电气工程及其自动化毕业设计-基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的光伏发电研究及其仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期目录摘要 .1 课题背景 .11.1 能源与环境危机 .11.1.1 能源 .11.1.2 环境 .11.2 太阳能光伏发电技术发展简介 .11.3 太阳能光伏发电利用的优势 .21.4 光伏发电系统的分类级组成 .31.5 国内外研究产业现状及规划 .42 光伏发电系统 .62.1 光伏发电系统介绍 .62.2 太阳能光伏发电系统的应用 .72.2.1 屋顶光伏发电系统 .72.2.2 户用光伏发电系统、小型光伏电站 .72.2.3 大型并网光伏发电系统 .72.3

2、带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 .83 光伏阵列特性及其仿真模型的研究 .93.1 太阳能电池的等效电路分析 .93.2 电池板 matlab 仿真 .113.3 蓄电池充电方法 .124 新型变步长 MPPT 控制方法研究 .154.1 MPPT 原理研究 .154.1.1 MPPT .154.1.2 基于 Boost 拓扑的 MPPT 原理 .164.2 常见的两种 MPPT 控制技术 .184.2.1 扰动观察法 .184.2.2 电导增量法 .215 光伏充、放电控制器的硬、软件设计 .245.1 控制器的整体设计及预期技术指标 .245.2 Boost 电路实现光伏阵列

3、 MPPT 的仿真模型 .255.3 软件设计 .25参考文献 .34致谢 .35ContentsAbstract .1 backgrond.11.1 Energy and environmental crisis .11.1.1 energy.11.1.2 environment.11.2 the introduction of Solar photovoltaic .11.3 The advantages of solar energy photovoltaic .21.4 Classification and composition of photovoltaic system .31.

4、5 present situation and planning at Domestic and abroad .32 Photovoltaic power generation systems .52.1 introduction.52.2 The application of solar photovoltaic system .52.2.1 Photovoltaic roof system.52.2.2 Household photovoltaic and small pv power station .62.2.3 Large grid photovoltaic power gener

5、ation systems .62.3 The most power tracing pv systems .63 Research of photovoltaic array and its simulation model .73.1 Solar battery equivalent circuit analysis .73.2 Panels of matlab.103.3 Battery charging method.124 A new variable MPPT control method research .154.1 rinciple of MPPT research.154.

6、1.1 MPPT .154.1.2 Based on the principle of MPPT of the Boost topology .144.2 Two common MPPT control technology .184.2.1 Disturbance observation.184.2.2 Incremental conductance method.215 the charge and discharge controller hardware, sofftware design .245.1 The integral design of the controller and

7、 the expected.245.2 Boost circuit and MPPT photovoltaic array .255.3 sofftware design.25references .34acknowledge.35基于 MATLAB 的光伏发电研究及其仿真摘要：近些年来，随着社会生产的发展,对新能源光伏产业的要求越来越大。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率,利用 MATLAB 建模仿真部分对最大功率点跟踪（MPPT）的控制器进行了研究。论文分析了常用的蓄电池充电控制方法、光伏电池的特性及其最大功率点跟踪的原理和方法。通过 MATLAB 软件对不同环境下的光伏电池输出

8、特性进行了建模、仿真。分析了最大功率点跟踪的工作原理,介绍了常用的最大功率点跟踪方法,并在此基础上提出了一种新的扰动观察法。最后,通过比较三种常用的 DC/DC 变换器的工作原理,提出利用 BOOST 型 DC-DC 变换器实现转换,对参数进行分析后建立了BOOST 型 DC/DC 变换器的仿真模型。关键词:太阳能光伏发电 MATLAB 仿真 最大功率点跟踪 Boost 型 DC-DC 变换器Simulation Research of Photovoltaic Power Generation System Based on MatlabAbstract：In recent years, w

9、ith the development of social production, to the requirements of new energy pv industry bigger and bigger.In this paper how to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system, using MATLAB simulation modeling part of maximum power point tracking (MPPT) controller is s

10、tudied.This paper analyses the common battery charging control methods, the characteristics of photovoltaic cells and the principle and method of maximum power point tracking.Through the MATLAB software for photovoltaic cells output characteristics under different environment modeling and simulation

