畢業(yè)設(shè)計基于M控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1、基于MPPT控制的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著時代的發(fā)展，人類對能源的需求越來越多，新能源開發(fā)是解決能源問題的根本途徑，而太陽能光伏發(fā)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(fā)電系統(tǒng)，它有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。獨立光伏系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)學(xué)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(chǔ)。最大功率點跟蹤的方法有很多，但是應(yīng)用最為廣泛的是擾動觀察法和電導(dǎo)增量法，

2、本文對自適應(yīng)占空比干擾法進行了詳細的分析，給出了算法設(shè)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(jié)果驗證了算法設(shè)計的正確。關(guān)鍵詞：獨立光伏系統(tǒng)，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(fā)展光伏發(fā)電的意義 PAGEREF _Toc778 2 HYPERLINK l _Toc23433 1.1.1 保護氣候和改善環(huán)境 PAGEREF _Toc23433 2 HYPERLINK l _Toc17570 1.1.2 節(jié)省空間 PAGEREF _Toc17570 3 HYPERLINK l _Toc17160 1.1.3 增加就業(yè) PAGEREF _Toc17160 3 HYPERLINK l _Toc9848 1.

9、1.4 提供農(nóng)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(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及趨勢 PAGEREF _Toc24354 4 HYPERLINK l _Toc2934 1.2.1 世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢 PAGEREF _Toc2934 4 HYPERLINK l _Toc17059 1.2.2 國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 PAGEREF _Toc17059 5 HYPERLINK l _Toc4241 第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)

10、 PAGEREF _Toc4241 6 HYPERLINK l _Toc5274 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型 PAGEREF _Toc15759 31 HYPERLINK l _Toc13093 4.4 自適應(yīng)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(yīng)控制技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc19016 37 HYPERLINK l _Toc31181 4.4.3 基于自適應(yīng)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(jié)果與分析 PAGEREF _Toc28608 41 HYPERLINK l _Toc1800 結(jié)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(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，但是這些能量相當(dāng)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(dǎo)致“溫室效應(yīng)”和全球性氣候變化，也不會造成環(huán)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(tài)環(huán)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(fā)各種光電新技術(shù)和光電新型材料，以擴大太陽能利用的應(yīng)用領(lǐng)域。從發(fā)電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應(yīng)用十分廣泛，在某些領(lǐng)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(zhuǎn)換在太陽能的引用領(lǐng)域中占有重要的地位，太陽能電池就是一種經(jīng)由太陽光照射后，把光的能量轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換元件。有人稱之為光伏電池光伏系統(tǒng)。目前的主要問題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴，因此，如何在現(xiàn)有的光電元件轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。本課題從太陽能電池的光伏特性出發(fā)，對于如何提高太陽能電池的

16、能量轉(zhuǎn)換效率，進行了有益的探討。 第1章 緒論1.1 發(fā)展光伏發(fā)電的意義太陽能作為一種可持續(xù)利用的潔凈能源，有著巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力。人類賴以生存的自然資源幾乎全部轉(zhuǎn)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(fā)展的最基礎(chǔ)的能源形式，從現(xiàn)代科技的發(fā)展來看，太陽能開發(fā)利用技術(shù)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(fā)電成本較高，但是從長遠來看，隨著技術(shù)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(fā)展?jié)摿?。光伏發(fā)電著有許多特殊優(yōu)勢，尤其是它可以為邊遠地區(qū)、特殊場合供電?？紤]到光伏發(fā)電的附

