跟蹤功能的光伏發電系統的基本組成如果把光伏陣列與蓄電池直接連接起來，由于光伏陣列的輸出特性與日照強度和溫度等因素有關，一方面蓄電池的內阻不會隨著光伏電池輸出的最大功率點的變化而變化，致使無法對光伏電池的輸出進行調節，造成資源的浪費；另一方面蓄電池的充電電壓隨外界環境的變化而變化，不穩定的電壓對蓄電池進行充電，只會影響蓄電池的壽命。因此需

28、要在光伏陣列和蓄電池之間加入最大功率跟蹤環節，它既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩定的電壓對蓄電池進行充電。帶有最大功率跟蹤功能的光伏電源系統框圖如圖2-2所示。圖2-2 帶有MPPT功能的光伏發電系統結構圖第3章 光伏陣列特性及其仿真模型的研究3.1 光伏電池的工作原理太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。這種把光能轉換成電能的能量轉換器，就是光伏電池5。光伏電池是以光生伏打效應為基礎，可以把光能直接轉換成電能的一種半導體器件。所謂的光生伏打效應是指某種材料在吸收了光能之后產生電動勢的效應。在氣體，液體和固體中均可產生這種效應。在固體，特別是半導體中，光能轉

29、換成電能的效率相對較高。圖3-1 光伏電池特性測試光伏電池實際上是一個P-N結。通常，用于光伏電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質，和任何物質的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉動。當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、嫁等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表。若把這兩種

30、半導體結合，交界面便形成一個 PN結。光伏電池的奧妙就在這個“結”上，PN結就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。如圖3-1所示，當光伏電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區移動，使N型區帶負電，同時空穴向P型區移動，使P型區帶正電。這樣，在PN結兩端便產生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現象就是上面所說的“光生伏打效應”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、并聯起來，就能產生一定的電壓和電流，并輸出功率。制造光伏電池的半導體材料己知的有十幾種，因此光伏電池的種類也很多。目前，技術最成熟，并具有商業價值的光伏電池

31、要算硅光伏電池。3.2 光伏電池等效電路分析為了在光伏發電系統的設計中，更好的分析光伏陣列的電性能，更好的使其與光伏控制系統匹配，達到最佳的發電效果，則有必要為光伏電池建立起數學模型。通過這些數學關系，來反映出光伏電池各項參數的變化規律。光伏電池之等效電路5如圖3-2所示。圖3-2 光伏電池等效電路圖由圖中各物理量的關系，可得光伏電池的輸出特性方程： (3-1)=其中 (3-2) (3-3)上述三個公式的參數解析詳見表3-1。一般討論實際等效電路時，可忽略或。對光伏電池等效電路進行分析可以發現：串聯電阻越大，則短路電流會越小，但不會對開路電壓造成大影響；并聯電阻越大，則開路電壓會變小，但不會影

32、響到短路電流。由于為數千歐姆，因此，在下面的討論中將忽略，得到光伏電池的簡化等效電路圖3-3，并且得到簡化的光伏電池輸出特性方程如公式3-4。 (3-4)圖3-3 光伏電池等效簡化電路在外部負載短路的情況下，即=0，此時光伏電流全部流向外部的短路負載，短路電流幾乎等于光電流，有=；在處于開路狀態時，=0,光電流全部流經二極管D，此時開路電壓 (3-5)從公式3-3可以看出，光伏電池的輸出電流和電壓受到外界因素，如溫度、日照強度等的影響。在不同的溫度、日照強度下有不同的短路電流,并且與日照強度成正比，與溫度成一定的線性關系。同時，開路電壓也與二者有密切的關系，如下： (3-6)其中，為標準測試條

33、件（光伏電池溫度為25，日照強度為1000W/，稱之為標準測試條件）下的開路電壓，為開路電壓的溫度系數。表3-1 單個光伏電池等效電路參數表參數名描述類型光伏電池輸出電流變量光伏電池輸出電壓變量光伏電池反向飽和電流常量T光伏電池溫度常量K玻爾茲曼常數常量G日照強度變量光生電流變量q電子電量常量二極管反向飽和電流常量參考溫度301.18K半導體材料禁帶寬度常量短路電流溫度系數常量A,B理想因子介于1和2之間標準測試條件下短路電流常量3.3 光伏陣列的Simulink模型光伏陣列是由許多小單位的光伏電池并聯或串聯組合所組成的。光伏電池串聯組合可以提高太陽能發電系統的最高輸出直流電壓；光伏電池并聯組

