1、i本科毕业论文（20 届）基于 Matlab 的光伏电池建模及 MPPT 方法研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii 目 录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 光伏发电的背景及意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 我国太阳能资源的分布 .21.2 太阳能发电发展概况 .21.2.1 光伏发电的历史 .21.2.2 太阳能发电的国内外发展概况 .31.3 本文研究的主要内容 .32 光伏并网发电系统及基本原理 .42.1 光伏发电系统的分类 .42.2 光伏并网发电系统组成 .52.3 光伏电池 .52.3.1 光伏电池的工作原理 .52
2、.3.2 光伏电池的种类 .63 光伏电池建模与仿真分析 .63.1 光伏电池数学模型 .63.2 光伏电池模型 .93.3 光伏电池仿真分析 .104 光伏阵列最大功率点跟踪方法研究 .124.1 最大功率点跟踪的理论依据 .124.2 基于 DC/DC 变换电路 MPPT 的实现 .144.2.1 BOOST 电路的基本工作原理 .144.2.2 BOOST 电路实现 MPPT 的理论依据 .154.3 常用最大功率点跟踪算法及其仿真 .164.3.1 恒定电压法 .164.3.2 间歇扫描法 .164.3.3 扰动观察法 .174.3.4 电导增量法 .204.4 基于最优梯度的滞环比较
3、法 .234.4.1 滞环比较法原理 .234.4.2 最优梯度法原理 .244.4.3 基于最优梯度的滞环比较法 .244.4.4 基于最优梯度的扰动观察法与扰动观察法的仿真比较 .25 iii 5 结论与展望 .275.1 结论 .275.2 展望 .27参考文献 .28致谢 .29ivContentsAbstract.II1 Introduction .11.1 Background and significance of photovoltaic power generation .11.1.1 Background .11.1.2 Distribution of solar ener
4、gy resources in China.21.2 Development of solar power .21.2.1 History of photovoltaic power generation.21.2.2 Development of solar power at home and abroad.31.3 The main content of this paper.32 Photovoltaic grid connected power generation system and basic principle.42.1 Classification of photovolta
5、ic power generation system.42.2 PV grid connected power generation system .52.3 Photovoltaic battery.52.3.1 Working principle of photovoltaic battery .52.3.2 The type of photovoltaic battery .63 Modeling and simulation of photovoltaic battery .63.1 Mathematical model of photovoltaic battery.63.2 PV
6、battery model.93.3 Simulation analysis of photovoltaic battery .104 Maximum power point tracting method for photovoltaic array.124.1 The theory basis of maximum power point tracting.124.2 Implementation of MPPT based on DC/DC transform .144.2.1 Basis working principle of BOOST circuit .144.2.2 Theor
7、etical basis of BOOST circult for MPPT.154.3 Common maximum power point tracting algorithm and simulation .164.3.1 Constant voltage tracking.164.3.2 Intermittent scanning.164.3.3 Perturb and Observe algorithms.174.3.4 Incremental conductance algorithm .204.4 The method based on the optimal gradient
8、hysteresis comparison method .234.4.1 Hysteresis comparison principle .234.4.2 Optimal gradient method.244.4.3 Hysteresis comparison method based on optimal gradient .244.4.4 Simulation comparison of the peryurbation observation method and the perturbation vobservation method based on the optimal gr