11、.Analyzed the working principle of the maximum power point tracking maximum power point tracking methods are introduced, and based on this, advances a new disturbance observation.Finally, by comparing three kinds of commonly used the working principle of the DC/DC converter is proposed using the BOO

12、ST DC - DC converter to realize the transformation, analysis of parameters was established after the BOOST type simulation model of DC/DC converter.Keywords: Photovoltaic Energy, MATLAB Simulation ,MPPT , Boost DC-DC Converter11 课题背景1.1 能源与环境危机1.1.1 能源能源成为了新世纪发展的主要动力，他在经济发展中扮演着很重要的角色，能源的多少关系着一个国家的经济

13、安全和国家安全。在上一个世纪中，煤、石油、天然气等成为最为普遍的传统能源，而在当时，人类还对能源影响环境之类问题的严重性没有给予足够的重视，由此导致了温室气体的急剧增加，气候异常，环境污染增多等，严重影响了人类的生存环境和日常生活质量。根据统计，我国在能源蕴藏量上位居世界前列，但同时也是目前世界第二大能源生产国和消费国。中国在能源开发利用方面呈现出一些主要特点：（1）煤炭成为主要能源之一，他的可再性还有开发利用程度比较低。目前世界主要以煤炭还有石油为主要能源物质，并且正在由煤炭为主向汽油为主的的结构快速变化。然而，中国依然还是世界上即为少数几个国家依然以煤炭资源为主。（2）我国的每年能源消耗总

14、量处于递增状态，但是能源利用效率较低。伴随着中国经济规模的不断扩大，中国在能源消费跟开发方面呈持续上升趋势。（3）我国的能源开发利用多数是以内供为主，由于设备科技质量跟不上世界发达国家的标准导致优质量的能源供应不足，再加上浪费严重导致环境污染变本加厉。随着社会发展，能源消费不断提高，石油、煤炭的废弃物给大气造成很大的污染，过度开发能源导致生态破坏，环境问题日益严重。这几个环境问题是我国能源开发引起的主要问题，要实现中国的可持续发展就要提高能源的利用率，并加快步伐开发新的环保能源。1.1.2 环境进入 21 世纪，世界经济突飞猛进，各国对能源的需求也日益增多，由于对煤炭石油等不可再生能源的过度开

15、发利用，生态坏境日益严重。伴随着石油、煤炭等不可再生能源的濒危缺乏警告，新能源开发问题已经成为国际社会的共同话题，为了走能源的可持续发展道路并保护生态环境，很多新的环保能源相继开发，比如潮汐能、风能、沼气能还有太阳能，越来越多的国家开始开发新的环保能源并且实施“阳光计划” 。由于太阳能作为可再生能源取之不尽用之不竭，而且对环境无污染等多种优势，各国正在加大力度开发太阳能资源，研发新的科技来开发太阳能资源，因此开发和利用太阳能对于减缓环境污染和替代不可再生能源有着重要意义。1.2 太阳能光伏发电技术发展简介太阳能的开发和利用一共有四种主要的形式：光伏的利用、光热的利用、光化学的利用和光生物的利用

16、。在应用领域里最重要的是以光伏电池技术为主2要核心的太阳能的光伏利用、直流-交流逆变器(DC/AC 逆变器)和太阳能光伏(DC/DC 变换器)等。太阳能控制器是用来为蓄电池提供最佳充电电压和电流，然而其最主要的作用就便是最大功率跟踪(MPPT )的控制。MPPT 通过控制调节负载的功率，从而改变光伏电池的输出电流和输出电压，光伏电池始终在受外界环境影响的最大功率点附近工作，从而实现输出功率的最大化。当直流输电的升降压变换器在光伏发电系统向配电房输送直流电时，我们需要使用的是升压变换器；当蓄电池或者太阳能电池往高压电的用电器输送电时，由于升压输出，所以也要选择升压变换器；控制光伏阵列的工作点、对