34、合可以提高太陽能發電系統的最高輸出直流電流。因此，通過對光伏電池串、并聯交替組合可以得到期望的直流電壓或電流。據此可以得到光伏電池模組的輸出特性方程 (3-7)其中、分別為模組中光伏電池的并聯、串聯個數。光伏陣列是光伏發電系統的關鍵部件，其I/V特性是日照強度、環境溫度和光伏模塊參數的非線性函數。要實現光伏發電系統及其MPPT的仿真，首先一步是解決如何對光伏陣列輸出特性進行仿真模擬。該模型一旦建立，可用于模擬所研究系統的輸入電源6。簡化的做法是把光伏陣列直接等效為直流電壓源10。但是該模型不能實時跟蹤日照強度、環境溫度變化，因而這樣的系統仿真不能反映上述參數變化對整個系統性能的影響。在光伏發電

35、系統設計中，光伏電池板的生產廠家一般會提供該光伏陣列的參數，主要有：開路電壓、短路電流、峰值工作電壓、峰值工作電流、最大功率等。將這些參數直接帶入相應的數學模型，即可得出光伏陣列的運行參數。表3-1列出了無錫尚德公司生產的STP0950S-36型號的光伏陣列的各項參數。它由36個單結晶硅光伏電池串聯而成，根據公式3-7，得到該光伏電池組件的輸出特性方程 （3-8）下面運用SIMULINK8,9對該光伏電池陣列進行仿真10。表3-2 光伏陣列STP0950S-36在標準測試條件下的參數標準測試條件下最大功率94W峰值工作電流峰值工作電壓短路電流開路電壓短路電流溫度系數2.06(）開路電壓溫度系數

36、0.77（）、以及，下面對這三個未知量進行討論，分別建立模型。根據公式得 (3-3)建立光生電流子模塊如圖3-4所示。圖3-4 子模塊2. 求解光伏電池反向飽和電流當外部負載開路時，知=0，此時 （3-9）因此可求得 （3-10）根據公式 （3-6）可先建立子模塊如圖3-5。圖3-5 子模塊令 （3.11）則建立子模塊如圖，并得到公式3-12圖3-6 子模塊 (3-12)根據上式可建立子模塊如圖圖3-7 子模塊3. 求解串聯等效電阻在最大功率點處，有 （3-13）若取理想因子A=1，則在溫度T=25下，25.68mV,則在標準測試條件下的串聯等效電阻若得知在不同T、G下的最大功率點（、),就可

37、求得不同氣候條件下的。但由于數據有限，并且值較小，可采用恒定的方法來近似模擬。圖3-8 光伏陣列Simulink模型完成上述三個未知量的求解，根據公式3.8即可完成光伏陣列的建模，如圖3-8所示。(a) (b)(c) (d)(a)20，不同光強下的伏安特性曲線；(b)20，不同光強下的伏瓦特性曲線；(c)400W/m2，不同溫度下的伏安特性曲線；(d)400W/m2，不同溫度下的伏瓦特性曲線圖3-9 光伏陣列特性曲線第4章 光伏陣列最大功率點跟蹤算法的研究4.1 光伏系統最大功率跟蹤的原理在太陽能光伏發電系統中，光伏電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效率必須要提高光伏電池的轉換效率，使其最

38、大限度地輸出功率。然而，光伏電池的I-V特性是非線性的，它隨著外界環（溫度、光照強度）的變化而變化，它的工作電壓改變時它的輸出功率也會改變，為了始終能獲得最大的輸出功率，所以需要進行最大功率點跟蹤。圖4-1中的曲線是在一定光照強度下的光伏I-V輸出特性曲線，直線1為一定負載阻抗的負載線，它和曲線的交點為a，即為光伏電池的工作點。顯然，對應不同的負載阻抗，負載線的斜率不同，與光伏電池輸出特性曲線的交點不同，即工作點不同，光伏電池在工作點上的輸出功率也不同。如果不改變負載特性，則系統工作在a點，但a點的輸出功率小于MPP處的功率。如果我們能改變負載阻抗，則可以使負載線與光伏電池輸出特性曲線的交點從