17、加價值，它的綜合經(jīng)濟效益大大提升，因此不能單純與傳統(tǒng)發(fā)電模式去比較單位發(fā)電成本。光伏發(fā)電可以降低溫室氣體和污染物排放、創(chuàng)造就業(yè)機會、保障能源安全和促進農(nóng)村尤其是邊遠農(nóng)村的發(fā)展?？傊?，發(fā)展光伏發(fā)電在經(jīng)濟、社會和環(huán)境保護等方面都有著積極的意義，下面來具體討論光伏發(fā)電的發(fā)展意義。1.1.1 保護氣候和改善環(huán)境太陽能光伏發(fā)電最重要的特征是在發(fā)電過程中只排放很少的CO2，而CO2作為最主要的溫室氣體，導(dǎo)致氣候變化的罪魁禍?zhǔn)?。同時，電池板可循環(huán)使用，系統(tǒng)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(fā)電技術(shù)，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(huán)境質(zhì)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(shù)。環(huán)境污染給我國社會經(jīng)濟發(fā)展和人民健康帶來了嚴(yán)重影響。世界銀行估計2020年中國由于空氣污染造成的環(huán)境和健康損失將達到GDP總量的13。而光伏發(fā)電不產(chǎn)生傳統(tǒng)發(fā)電技（例如燃煤發(fā)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(tǒng)報廢后也很少有環(huán)境污染的遺留問題1,2。1.1.2 節(jié)省空間光伏發(fā)電是一種簡單的低風(fēng)險技術(shù)，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(yè)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(tǒng)還可以降低建筑的受熱，增加通風(fēng)。光伏電池板還可以作為隔聲板裝在公路兩側(cè)。光伏發(fā)電在提供大量電力供應(yīng)的同時，避免占用更多的土地。1.1.3 增加就業(yè)光伏發(fā)電可以提供大量的就業(yè)機會。安裝階段創(chuàng)造大量的就業(yè)機會（安裝工人、零售商和服務(wù)工程師），促進地方經(jīng)濟發(fā)展。根據(jù)歐洲光伏發(fā)電行業(yè)信息顯示，生產(chǎn)每兆瓦光伏產(chǎn)品大約產(chǎn)生10個就業(yè)機會，安裝每兆瓦光伏系統(tǒng)創(chuàng)造大約33個就業(yè)機會。批發(fā)和間接供應(yīng)可提供34個就業(yè)崗位，研究領(lǐng)域提供12個就業(yè)機會。整個產(chǎn)業(yè)鏈中，每兆瓦的生產(chǎn)、安裝和使用，可提供50個就業(yè)機會。在未來幾十年，隨著規(guī)模的擴大，自動設(shè)備的使用

20、，這些數(shù)據(jù)會有所降低。但是，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不僅僅是一個資金密集型的產(chǎn)業(yè)，同時也是一個勞動密集型的產(chǎn)業(yè)。目前中國光伏技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的就業(yè)總?cè)藬?shù)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(fā)電將達到裝機容量10億，年生產(chǎn)和安裝量1億，就業(yè)人數(shù)將超過500萬人。1.1.4 提供農(nóng)村電力太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以很容易地在偏遠的農(nóng)村地區(qū)安裝，這些地區(qū)可能多年無法架設(shè)電網(wǎng)。光伏發(fā)電等可再生能源特別適用于遠離電網(wǎng)、零星分布的社區(qū)。離網(wǎng)農(nóng)村電力以家庭為單位或設(shè)立小電網(wǎng)可提供照明、冷藏、教育、通訊和衛(wèi)生等所需電力，提高經(jīng)濟生產(chǎn)力，增加創(chuàng)收的機會。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)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(nóng)村電力需求。2006年底，中國還有無電人口1100萬，使用光伏發(fā)電系統(tǒng)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(chǎn)和消費大國。2006年能源消費總量為246億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比2005年增長9.3%。2006年各種一次能源的構(gòu)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(shù)落后，傳統(tǒng)高能耗產(chǎn)業(yè)比重大，單位GDP能耗落后于發(fā)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(fā)展中國家，

22、經(jīng)濟高速發(fā)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(yán)峻性和緊迫性。中國電力科學(xué)院的研究表明，在考慮到充分開發(fā)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(fā)電進行補充的。而太陽能光伏發(fā)電可能在未來中國的能源供應(yīng)中占據(jù)主要位置。1.2 國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及趨勢1.2.1 世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢能源和環(huán)境問題是近十幾年來世界關(guān)注的焦點，為了實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國都將光伏發(fā)電作為發(fā)展的重點。在各國政府的大力支持下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，最近10年光伏電池及組件生產(chǎn)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(chǎn)量達到2500MWp，累計發(fā)貨量達到8500MWp。值得注意的是，中國2006年光伏電池的產(chǎn)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(chǎn)國。世界光伏產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展的另一個突出特點是：光伏發(fā)電在能源中的替代功能愈來愈大，主要表現(xiàn)在并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用比例增加非?？?，并將成為光伏發(fā)電的主導(dǎo)市場（其它應(yīng)用包括通訊和信號、特殊商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，農(nóng)村離網(wǎng)應(yīng)用、消費品和大型獨立電站等）。從長遠看，太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。根據(jù)歐洲JRC的預(yù)測，到20

24、30年可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中占到30以上，太陽能光伏發(fā)電在世界總電力的供應(yīng)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(fā)電將占總電力的20%以上；到 21世紀(jì)末可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占到80以上，光伏發(fā)電占到60以上，顯示出重要戰(zhàn)略地位4。1.2.2 國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)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(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上，于1973年開始將光伏電池用于地面。中國光伏工業(yè)在20世紀(jì)80年代以前尚處于雛形，光伏電池的年產(chǎn)量一直徘徊在10kWp以下，價格也很昂貴。由于受到價格和產(chǎn)量的限制，市場的發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源，在地面上光

