电气工程及其自动化毕业设计-光伏电池建模与最大功率点跟踪技术探析.pdf

1、 . . 订线 山东农业大学 毕 业 论 文 光伏电池 建模与 最大功率点 跟踪技术探析 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气 工程及其自动化 5 班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 二 一 五 年六月 一 日 装 装 订 线 线 . . . i 目 录 摘要 . I Abstract . II 引言 . 1 1 太阳能发电系统简介及光伏电池特性研究 . 2 1.1 光伏发电系统 . 2 1.1.1 独立供电的光伏发电系统 . 2 1.1.2 并网光伏发电系统 . 3 1.1.3 混合型光伏发电系 统 . 4 1.2 光伏电池 . 4 1.2.1 光伏电池及发展趋势 .

2、 5 1.2.2 太阳能电池的数学模型 . 5 1.2.3 光伏阵列的仿真模型 . 8 2 常见的 MPPT 技术 . 12 2.1 恒定电压法 . 13 2.2 扰动观察法以及改进扰动观察法 . 15 2.3 电导增量法 . 19 3 实现 MPPT（ Maximum Power Point Tracking）的硬件电路 . 22 3.1 常见的 DC/DC 电路 . 23 3.1.1 降压型变换器 . 23 3.1.3 降压 -升压变换器 . 24 3.2 各种 DC/DC 电路的仿真与分析比较 . 25 3.2.1 降压 变换电路 . 25 3.2.2 升压电路的仿 真模型 . 27 3

3、.2.3 降压 -升压变换器的仿真 . 28 3.3 DC/DC 变换电路实现功率控制的原理 . 31 3.4 基于 Boost 电路的 MPPT 仿真（以 INC 法为例） . 32 4 总结 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 37 ii Contents Abstract . II The introduction . 1 1 Introduction of solar power generation system and Research on the characteristics of photovoltaic cells . 2 1.1 Photovoltaic power

4、 generation system . 2 1.1.1 Photovoltaic power generation system with independent power supply . 2 1.1.2 Grid connected photovoltaic system . 3 1.1.3 Hybrid photovoltaic power generation system . 4 1.2 Photovoltaic cell . 4 1.2.1 Photovoltaic battery and its development trend . 5 1.2.2 Mathematical

5、 model of solar cell . 5 1.2.3 Simulation model of photovoltaic array . 8 2 Common MPPT Technology . 12 2.1 Constant voltage method . 13 2.2 Perturbation and observation method and the improved perturbation and observation method . 15 2.3 Incremental conductance method . 19 3 MPPT (maximum power poi

6、nt tracking hardware circuit) . 22 3.1 Common DC/DC circuits . 23 3.1.1 Buck Converter . 23 3.1.3 Buck boost converter . 24 3.2 Simulation and analysis of various DC/DC circuits . 25 3.2.1 Buck converter circuit simulation model . 25 3.2.2 Boost converter circuit simulation model . 27 3.2.3 Buck - B

7、oost converter circuit simulation model . 28 3.3 The principle of power control for DC/DC converter . 31 3.4 Simulation of MPPT based on Boost (taking INC as example) . 32 4 Summary and Prospect . 35 References . 36 Acknowledgements . 37 I 光 伏 电 池 的 建 模 与 最 大 功 率 点 跟 踪 技 术 探 析 摘 要 ： 在 传 统 能 源 日 益 枯

8、竭 的 大 环 境 下 ， 寻 找 新 型 可 替 代 能 源 的 任 务 迫 在 眉 睫 ， 太 阳 能 作 为 一 种 清 洁 高高 效 的 新 型 能 源 受 到 人 们 的 广 泛 关 注 。 在 光 伏 发 电 系 统 的 建 立 中 ， 光 伏 电 池 的 最 大 功 率 点 跟 踪 技 术 是 其中 的 核 心 技 术 、 是 决 定 光 伏 发 电 的 转 化 效 率 的 重 要 环 节 。 本 文 重 点 研 究 了 几 种 光 伏 发 电 中 最 大 功 率 点 跟踪 技 术 ， 以 探 寻 实 现 最 大 光 伏 发 电 转 换 效 率 的 方 式 。 本 文 首 先 介