39、a點移到MPP，使光伏電池工作在最大功率點處。當光強變化時，光伏電池的輸出特性也會變化，則可以相應地調整負載阻抗，使它仍能工作在最大功率點上。在不同的環境條件下，按輸出最大功率的要求來進行調整負載阻抗，則能使太陽能得到最大利用，即實現最大功率點跟蹤的控制。圖4-1 最大功率點跟蹤原理由于DC/DC變換器具有阻抗變換的作用，DC/DC變換器輸出端負載一定時，通過調節占空比D，可以改變DC/DC變換器的輸入阻抗，這樣就改變了光伏電池的負載阻抗。若知道最大功率點所對應的負載阻抗，就可以通過調整DC/DC變換器的占空比D，使DC/DC變換器的輸入阻抗在光伏電池的最大功率點上。當外界環境變化時，仍然可以

40、通過不斷調整變換器的開關占空比D，實現光伏電池與DC/DC變換器之間的動態負載匹配，就可以實時獲得光伏電池的最大輸出功率。4.2 最大功率跟蹤點方法概述目前，對最大功率點跟蹤方法的研究很多，很多文獻都提出了不同的MPPT方法，例如恒電壓跟蹤方法7、干擾觀察法14、增量電導法15等，但是應用最為廣泛的是干擾觀察法和增量電導法。針對以上提到的幾種方法，下文做了簡要的介紹。4.2.1 恒電壓跟蹤恒電壓跟蹤方法從嚴格的意義上來講并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方式，它屬于一種曲線擬合方式，其工作原理如圖4-2所示，忽略溫度效應時，光伏陣列在不同日照強度（分別為1000，800，600，400，200

41、）下的最大功率輸出點a、b、c、d和e總是近似在某一個恒定的電壓值附近。假如曲線L為負載特性曲線，a、b、c、d和e為相應關照強度下直接匹配時的工作點。顯然，如果采用直接匹配，其陣列的輸出功率比較小。為了彌補阻抗失配帶來的功率損失，可以采用恒定電壓跟蹤（CVT）方法，在光伏陣列和負載之間通過一定的阻抗變換，使得系統實現穩壓器的功能，使陣列的工作點始終穩定在附近。這樣不但簡化了整個控制系統，還可以保證它的輸出功率接近最大輸出功率，如中所示。采用恒定電壓跟蹤（CVT）控制與直接匹配的功率差值在圖中可以視為曲線L與曲線之間的面積。因而，在一定的條件下，恒定電壓跟蹤（CVT）方法不但可以得到比直接匹配

42、更高的功率輸出，還可以用來簡化和近似最大功率點跟蹤（MPPT）控制。圖4-2 忽略溫度效應時的光伏陣列輸出特性與負載匹配曲線CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩定性好，易于實現等優點，比一般光伏系統可望多獲得20%的電能，較之不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種跟蹤方式忽略了溫度對光伏陣列開路電壓的影響。以單晶硅光伏陣列為例，當環境溫度每升高1時，其開路電壓下降率為0.35%-0.45%。這表明光伏陣列最大功率點對應的電壓也將隨著環境溫度的變化而變化。對于四季溫差或日溫差比較大的地區，CVT方式并不能在所有的溫度環境下完全地跟蹤到光伏陣列的最大功率點。采用CVT以實現MPPT控制，由于其

43、良好的可靠性和穩定性，目前在光伏系統中仍被較多使用，但隨著光伏系統數字信號處理技術的應用，該方法正在逐步被新方法所替代。4.2.2 干擾觀察法干擾觀察法目前經常被采用的MPPT方法之一。其原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀測之后其輸出功率變化方向，來決定下一步的控制信號。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過兩個傳感器對光伏陣列輸出電壓及電流分別進行采樣，并計算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡單，且易于硬件實現，但是響應速度較慢，只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場合。而且穩態情況下，這種算法會導致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近小幅振蕩，因此會造成一定的功率損失；而日

44、照發生快速變化時，跟蹤算法可能會失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。下面對經典的干擾觀察算法簡述如下：光伏系統控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減小，控制對象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”；然后，通過比較干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，若P0，說明參考電壓調整的方向正確，可以繼續按原來的方向“干擾”；若PV，故線性減小。圖4.9 功率開關管Q截止時等效電路 （4-6）當時，Q又導通，開始另一個開關周期。由此可見，Boost變換電路的工作分為兩個階段，Q導通時為電感L的儲能階段，此時電源不向負載提供能量，負載靠儲于電容C的