25、伏電池僅用于小功率電源系統(tǒng)，如航標(biāo)燈、鐵路信號系統(tǒng)、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(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領(lǐng)域投入了一定資金，使得我國十分弱小的光伏電池工業(yè)得到了鞏固，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域建立了示范，如微波中繼站、部隊通信系統(tǒng)、水閘和石油管道的陰極保護系統(tǒng)、農(nóng)村載波 系統(tǒng)、小型戶用系統(tǒng)和村莊供電系統(tǒng)等。中國光伏發(fā)電的市場主要在通信和工業(yè)應(yīng)用、農(nóng)村和邊遠地區(qū)應(yīng)用、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和太陽能商品等方面。所有這些應(yīng)用領(lǐng)域中，大約有53.8是屬于商業(yè)化的市場（通信工業(yè)應(yīng)用和太陽能光伏產(chǎn)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(nóng)村電氣化和并網(wǎng)光伏發(fā)電。由于并網(wǎng)成本很高，并網(wǎng)光伏發(fā)電目前還處于示范階段3。第2章 光伏發(fā)電系統(tǒng)2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與常規(guī)電力系統(tǒng)相連可以分為獨立運行系統(tǒng)與并網(wǎng)運行系統(tǒng)。獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文研究的是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此就不對并網(wǎng)運行光伏發(fā)電系統(tǒng)做過多敘述。獨立運行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)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(gòu)成。光伏電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)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(tǒng)一般還需要蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，根據(jù)負載的需要，當(dāng)光伏電池發(fā)電量大于負載時，光伏電池通過充電器對蓄電池電；當(dāng)發(fā)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(zhuǎn)化為交流電。圖2-1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 帶有最大功率跟蹤功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)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(guān)，一方面蓄電池的內(nèi)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(diào)節(jié)，造成資源的浪費；另一方面蓄電池的充電電壓隨外界環(huán)境的變化而變化，不穩(wěn)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(huán)節(jié)，它既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩(wěn)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(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖2-2 帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池5。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。所謂的光生伏打效應(yīng)是指某種材料在吸收了光能之后產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。在氣體，液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)

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(jié)。通常，用于光伏電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)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(dǎo)體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當(dāng)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)體，以符號N代表。若把這兩種

30、半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個 PN結(jié)。光伏電池的奧妙就在這個“結(jié)”上，PN結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。如圖3-1所示，當(dāng)光伏電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電。這樣，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)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(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。制造光伏電池的半導(dǎo)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(shù)最成熟，并具有商業(yè)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(fā)電系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)匹配，達到最佳的發(fā)電效果，則有必要為光伏電池建立起數(shù)學(xué)模型。通過這些數(shù)學(xué)關(guān)系，來反映出光伏電池各項參數(shù)的變化規(guī)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(guān)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(shù)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(fā)現(xiàn)：串聯(lián)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(lián)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(shù)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(tài)時，=0,光電流全部流經(jīng)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(guān)系。同時，開路電壓也與二者有密切的關(guān)系，如下： (3-6)其中，為標(biāo)準(zhǔn)測試條

33、件（光伏電池溫度為25，日照強度為1000W/，稱之為標(biāo)準(zhǔn)測試條件）下的開路電壓，為開路電壓的溫度系數(shù)。表3-1 單個光伏電池等效電路參數(shù)表參數(shù)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(shù)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(dǎo)體材料禁帶寬度常量短路電流溫度系數(shù)常量A,B理想因子介于1和2之間標(biāo)準(zhǔn)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(lián)或串聯(lián)組合所組成的。光伏電池串聯(lián)組合可以提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最高輸出直流電壓；光伏電池并聯(lián)組

34、合可以提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最高輸出直流電流。因此，通過對光伏電池串、并聯(lián)交替組合可以得到期望的直流電壓或電流。據(jù)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(lián)、串聯(lián)個數(shù)。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其I/V特性是日照強度、環(huán)境溫度和光伏模塊參數(shù)的非線性函數(shù)。要實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境溫度變化，因而這樣的系統(tǒng)仿真不能反映上述參數(shù)變化對整個系統(tǒng)性能的影響。在光伏發(fā)電