9、adient.255 Conclusions and outlook .275.1 Conclusions .275.2 Outlook.27Reference.28Thanks .29I基于 Matlab 的光伏电池建模及 MPPT 方法研究摘要：自工业化以来的近三百年间，世界能源工业飞速发展，有力支撑了全球经济与社会发展。在这个发展的过程中，传统化石能源的大量开发及使用导致了资源紧张、环境污染、气候变化等问题日益突出，严重的威胁了人类生存和可持续发展。近年来，太阳能作为一种高效无污染的新能源，逐渐受到各国乃至全球的广泛关注。本文首先简要介绍了光伏发电的背景及意义,对光伏发电历史以及国内外光
10、伏发电发展现状进行了综述，然后阐述了光伏并网发电系统及其基本工作原理，并详细描述了运用 Matlab/Simulink 建立光伏阵列仿真模型的过程，最后对光伏发电系统最大功率点跟踪的理论依据以及工作原理进行了分析，介绍了常见的 MPPT 方法及仿真分析，并根据文献6详细描述了一种改进的基于最优梯度的滞环比较法的原理，并对改进的基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，验证了改进算法的优越性。关键词：太阳能 光伏发电 光伏阵列 最大功率点跟踪IIEstablish the Solar Cell Model and Research on MPPT Method Based on M
11、atlab Abstract since the industrialization of the last three hundred years, the world energy industry has developed rapidly, which has supported the global economic and social development. In this process, the development of the traditional fossil energy sources, such as the shortage of resources, e
12、nvironmental pollution, climate change and other issues become increasingly prominent, a serious threat to human survival and sustainable development. In recent years, solar energy as a new energy efficient and pollution-free, has gradually been widely concerned by the countries and the world. This
13、paper begins with a brief introduction to the background and significance of the photovoltaic power generation, of photovoltaic power history and domestic photovoltaic power development status were summarized, and then expounds the grid connected photovoltaic power generation system and the basic wo
14、rking principle, and a detailed description of the use of Matlab / Simulink Jian Liguang photovoltaic array simulation model of the process, finally of photovoltaic system maximum power point tracking method and principle are analyzed, and introduces the common MPPT method and simulation, and accord
15、ing to the literature 6 a detailed description of the a kind of improvement based on the principle of optimal gradient hysteresis comparison method,the simulation contrast of the improved gradient based perturbation method and the conventional perturbation method is done and the superiority of the i
16、mproved algorithm is verified.Keywords: solar energy; Photovoltaic power generation;PV array; maximum power point tracking11 绪论1.1 光伏发电的背景及意义1.1.1 研究背景全球能源发展经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到汽油时代、电气时代的演变过程。目前，世界能源供应以化石为主，有力的支撑了经济社会的快速发展。长期以来，世界能源的发展有些过度的依赖化石能源，导致环境污染、气候变化、资源紧张等问题日益突出，严重的威胁了人类社会的生存与发展，我们面临着十分严峻的形式。应对挑