45、能量維持工作。Q關斷時，電源和電感共同向負載供電，此時還給電容C充電。因此，Boost變換電路的輸入電流就是升壓電感L電流的平均值，。開關管和二極管輪流工作，Q導通時，流過它的電流就是；Q截止時，流過D的電流也是。通過它們的電流和相加就是升壓電感電流。穩態工作時電容C充電量等于放電量，通過電容的平均電流為0，故通過二極管D的電流平均值就是負載電流。并且此時Q導通期間電感電流的增長量等于它在Q截止期間的減小量，由公式可得輸出電壓與輸入電壓的關系： (4-7)4.3.2 Boost電路實現光伏陣列MPPT的仿真模型無論是獨立光伏發電系統還是并網光伏發電系統，這些光伏發電系統存在一個共性：光伏陣列并

46、不是理想和容易控制的電源，充分利用光伏陣列性能的有效方法，是在光伏陣列和負載之間加入MPPT裝置，而幾乎所有的MPPT裝置都是由電力電子裝置構成的。目前對實現光伏發電MPPT控制的仿真模型研究都是在建立光伏陣列仿真模型的基礎上，添加電力電子器件或者通過狀態空間法表示來建立其電路仿真模型21,23的。雖然建立的光伏陣列的仿真模型可以通過在數學模型后連接一個控制電流源或控制電壓源模塊，使該元件數學模型轉變為Sim Power System（SPS）中的元件模型與SPS中的元件模型同時使用，可是這樣的方法往往讓研究者在確定模型內部電路特性和結構參數的時候陷入困境，并且，這樣的模型仿真時間較長。于是，

47、本文在分析Boost電路原理的基礎上，建立了基于Boost電路阻抗變換的實現光伏陣列MPPT的仿真模型。利用該模型不需要精確的內部電路特性和相關參數，就可以實時模擬光伏陣列及其MPPT的實現。當光伏陣列接Boost變換電路時，如圖4-10，考慮Boost電路輸出負載為純電阻的情況，如果變換電路的效率為100%，根據Boost電路輸入輸出功率相等，在忽略Boost電路電感的自身電阻的情況下，Boost電路的等效輸入阻抗可用公式表示： (4-8)其中R為Boost電路等效輸入阻抗，D為開關占空比，為負載阻抗。從式4-8可知，D越大，Boos電路輸入阻抗就越小。當改變Boost電路開關占空比，使得其

48、等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，則光伏陣列將輸出最大功率，這和前面的分析一致。圖4-10 Boost電路阻抗變換根據Boost電路的阻抗變換關系，在Matlab的Simulink模型窗中建立阻抗變換關系的仿真模型，并用第二章建立的光伏陣列仿真模型建立如圖4-11的仿真系統，模擬日照輻射強度為600W/，環境溫度為25時，負載100，通過調整占空比D在0，1變化時光伏陣列輸出特性。圖4-11 光伏陣列MPPT原理仿真模型 mj圖4-12 光伏陣列仿真波形使=10圖4-13 時光伏陣列仿真波形可見，當光伏陣列帶不同負載時，可以通過調節占空比D，利用Boost變換電路的阻抗變換特性來達到最佳匹配的

49、目的，使光伏陣列工作在最大功率點。但是在仿真的過程中，發現負載并不是等于任意值時，光伏陣列都能工作在最大功率點，當=3時，Boost變換電路并不能通過阻抗變換實現光伏陣列的最大功率輸出。圖4-14 Boost電路阻抗變換示意圖從式4-8可以看出是小于1的數，由此可知Boost變換電路只能夠實現將較大的阻抗變換成較小的等效阻抗，如圖4-14所示，即Boost變換電路可以將負載線R1向A方向變化，而不能向B的方向變換。由此可見，當光伏陣列工作在如圖所示的特性曲線上時，如采用Boost變換電路對其最大功率點跟蹤時，負載阻抗必須大于當前光伏陣列最佳匹配負載，即負載必須位于最佳負載R的下方時，如圖中的R