35、系統(tǒng)設(shè)計中，光伏電池板的生產(chǎn)廠家一般會提供該光伏陣列的參數(shù)，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(shù)直接帶入相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即可得出光伏陣列的運行參數(shù)。表3-1列出了無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列的各項參數(shù)。它由36個單結(jié)晶硅光伏電池串聯(lián)而成，根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)測試條件下的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)2.06(）開路電壓溫度系數(shù)

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(jù)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(dāng)外部負載開路時，知=0，此時 （3-9）因此可求得 （3-10）根據(jù)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(jù)上式可建立子模塊如圖圖3-7 子模塊3. 求解串聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)測試條件下的串聯(lián)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(shù)據(jù)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(jù)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(tǒng)最大功率跟蹤的原理在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高光伏電池的轉(zhuǎn)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(huán)（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(yīng)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(tǒng)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(dāng)光強變化時，光伏電池的輸出特性也會變化，則可以相應(yīng)地調(diào)整負載阻抗，使它仍能工作在最大功率點上。在不同的環(huán)境條件下，按輸出最大功率的要求來進行調(diào)整負載阻抗，則能使太陽能得到最大利用，即實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(yīng)的負載阻抗，就可以通過調(diào)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(dāng)外界環(huán)境變化時，仍然可以

40、通過不斷調(diào)整變換器的開關(guān)占空比D，實現(xiàn)光伏電池與DC/DC變換器之間的動態(tài)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(dǎo)法15等，但是應(yīng)用最為廣泛的是干擾觀察法和增量電導(dǎo)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(yán)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(yīng)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(yīng)關(guān)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(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)壓器的功能，使陣列的工作點始終穩(wěn)定在附近。這樣不但簡化了整個控制系統(tǒng)，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(yīng)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(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，比一般光伏系統(tǒng)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(dāng)環(huán)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(yīng)的電壓也將隨著環(huán)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(qū)，CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤到光伏陣列的最大功率點。采用CVT以實現(xiàn)MPPT控制，由于其

43、良好的可靠性和穩(wěn)定性，目前在光伏系統(tǒng)中仍被較多使用，但隨著光伏系統(tǒng)數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)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(jīng)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(xiàn)，但是響應(yīng)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(wěn)態(tài)情況下，這種算法會導(dǎo)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(fā)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(jīng)典的干擾觀察算法簡述如下：光伏系統(tǒng)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(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向“干擾”；若PV，故線性減小。圖4.9 功率開關(guān)管Q截止時等效電路 （4-6）當(dāng)時，Q又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。由此可見，Boost變換電路的工作分為兩個階段，Q導(dǎo)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(guān)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(guān)管和二極管輪流工作，Q導(dǎo)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(wěn)態(tài)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(dǎo)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(guān)系： (4-7)4.3.2 Boost電路實現(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型無論是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)還是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，這些光伏發(fā)電系統(tǒng)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(gòu)成的。目前對實現(xiàn)光伏發(fā)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(chǔ)上，添加電力電子器件或者通過狀態(tài)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)镾im 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(nèi)部電路特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)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(chǔ)上，建立了基于Boost電路阻抗變換的實現(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型。利用該模型不需要精確的內(nèi)部電路特性和相關(guān)參數(shù)，就可以實時模擬光伏陣列及其MPPT的實現(xiàn)。當(dāng)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(jù)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(guān)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(dāng)改變Boost電路開關(guān)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(jù)Boost電路的阻抗變換關(guān)系，在Matlab的Simulink模型窗中建立阻抗變換關(guān)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(tǒng)，模擬日照輻射強度為600W/，環(huán)境溫度為25時，負載100，通過調(diào)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(dāng)光伏陣列帶不同負載時，可以通過調(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)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(dāng)=3時，Boost變換電路并不能通過阻抗變換實現(xiàn)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(shù)，由此可知Boost變換電路只能夠?qū)崿F(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(diào)整使光伏陣列能輸出當(dāng)前工作條件下的最大功率。在當(dāng)前工作環(huán)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(shù)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。4.4 自適應(yīng)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(xiàn)簡單，是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)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(dāng)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(diào)整PWM信號來調(diào)節(jié)變換電路，從而實現(xiàn)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(huán)節(jié)才能實現(xiàn)。(1) 計算光伏陣列輸出電壓或電流參考值。(2) 調(diào)節(jié)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(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜。通過前面的仿真分析，發(fā)現(xiàn)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(guān)系。圖4-15為Boost變換電路的P-D關(guān)系圖，可見它與光伏陣列的P-V或P-I關(guān)系類似，并且當(dāng)=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(diào)整PWM信號的占空比D，來調(diào)節(jié)變換電路的輸入輸出關(guān)系，從而實現(xiàn)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(dāng)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(shù)，只需要一個控制循環(huán)，從而減小了控制器的設(shè)計復(fù)雜度。4.4.2 自適應(yīng)控制技術(shù)介紹自適應(yīng)控制理論是在控制工程中提出的。在復(fù)雜的控制過程中，控制的目的都是使受控對象的狀態(tài)或運動軌跡符合預(yù)定的要求，在一些參數(shù)或模型比較清晰的系統(tǒng)中，我們可以根據(jù)參考模型或性能參數(shù)來進行控制，但隨著近代工業(yè)的發(fā)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(tǒng)的控制理論就失去作用，但自適應(yīng)控制理論卻可以非常理想地解決這些問題。自適應(yīng)控制系統(tǒng)大概包括以下幾種：自校正控制系統(tǒng)、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等，雖然自適應(yīng)理論起步較晚，但在控制過程中已經(jīng)體現(xiàn)出其獨有的優(yōu)越性，已經(jīng)被應(yīng)用在各種場合，均取得理想的效果。4.4.3 基于自適應(yīng)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(shù)設(shè)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(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度的問題18。在前面提到的占空比干擾觀察法中，調(diào)整占空比D時仍然存在調(diào)整步長大小的問題：步長過小，跟蹤時間拉長而影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(wěn)態(tài)誤差變大。該問題通過加入步長的自動在線調(diào)整器a得到解決12，該方案能夠同時保證系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能。 （4-9）其中：a(k)為干擾電壓V的調(diào)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(yīng)調(diào)節(jié)的靈敏度。當(dāng)外界環(huán)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(dǎo)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(diào)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(dāng)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(diào)整引起的，此時a(k+1)較a(k)變化不應(yīng)很大。而當(dāng)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(tǒng)的干擾觀察法往往會導(dǎo)致系統(tǒng)工作點在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致一定功率損失，于是引入?yún)?shù)e，對進行判斷