9、 绍 了 光 伏 发 电 的 发 展 历 程 、 国 际 上 与 光伏 发 电 相 关 的 研 究 进 展 ， 将 光 伏 发 电 相 对 于 传 统 发 电 方 式 进 行 了 比 较 。 其 次 ， 本 文 还 对 光 伏 电 池 的 特 性进 行 分 析 ， 并 利 用 Matlab 对 其 不 同 环 境 因 素 影 响 下 的 工 作 特 性 进 行 了 仿 真 ， 紧 接 着 ， 本 文 对 几 种 常 见的 最 大 功 率 点 跟 踪 技 术 （ 恒 定 电 压 法 、 扰 动 观 察 法 、 改 进 扰 动 观 察 法 、 电 导 增 量 法 ） 进 行 详 细 的 分 析 ，

10、本 文 利 用 DC/DC 直 流 斩 波 电 路 实 现 最 大 功 率 点 控 制 技 术 ， 并 用 在 simulink 中 建 立 相 应 的 模 型 对 几 种 最大 功 率 点 跟 踪 技 术 进 行 仿 真 。 最 后 ， 本 文 还 对 实 现 MPPT 的 DC/DC 斩 波 电 路 进 行 甄 选 ， 选 定 Boost 电路 作 为 实 现 MPPT 的 硬 件 电 路 。关 键 词 ： 光 伏 发 电光 伏 电 池最 大 功 率 点 跟 踪Simulink 仿 真II The Modeling of Photovoltaic Cells and The Analysi

11、s of Several MPPT Technologies Abstract: It is well known to us that with thecircumstances of traditional energy sources dried up increasingly.The need ofnew alternative energy is imminent. Solar energy as a new energy, because of its use of environmental protection and sustainability of energy rese

12、rves is almost infinite, occupies an important position in the process of the development of new energy. Maximum power point tracking technology is the key of the photovoltaic power generation technology, is an important approach to determine the photovoltaic conversion efficiency. Thisarticle focus

13、es on several photovoltaic maximum power point tracking technology, in order to probe the way to achieve maximum photovoltaic conversion efficiency. This paper first introduces the development of photovoltaic power generation, photovoltaic and international related research progress, and the compari

14、son of photovoltaic power generation compared with the traditional power mode, and to describe the future of photovoltaic power generation. Secondly, this paper also analyzes the characteristics of photovoltaic cells, and by using the Matlab under different environmental factors that influence its o

15、perating characteristics are simulated, and then, in this paper, several common maximum power point tracking technology (constant voltage method, disturbance observation method, the incremental conductance method, adaptive step n) detailed analysis, respectively, to introduce the advantages and disa

16、dvantages compared at the same time, this paper, by using DC/DC chopper circuit to realize the control technology of maximum power point, and the mathematical model is set up in simulink simulation on maximum power point tracking technology. In addition the article also reviewed some new technology

17、of maximum power point tracking (fuzzy control and neural network)was introduced in brief. Simulation results show that in the maximum power point tracking technology of several common, minister of the improved adaptive step with better performance.Keywords: Photovoltaicgeneration;Solar cells; Maxim

18、umpower point tracking; Simulation1 引言 能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻木取火到近现代的化石 能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等新型能源的开发利用 见 证 了 人类社会的 迅速进步。然而，随着人类社会的迅速发展，能源的需求也日益增加。数据表明，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机已展现在人类面前。在 21 世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可开采量为 39.9 年，天然气可采量为 61 年，煤炭可采量为 227 年，化石能源的可开采量日益减少，能源危机近在眼前。 太阳能作为一种安全、高效、清洁、储备量的近乎无限的新型

19、能源，在全世界范围内受到广泛关注。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能量都是来源于太阳；即便是地球上的化石燃亮（如煤、石油、天然气等）从根本上说，也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围十分广阔，狭义的太阳能则局限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。光伏发电的研究表明，光伏发电具有充分清洁、绝对安全、资源充足广泛、使用寿命长、维护费用低等其他传统的常规能源不具有的有点。以 30KW 光伏电站为例，年均发电 量可达 3 万度左右，与同功率的火电站相比，每年实际节约标准煤 12.5 顿，减排煤渣 3 吨，减排二氧化碳 31.5 吨。数据表明光伏发

