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光伏最大功率点跟踪比较研究

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（√）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：150~250VDC，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 ～ 12周第13～15周第16～18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

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，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。

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Abstract

his paper focuses on photovoltaic principle 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 solar 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.

Secondly, 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 their 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 simulation 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 improvement, 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 algorithms.

摘要

Keywords PV systems; Maximum Power Point Tracking (MPPT);Boost converter; Matlab/Simulink Simulation

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错误！未找到引用源。

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

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态，使光伏方阵输出由光电转换获得的最大功率，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、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/Simulink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

第1章绪论

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，并比较分析这三种方法实现MPPT的各自的特点。

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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。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

第2章光伏电池的原理及特性研究

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： hv hv N

P i

阳光

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I sc 、开路电压V oc 、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I ph 不随光伏电池的工

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作状态而变换，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。R sh 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10-3欧至几欧之间。光伏电池的等效电路如图2-2所示。

I sc I D I L

R sh R L

R s

图2-2 光伏电池的等效电路

光伏电池的输出特性方程为：

()0e x p 1n K T s d qV R I I I ??+?????=-?????????

?（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); I ph 为光生电流;I o 为反向饱和电流(对于光伏单元而言，其数量级为

10-4A);()0e x p 1n K T s d qV R I I I ??+?????=-??????????为二极管结电流; q 为电子的电荷量(1.6?

10-19C)；R s 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(1.38?e -23 J/K)；T 为光伏电池温度；R sh 为光伏电池的并联电阻(数量级为K Ω)

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 oc )：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。

2短路电流(I oc )：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。

第2章光伏电池的原理及特性研究

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〔I m )：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 2；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。

P -V 曲线Um Pm V

I-V 曲线Um

V 图2-3光伏电池的I-V 和P-V 曲线

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-V

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输出特性曲线如2-5所示。 S =1000W/m 270℃55℃40℃

25℃

10℃

U/V

P/W

10℃

25℃

40℃55℃70℃ (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 I(A )U (V )P (W )U (V )1000W/m 2I sc2

I sc 1800W/m 2600W/m 2400W/m 2200W/m 2

I sc3

I sc 4

I sc 5

V oc1，V oc2，V oc3，V oc4，V oc5200W/m 2400W/m 2600W/m 2800W/m 21000W/m 2

(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Matlab/Simulink 工具，

第2章光伏电池的原理及特性研究

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/m 2,T=25℃测试条件下的四个电气参数，即短路电流I sc =4.75A 、开路电压V oc =21.75V 、最大功率点电流I m =4.515A 和最大功率点电压V m =17.25V 。

首先给出仿真模型的数学表达式为： m 2oc ()m

1sc (1)V C V I C e I -=-(2-1)

m m 2o c

s c (1)/l n (1)V I C V I =--(2-2) 1- S S/ =S ref

1(2-3)

ref T T T =- (2-4)

()111

=1s c D I S T S α?++(2-5)

1V S d T D R β=+(2-6)

12d 11e x p V s c o c V I I C D C V ??????+??=+-+???? ????????????

(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/m 2；Tref 电池参考温度，为25°C ；S ，T 为任意太阳光强和电池温度；S1，T1，C1，C2，D 均为中间变量；α，β为补偿系数，α=0.0054，β=0.21。太阳能电池模型内部结构如图2-6所示

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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=25°C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：