17、蓄电池充电以及负载调节等，通常选用降压变压器。DC-AC 逆变器分为无源式和有源式逆变器两类。在光伏发电系统中，逆变器就是将太阳能光伏阵列和蓄电池提供低压直流电。当逆变器向交流负载提供电能时，用光伏阵列把直流电转化为交流电来实现。在独立光伏发电系统中，通常把无源式逆变器为交流负载来供电。对于并网光伏发电系统，通常用有源式逆变器，通过开关电路，以 PWM 方式产生调制的正弦波交流电力。蓄能是光伏发电系统的重要组成部分，所以我们使用的蓄电池，便是独立光伏发电系统中必不可少的一部分。把光伏阵列发出多余的直流电储存起来，供负载使用。1.3 太阳能光伏发电利用的优势如今世界范围的能源危机和环境污染迫使我

18、们去寻找新的可再生能源既能替代又能无污染。太阳能作为一种新能源，与煤炭、石油、天然气、核能等常规能源相比有如下优点：(l)资源丰富。太阳能是用之不竭，取之不尽的可再生能源，可供地球利用量巨大。根据统计，每年辐射到地球表面的能力大约相当于 130 万亿标保准煤炭。据估计，在之前漫长的 11 亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的 2%，相比较传统的化石能源相比，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。因此开发和利用太阳能是我们下一步开发研究的主要课题，也是人类解决能源污染与能源缺乏的重要途径。(2)分布广泛。虽然世界各地的太阳对地面辐射量存在着差异，每年地表辐射的太阳能力不等，这通常是由于地理位置还有时节的

19、影响。但是与其他能源相比，太阳能可以被世界各地的人利用，分布极为广泛，对于某些交通不发达的地区更具有利用价值，而且没必要为能源运输问题考虑节省了很多花费。对于一些缺乏石油煤炭的国家来说，太阳能可以给他们解决能源问题。(3)环保无污染。3太阳能的开发利用是对太阳辐射到地球表面的能力加以转换，变成电能储存起来，在这个转变过程中几乎不会产生任何污染，而且吸收太阳能的设备也很简洁不会影响环境的美观，对于日益加重的环境污染的今天来说，显得非常可贵。(4)经济性。在之前由于科技落后，太阳能设备昂贵，很多人宁可使用廉价的煤炭石油能源，然而随着世界对环境保护的意识还有科技的进步，太阳能技术得到进一步发展，太阳

20、能利用的成本持续降低。很多研究表明，开发太阳能来代替石油、煤炭等不可再生能源具有一定的经济性，开发太阳能既可以减少能源的消费又可以节省改善被污染环境的费用，从长期的可持续发展道路来看，开发利用太阳能非常经济实惠。1.4 光伏发电系统的分类及组成太阳能光伏发电系统按大类可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。其中，独立光伏发电系统也可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直混合光伏发电系统，而直流光伏发电系统又可分为有蓄电池的系统和无蓄电池的系统。并网光伏发电系统可以分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途可分为有蓄电池系统和无蓄电池系统等 8。（1）独立型光伏发电系

21、统独立型光伏发电系统是光伏发电的最基本的发电形式，主要用于远离市区的海上灯塔、山顶的无线继电台等一些偏远无电地区，整个独立供电系统由太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器等组成，太阳能电池板作为核心部分，作用是由将太阳能光伏阵列转换的直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量，根据负载要求，系统一般选铅酸蓄电池作为储能环节，供给直流负载，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电，当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电，控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率跟踪控制组成的，另外可以将直流电逆变为交流电供给交流负载使用，由于光伏发电受天气等多种因素的影响，供电不稳

22、定，所以需要另加蓄电池和充放电控制器环节，作用是能量在夜间和阴雨天气供给负载 21。 （2）并网光伏发电系统并网光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能，目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节，带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调式并网发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、4抵消有害高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调式

23、并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池产生的直流电能转换为和电网同相、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电，当有光照时，太阳能发电系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载的能量过多超过太阳能发电系统产生的交流电能时，电网主动向负载补充电能。（3）混合型光伏发电系统区别于以上两个系统之处是增加了一台备用的发电机组，当太阳能光伏阵列发电不足或者蓄电池储存的能量不足时，可以启用备用的发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。通过太阳能电池将太阳辐射的太阳能转换为电能发电系统称为太阳能光伏发