20、电具有巨大的经济意义与环境效益 1。 自 1939 年法国科学家贝克雷尔 发现 半 导体材料的 “光生伏打 ”效应，到 1954 年美国贝尔实验室两位研究人员恰宾与皮尔松成功研究出转换效率为 6%的光伏电池，光伏发电开始逐渐走向人们的生活。上世纪 70 年代受石油危机影响，光伏电池研究进度被加快，光伏电池生产实现商品化，至今光伏发电已经成功从局限于军事等特殊领域方向转化为居民生活用电的重要补充形式。 世界各国 多对自己的光伏产业制定了相应的发展道路。 1990 年，德国提出光伏屋顶计划，到 2010 年，德国光伏产品安装量达到 7 亿瓦，大致占到全球光伏产品安装量的 47%。1997 年，美国

21、提出了 “百万屋顶计划 ”。而根据美国太阳能产业联合会 2015 年 3 月初发布的数据，太阳能电池板的装机容量由 2000 年不到 0.3 千兆瓦达到 2014 年的 45 千兆瓦。 2目前，光伏发电产生的电力供应占到美国全国发电总量的 32%，仅次于天然气。 2002 年，日本光伏电池生产总量在短短十年内就超过美国，并以 48.6%的速度快速增长。国际能源机构预测，预计 到 2050 年太阳能发电的能源供应比例将达到全球电力供应的 27%。可以看出，光伏产业已经成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。 我国有丰富的太阳能资源，年总辐射量大于 3780MJ/2的地区占国土面积的 96%以上。

22、中国陆地表面积每年接受到的太阳辐射相当于 1.7 万亿顿标准煤完全燃烧所释放出的能量3我国太阳能电池研究始于 1958 年， 80 年代前基本出于雏形期， “十五期 ”间得到迅速发展2010 年我国的光伏发电累计装机容量达到 600MW， 预计到 2020 年累计装机容量将达到30GW， 2050 年将达到 100GW。根据电力科学院的预测 ， 到 2050 年中国可再生能源发电2 将占到全国总电力装机的 25%， 其中光伏发电将占 5%。 光伏发电具有优势的同时，实际应用中还存在一定的问题。首先，发电成本过高。与煤电相比，光伏发电的成本是煤电的 1118 倍，在缺少相关政策的支持下，光伏发电

23、难以普及推广。综合国外光伏发电的情况来看，光伏产业大都得到各项政策的优惠与补贴。成本、市场、政策，是太阳能发电产业面临的三大障碍。其次光伏发电受地理位置、光照强度、光伏电池特性等因素制约。目前光伏电池的转换效率水平较低，光伏发电系统还需要一定的辅助线 电路，提高控制难度的同时制约了光伏产业的发展。此外，光伏发电系统相对较复杂，系统运行时也存在很多问题。输出电能易受外界干扰，孤岛效应检测盲区等，在一定程度上干扰制约了光伏发电产业的发展。 光伏电池的输出具有明显的非线性特征，输出功率随环境状态的改变而改变，工作点难以稳定在最大工作点附近，影响系统的功率输出效率。传统 MPPT 算法跟踪速度慢，最大

24、功率点处存在功率损失。常见的 MPPT 算法分为智能化与非智能化两大类。本文对几种常见的 MPPT 算法进行了较为详细的分析并通过 Matlab 进行验证。 1 太阳能 发电系统简介 及 光伏电池特性研究 随 着能源的日益枯竭，新能源的地位和作用日益凸显。光伏发电作为一种高效清洁能源，受到广泛的关注与青睐。太阳能发电现在有两种方式，即热发电和光伏发电，其运行原理和使用范围都有较大的差别。太阳能热发电也叫做聚焦型太阳能热发电，与光伏发电不一样，它是通过各种物理方式把太阳能直射光聚集起来并产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动汽轮机来发电的。依据集热方式的不同，又可分为太阳能槽式热发电、太阳能塔式热发电和太