56、，當(dāng)e時，系統(tǒng)即認為找到了最大功率點，e的大小可以根據(jù)不同精度要求而定。和傳統(tǒng)的干擾觀察法不同的是，當(dāng)找到系統(tǒng)最大功率點之后，不是繼續(xù)擾動，而是停止擾動。之所以這樣做，是因為如果繼續(xù)擾動的話，系統(tǒng)就始終無法工作在最大功率點上，從而造成系統(tǒng)的輸出不穩(wěn)定，并降低系統(tǒng)效率。因為在日照時間，短時間內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)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(yīng)干擾觀察法流程圖此尋優(yōu)方法與傳統(tǒng)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(tǒng)的最大功率點，但不同的是，擾動幅度的大小根據(jù)系統(tǒng)

57、工作點的不同而不同，體現(xiàn)了自適應(yīng)的思想，既提高了系統(tǒng)的快速性，也提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；找到最大功率點后，傳統(tǒng)的干擾觀察法無法穩(wěn)定工作在最大功率點，而本系統(tǒng)則可以保證系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)如圖4-18。MPPT控制算法由M文件編寫的S函數(shù)中實現(xiàn)，S函數(shù)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(jié)合起來，不但仿真模型簡單，而且大大降低了執(zhí)行時間。在此基礎(chǔ)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(yīng)干擾觀察算法MPPT_SF.M。S函數(shù)的輸入信號為光伏陣列當(dāng)前的輸出功率，輸出信號為經(jīng)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(guān)參數(shù)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(yīng)對環(huán)境的變化，反應(yīng)速度較慢；若取值過大，則不能準(zhǔn)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(shè)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(yīng)占空比擾動觀察法的S函數(shù)時，同樣有兩個參數(shù)會影響其跟蹤效果。e的取值可以根據(jù)系統(tǒng)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(dǎo)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(xiàn)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(tǒng)4.4.5 仿真結(jié)果與分析設(shè)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(shè)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(shè)置步長U=0.05V，得到波形如圖4-19。運

60、用改進的自適應(yīng)干擾法設(shè)置參數(shù)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(fā)現(xiàn)：圖4-19波形跟蹤速度較快，動態(tài)響應(yīng)性能較好，但到達穩(wěn)態(tài)后有存在一定的波動，其穩(wěn)態(tài)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(huán)境因素變化的反應(yīng)也非常迅速，而且?guī)缀鯖]有穩(wěn)態(tài)誤差，因而具有良好的動、穩(wěn)態(tài)性能。由此可見，將自適應(yīng)擾動觀察法應(yīng)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(yīng)MPPT仿真波形結(jié)論光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不僅是當(dāng)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(fā)電系統(tǒng)最大功率