24、电系统，也可以叫太阳能发电系统，主要由太阳能电池组件、蓄电池组、光伏控制器、逆变器以及一些监控、测试保护等附属设备如下;（1）太阳能光伏阵列太阳能电池是太阳能发电系统的最小单位，单独一个太阳能电池输出的额定电压很小约为 0.4V 左右，不能满足实际的电压和电流的要求，也不便于安装，所以将若干的太阳能电池串并联，排列成光伏阵列满足要求。（2）蓄电池特性 太阳能电池的性质决定光伏发电系统在阳光下才能正常发电，蓄电池的主要作用是当日照量减少或夜间不发电时补充负荷要求的功率。一般系统当太阳能发电功率急剧下降时，蓄电池起缓冲作用，保证电压的稳定。（3）DC/DC 变换器作用是将太阳能阵列输出的电压变成满

25、足要求的电压等级，升压变压器将太阳能阵列电压经过升压输出供高电压直流负载供电；降压 用于光伏阵列最大功率控制和蓄电池的充放电控制。（4）DC/AC 装置逆变器是太阳能发电的核心部分，主要是电力电子开关组成的，可以把直流电逆变成正弦交流电，大部分交流设备可以使用，通过调节 pwm 占空比来控制输出的电压，供负载使用。（5）充放电控制器放电控制器的作用主要开控制太阳能光伏阵列的最大功率输出，提高输出效率，同时控制蓄电池的充放电，检测直流、交流电压等信号，控制 pwm 占空比，实现器件的导通关断。51.5 国内外研究产业现状及规划太阳能是一种新型新能源，符合我国可持续发展的可再生能源，作为一种清洁能

26、源，其人类赖以生存地球的生态环境的保护具有重大意义；我们用新能源来代替化石燃料是保护生态环境以及经济社会可持续发展的最有效措施。光伏发电产业的发展已经在全球普遍使用。发达国家尤其重视新能源的开发和利用，因此，太阳能被发达国家列为长期能源规划并迅速发展。目前，多国实行与颁布了多项刺激光伏发电的更深层次研究与发展政策。十五顶计划，由政府支持大力投资，同时又被电力公司所承认，从而更深层次的扩展为 2000 屋顶计划。1999 年德国正式实施“十万光伏屋顶计划” ，2000 年所有太阳能的发电系统容量已经超过 40MW。德国在 04 年光伏系统安装总量首次超过日本，名列世界前茅。从 06 年至今德国市

27、场的光伏总装机容量始终稳居全球首位。2011 年，美国为了鼓励光伏产业的发展，免除了绿色能源行业的项目税收，而且政府还加大了在新能源开发的投资力度。据有关资料计算可知，屋顶光伏投资将会使收益大大提升至 15%以上。与此同时极大刺激了投资者的投资力度。西班牙也制定了十年可再生能源计划草案。日本是一个能源极度缺乏的国家，大部分燃料依赖国外进口，因此日本很重视光伏发电产业的发展。同样印度及澳大利亚等某些欧洲国家都制定了光伏产业的计划，投入巨资让光伏发电产业壮大，加速光伏产业化的进程。目前光伏发电已经结束了初级开发及示范阶段，制订了更大批量的生产和更大规模的应用发展，从起初的小功率电源的发展到目前的公

28、共电力的并网发电，光伏发电系统的应用范围已经普遍在各个用电领域中使用。我国光伏产业是从二十世纪七十年代才开始起步，经过十几年的努力与进步,我国光伏发电技术得到了很大的改善,2000 年在政府的投资支持下。国家逐步推出各种光伏发电计划，比如“金太阳工程”和“太阳能屋顶计划”等。是光伏产业得到了迅速的发展与进步，如今我国已经形成了完善的原材料到整套光伏系统发展较为完整的生产线。我国的光伏电池在全世界产品的比重越来越壮大，在全球排名第三。光伏电池技术的不断进步,缩小了我国与发达国家的差距。虽然在不断发展与进步，但由于我国光伏材料的纯度不够，所以大部分的材料需要靠国外进口，所以我国的光伏产业仍然面对着巨大的挑战。到目前为止我国的光伏发电系统大部分为独立的系统，来解决一些用电难的贫困山区用电。然而我国的光伏发电的研究还仍处在示范阶段，发电量小，而且参与不了对电网的输送和分配。但对电网的正常运行影响几率较小。而对直接并网的大型和超大型的光伏发电站更是处于真空的状态。目前我国的光伏发电市场仍以向供电难的无电地区供电为主,有一定的市场潜力,但同时也会有一定的局限性。直接并网接入到