25、阳能碟式热发电三种太阳能热发电又是一种新型的太阳能发电方式，之前所说的太阳能发电一般都是指光伏发电。 光伏发电的原理是通过太阳能辐射将能量转化为电能，是新能源发电领域内的重要应用方式之一 4。 1.1 光伏发电 系统 太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三 种 。 1.1.1 独立供电的光伏发电 系统 独立供电的太阳能光伏发电系统如图 1-1 所示 3 太阳能电池板 DC / DC 蓄电池 直流负载控制器 逆变器 交流负载图 1-1 独立供电的光伏太阳能发电系统 独立供电光伏发电系统主要由四个部分组成，即太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器。整

26、个系统一般采用铅酸蓄电池作为储能环节，在 光照充足的情况下由光伏阵列将太阳能直接转化为直流形式的电能，在供给整个系统负载的同时给铅酸蓄电池充电。在光照不充足的夜晚、阴天等时间，由蓄电池向外放电，维持系统的正常运行。系统的控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制联合组成。 1.1.2 并网 光伏发电系统 并网光伏发电的系统结构图如图 1-2 所示 太阳能光伏电池板 DC / DC 逆变器电网交流负载控制器图 1-2 并网光伏发电系统的结构图 与独立的光伏发电系统不同，并网光伏发电系统直接与电网相连，逆变器在整个系统中起到重要的最用。逆变在实现直 -交流转换功能的同时将整个系统与电网连接

27、起来。常用的并网光伏发电系统分为两大类结构。 一种是有 蓄电池环节的并网发电环节，称为可调度式并网发电光伏发电系统，该类系统具有 不间断电源的作用，这种系统的配置方式对于重要负荷以及个体用户有着及其重要的意义。此外，在提高供电稳定性的同时该系统还可以作为功率调节器，稳定电网电压 同时 消除电网中有害的高次谐波分量。 另一种是不含有蓄电池环节的并网光伏发电系统，称为不可调度式并网光伏发电系统。这一类的系统可以通过光伏阵列将其产生的直流电能转化为与电网同频的交流电能。系统4 在光照充足 的情况下供给系统负载使用的同时，多余的电能则将通过线路反馈回电网。而当光照达不到光伏阵列的发电基础的时候则通过电

28、网补进电能维持系统的正常运行。 1.1.3 混合型 光伏发电系统 图 1-3 为混合型光伏发电系统 太阳能电池板发电机组主开关 逆变器控制器 交流负载直流负载蓄电池图 1-3 混合型光伏发电系统 与前两种系统的运行方式不同，混合型光伏发电系统中采用了一台备用发电机组，光伏阵列中出现发电量不足或者蓄电池中的电量耗尽时，备用发电机组自行启动运行，既可以直接给交流负载供电，又可以经整流后通向直流负载进行供电。这样的 系统被称为混合型光伏发电系统。 1.2 光伏电池 太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级

29、半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能 ， 并使之转变成电能的直接发电方式 ,是当今太阳光发电的主流。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。 1.2.1 光伏电池 及发展趋势 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏 电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应 6。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。 5 改善太阳能电池的性能 ， 降

30、低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向 。 作为太阳能电池材料 ， 其中 ： (1)由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本 ， 将最终取代单晶硅电池 ， 成为市场的主导产品 。(2) 族化合物及 CIS 等属于稀有元素 ， 尽管转换效率很高 ， 但从材料来源看 ， 这类太阳能电池不可能占据主导地位 ； (3)有机太阳能电池对光的吸收效率低 ,从而导致转换效率低 。(4)染料敏化纳米 TiO2 薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就 ， 但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题 。 另外目前多沿用液态电解质 ， 但液态电解质存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷 ， 使得制备全固态太阳能电池成为 必然 发展 方向 。 目前 ， 大部分全固态太阳能电池光电转换率都不很理想 。 纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势挑战未来 ， 相信 ， 随着科技发展以及研究推进 ， 这种太阳能电池应用前景广 阔无限 16。 1.2.2 太阳能电池 的数学模型 光伏电池的本质是一个具有特殊功能的 PN 节，接受光照刺激后，空穴与电子的相对移动从而形成电势差 。在光伏发电系统的设计中，通常需要对光伏电池设计出等效电路 。以光伏阵列的等效电路设计出相应的数学模型，从而借助数学函数反映光伏阵列的具体物理特性。 图 1-4 光伏电池等效电路