17、战，需要统筹把握环境影响全球化、资源配置全球化和经济发展全球化的新特征，推动世界能源走上清洁、高效、安全、可持续发展的道路。全球化石能源资源虽然储量大，但随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，正面临资源枯竭、污染排放严重等现实问题，截至 2014 年，全球煤炭、石油、天然气剩余探明可采储量分别为 8915 亿吨、2382 亿吨和 186 万亿米，折合标准煤共计 1.2 万亿吨，其组成结构为煤炭占 52.0%、石油占 27.8%、天然气占 20.2%.按照目前世界平均开采强度，全球煤炭、石油和天然气分别可以开采 113 年、53 年和 55 年。这些化石能源在全球分布很不均衡，中国化石能源资源
18、以煤炭为主，石油、天然气等资源相对缺乏，化石能源探明可采储量总计约为 896 亿吨标准煤，其组成结构为煤炭占 91.2%、石油占 3.9%、天然气占 4.9%，采储比分别为 31 年、12 年、28 年。由此可见，中国的化石能源资源均低于世界平均水平，我国的能源需求面临着更加严峻的挑战。图 1-1 一次能源的探明剩余储量比较全球水能、风能、太阳能等清洁能源不仅总量非常丰富，而且低碳环保、可以再生，未来开发潜力巨大。根据世界能源理事会（World Energy Council, WEC）估算，全球清洁能源2资源每年理论可开发量超过 150000 万亿千瓦时，按照发电煤耗 300 克标准煤/( 千
19、瓦时)计算，约合 45 万亿吨标准煤，相当于全球化石能源剩余探明储量的 38 倍。其中太阳能来自太阳辐射，是世界上资源量最大、分布最广泛的清洁能源。太阳能发电是太阳能开发利用的最主要的方式。它具有可再生、干净无污染、无资源短缺、分布式发电和不受地域限制等优点，21世纪以来，全球太阳能发电呈现快速发展势头，超过风电成为增长速度最快的清洁能源发电品种。1.1.2 我国太阳能资源的分布我国幅员辽阔，具有着非常丰富的太阳能资源。从图 1-2 中我们可以看出，我国全年三分之二以上的地区太阳能资源情况较好，年日照大于 2000 小时，年均辐射量约为1630kWh/m。在我国开展大规模太阳能光伏发电具有着得
20、天独厚的条件，我国极具太阳能市场潜力。图 1-2 中国陆地太阳能资源分布图1.2 太阳能发电发展概况太阳能发电主要包括两种方式：太阳能光发电和太阳能热发电。光发电是一种能够将太阳能直接转变成电能的发电方式。热发电则是先将太阳能转化为热能，再将热能最终转化成电能。其中太阳能光发电包括光伏发电、光感应发电、光生物发电和光化学发电四种形式。现代物理学研究认为，太阳光是由不同频率的光子组成，光子是光线中携带能量的粒子。太阳能光伏发电就是利用光子激发半导体物质中的电子从而产生光生伏特效应，一种将太阳能直接转换为电能的发电方式。31.2.1 光伏发电的历史1839 年法国科学家贝克勒耳发现了“光生伏特效应
21、” ；1873 年英国科学家威廉史密斯发现了对光敏感的硒材料，并进行了大胆的推断，在光的照射下光通量与硒的导电能力成正比，随着光通量的增加硒的导电能力随之增加；1880 年，美国科学家查尔斯弗里茨开发出第一块以硒材料为基础的光伏电池，诞生了将太阳光能转换成电能的实用光伏发电技术；1954 年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，获得了 4.5%光电转换效率的成果，它与我们今天所熟知的硅太阳能电池基本接近 1；1961 年至 1971 年期间，硅光伏电池的重点侧重于降低电池的重量及开发成本、提高其抗辐射能力上，其技术上没有取得重大改善与进步；1972 年至 1976 年期间，空间用单晶
22、硅光伏电池被成功研制并得到了初步的应用。从 20 世纪70 年代中后期开始，光伏技术逐渐得到发展完善，成本不断降低，形成了不断发展的光伏技术产业，逐渐成为 21 世纪新能源舞台上的主要成员之一 2。1.2.2 太阳能发电的国内外发展概况在各国政策激励下，世界光伏发电已经从最初少数国家开发进入大规模发展阶段，而光热发电尚处于技术研发和试验示范阶段。从各国政策走势和规划来看，太阳能发电将继续保持快速发展，远期发展规模将超过风电。20 世纪 70 年代以来，太阳能发电日益受到各国政策推动和重视。1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划，大幅度增加太阳能的研究经费，并且成立了太阳能开发银行，促进了
23、太阳能产业的商业化发展。1974 年，日本公布了政府制定的“阳光计划 ”，其中对太阳能的研究开发项目包括了太阳能热发电、太阳房、太阳能电池生产系统、工业太阳能系统、分散型和大型光伏发电系统等等。1990 年，德国提出了“2000个光伏屋顶计划” 。1998 年，荷兰提出了“ 百万个太阳能屋顶计划 ”。2009 年，印度提出了“尼赫鲁国家太阳能计划” ，提出把印度打造为全球的太阳能利用大国的具体方针和路线。自2009 年开始中国实施“ 金太阳工程 ”，为用户侧分布式光伏发电项目提供约 50%的初始投资补贴，从此开启了我国光伏发电规模化发展的新时代。截至 2013 年 6 月，我国光伏发电的总装机
24、容量约为 1076 万 kW。 2014 年，中国光伏发电的累计总装机容量位居世界第二，仅次于德国。根据可再生能源中长期发展规划，到 2020 年，我国力争使太阳能发电装机容量达到 1.8GW，到 2050 年将达到 600GW。预计，到 2050 年，我国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%3。1.3 本文研究的主要内容本文主要针对光伏发电系统中的光伏电池建模以及最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）方面进行了研究。首先概述了太阳能光伏发电的背景及意义和太阳能发电的概况，对光伏发电历史以及国内外光伏发电发展现状进行了综述，其次概述了光伏并网发电