50、1位置，而不能位于R2位置，這樣才能通過Boost變換電路的調整使光伏陣列能輸出當前工作條件下的最大功率。在當前工作環境下由=60W，最大功率點時的工作電壓=17.1V，可以算得其最佳匹配阻抗，幾乎相等，由此可見，仿真和理論計算取得了很好的一致性，為下面研究光伏陣列MPPT技術以及光伏發電系統的MPPT的實現奠定了基礎。4.4 自適應占空比干擾觀察法4.4.1 占空比干擾觀察法干擾觀察法由于實現簡單，是目前光伏發電系統中較為常用的MPPT方法。它通過對光伏陣列輸出電壓、輸出電流的檢測，得到當前的輸出功率，再與前一時刻的輸出功率進行比較，來確定電壓的干擾方向，計算參考電壓（即下一時刻需要達到的電

51、壓值），再利用控制器通過調整PWM信號來調節變換電路，從而實現光伏陣列的輸出電壓。由此可見，通常使用的電壓或電流干擾法必須通過兩個環節才能實現。(1) 計算光伏陣列輸出電壓或電流參考值。(2) 調節PWM信號的占空比，使光伏陣列輸出電壓（或輸出電流）達到其參考值。因此其控制系統的設計較為復雜。通過前面的仿真分析，發現占空比D的大小決定了光伏陣列的輸出功率，不同類型的直流變換電路占空比與光伏陣列輸出功率存在不同的P-D關系。圖4-15為Boost變換電路的P-D關系圖，可見它與光伏陣列的P-V或P-I關系類似，并且當=0時，輸出功率達到最大值，因此干擾觀察法的原理仍然適用。圖4-15 光伏陣列P

52、-D曲線圖于是，提出了一種占空比干擾觀察法。通過調整PWM信號的占空比D，來調節變換電路的輸入輸出關系，從而實現阻抗匹配的功能，達到最大功率跟蹤的目的。占空比干擾觀察法通過當前功率與前一時刻功率比較，從而決定占空比D的增加或減小。這種方法直接把占空比D作為控制參數，只需要一個控制循環，從而減小了控制器的設計復雜度。4.4.2 自適應控制技術介紹自適應控制理論是在控制工程中提出的。在復雜的控制過程中，控制的目的都是使受控對象的狀態或運動軌跡符合預定的要求，在一些參數或模型比較清晰的系統中，我們可以根據參考模型或性能參數來進行控制，但隨著近代工業的發展，人們需要控制的過程越來越多，而且這些對象是未

53、知的或是知之甚少的，在這種情況下，傳統的控制理論就失去作用，但自適應控制理論卻可以非常理想地解決這些問題。自適應控制系統大概包括以下幾種：自校正控制系統、模型參考自適應控制系統自尋最優控制系統、變結構控制系統、學習控制系統等，雖然自適應理論起步較晚，但在控制過程中已經體現出其獨有的優越性，已經被應用在各種場合，均取得理想的效果。4.4.3 基于自適應控制思想的MPPT方法對光伏陣列最大功率點跟蹤算法的研究很多，特別是對于擾動觀察法，許多文獻13,15中都提出了改進算法，有些文獻提出了對干擾觀察法中參數設定為光伏陣列開路電壓的80%，即，可以提高定步長擾動觀察法的跟蹤速度。在普通干擾觀察法中，存

54、在跟蹤步長的設定無法兼顧跟蹤精度和響應速度的問題18。在前面提到的占空比干擾觀察法中，調整占空比D時仍然存在調整步長大小的問題：步長過小，跟蹤時間拉長而影響系統的動態響應特性；步長過大，輸出功率波動加大，其平均值大大小于最大值，穩態誤差變大。該問題通過加入步長的自動在線調整器a得到解決12，該方案能夠同時保證系統的動、穩態性能。 （4-9）其中：a(k)為干擾電壓V的調整步長，在0和1之間變化；，表示功率的變化大??；M為常量，決定了自適應調節的靈敏度。當外界環境因素如光伏陣列溫度、日照強度變化突然較大時，普通的干擾觀察法仍然認為導致輸出功率變化的原因是由于輸出電壓（或電流）增加或減小了一個調整

55、步長，從而可能使控制器遠離最大功率點。通過公式4-9可解決這一混淆點。當較小時，表示輸出功率P的變化主要是由于占空比D步長調整引起的，此時a(k+1)較a(k)變化不應很大。而當較大時，則表示功率P的變化主要是由于光伏陣列表面溫度、日照強度等外界因素造成的。此時若最大功率點大幅度漂移，則步長a(k+1)變大，從而能夠快速跟蹤到新的最大功率點。從理論上來講，總可以找到光伏陣列的最大功率點，在處，從理論上來說，=0這個判別式是成立的，但實際運行過程中，幾乎找不到這個判別式成立的點，因此傳統的干擾觀察法往往會導致系統工作點在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行，導致一定功率損失，于是引入參數e，對進行判斷

56、，當e時，系統即認為找到了最大功率點，e的大小可以根據不同精度要求而定。和傳統的干擾觀察法不同的是，當找到系統最大功率點之后，不是繼續擾動，而是停止擾動。之所以這樣做，是因為如果繼續擾動的話，系統就始終無法工作在最大功率點上，從而造成系統的輸出不穩定，并降低系統效率。因為在日照時間，短時間內光伏陣列的輸出變化很小，所以沒有必要一直擾動。停止擾動以后，隨時監測系統的工作狀態，并根據不同的變化做出合適的判斷，流程如圖4-16所示。圖4-16 改進的自適應干擾觀察法流程圖此尋優方法與傳統干擾觀察法相比較，保持了干擾觀察法的思想，即靠不停地擾動來尋找系統的最大功率點，但不同的是，擾動幅度的大小根據系統

57、工作點的不同而不同，體現了自適應的思想，既提高了系統的快速性，也提高了系統的準確性和穩定性；找到最大功率點后，傳統的干擾觀察法無法穩定工作在最大功率點，而本系統則可以保證系統工作在離最大功率點很近的地方，理論上講，可以任意接近最大功率點。4.4.4 光伏陣列MPPT仿真模型的建立對前面建立的光伏陣列M函數模型稍加修改，得到以溫度T、日照強度G、固定負載阻值R以及占空比D為輸入量的模型，如圖4-17所示。利用此模型建立最大功率點跟蹤算法仿真系統如圖4-18。MPPT控制算法由M文件編寫的S函數中實現，S函數是System Function的簡稱，其功能是通過Matlab語言或C語言程序，建立一個

58、能和Simulink模塊庫中一起使用的功能模塊，將其與Simulink有機結合起來，不但仿真模型簡單，而且大大降低了執行時間。在此基礎上編寫了固定步長干擾算法 MPPT_PO.M以及改進的變步長自適應干擾觀察算法MPPT_SF.M。S函數的輸入信號為光伏陣列當前的輸出功率，輸出信號為經MPPT運算得到的占空比D。在編寫固定步長干擾觀察算法時，相關參數的確定會較大的影響其跟蹤效果，擾動步長U的選取會影響對光伏陣列MPP的跟蹤速度。若取值過小，則不能快速應對環境的變化，反應速度較慢；若取值過大，則不能準確的尋找光伏陣列的MPP，同時造成光伏陣列能量的損失。因此，分別設擾動步長為U=0.01V和0.

59、05V進行仿真。在編寫變步長自適應占空比擾動觀察法的S函數時，同樣有兩個參數會影響其跟蹤效果。e的取值可以根據系統精密度要求來確定，e值越大，對光伏陣列MPP的跟蹤精確度越低，導致部分功率損失；e值越小，則對光伏陣列MPP跟蹤越精確，但跟蹤時間就會越長，難以實現快速跟蹤。圖4-17 光伏陣列的修改模型圖4-18 MPPT控制仿真系統4.4.5 仿真結果與分析設置仿真外界日照強度從G從800W/突然增大到1000W/，在同一時刻光伏陣列表面溫度T=56降到25，負載阻值R=5。并設置仿真最大步長為0.001S，仿真時長1S，對固定步長干擾觀察法分別設置步長U=0.05V，得到波形如圖4-19。運

60、用改進的自適應干擾法設置參數e=0.001、M=1/2500，得到的波形如圖4-20。圖4-19 固定步長MPPT仿真波形，步長可以發現：圖4-19波形跟蹤速度較快，動態響應性能較好，但到達穩態后有存在一定的波動，其穩態平均值要小于最大功率值，造成能量的浪費；圖4-20波形不僅跟蹤速度快，對外界環境因素變化的反應也非常迅速，而且幾乎沒有穩態誤差，因而具有良好的動、穩態性能。由此可見，將自適應擾動觀察法應用于光伏陣列的最大功率點跟蹤是可行的。圖4-20 改進的變步長自適應MPPT仿真波形結論光伏發電技術和產業不僅是當今能源的一個重要補充，更具備成為未來主能源來源的潛力。本文以光伏發電系統最大功率