電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計-基于matlab的光伏發(fā)電研究及其仿真

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于MATLAB的光伏發(fā)電研究及其仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b><

2、;/p><p><b>　　1課題背景1</b></p><p>　　1.1能源與環(huán)境危機1</p><p><b>　　1.1.1能源1</b></p><p><b>　　1.1.2環(huán)境1</b></p><p>　　1.2太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展

3、簡介1</p><p>　　1.3太陽能光伏發(fā)電利用的優(yōu)勢2</p><p>　　1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類級組成3</p><p>　　1.5國內(nèi)外研究產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及規(guī)劃4</p><p>　　2 光伏發(fā)電系統(tǒng)6</p><p>　　2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹6</p><p>　　2.2

4、 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用7</p><p>　　2.2.1屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)7</p><p>　　2.2.2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型光伏電站7</p><p>　　2.2.3大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)7</p><p>　　2.3帶有最大功率跟蹤功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成8</p><p>　　3光伏陣列特性及其

5、仿真模型的研究9</p><p>　　3.1太陽能電池的等效電路分析9</p><p>　　3.2電池板matlab仿真11</p><p>　　3.3 蓄電池充電方法12</p><p>　　4新型變步長 MPPT 控制方法研究15</p><p>　　4.1 MPPT 原理研究15</p>

6、<p>　　4.1.1 MPPT15</p><p>　　4.1.2 基于 Boost 拓撲的 MPPT 原理16</p><p>　　4.2常見的兩種 MPPT 控制技術(shù)18</p><p>　　4.2.1擾動觀察法18</p><p>　　4.2.2電導(dǎo)增量法21</p><p>　　5光伏充

7、、放電控制器的硬、軟件設(shè)計24</p><p>　　5.1控制器的整體設(shè)計及預(yù)期技術(shù)指標24</p><p>　　5.2 Boost電路實現(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型25</p><p>　　5.3 軟件設(shè)計25</p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><

8、b>　　致謝35</b></p><p><b>　　Contents</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p>　　1 backgrond1</p><p>　　1.1 Energy and environmental crisis1</p><p&g

9、t;　　1.1.1 energy1</p><p>　　1.1.2 environment1</p><p>　　1.2 the introduction of Solar photovoltaic1</p><p>　　1.3 The advantages of solar energy photovoltaic2</p><p>

10、　　1.4 Classification and composition of photovoltaic system3</p><p>　　1.5 present situation and planning at Domestic and abroad3</p><p>　　2 Photovoltaic power generation systems5</p>&

11、lt;p>　　2.1 introduction5</p><p>　　2.2 The application of solar photovoltaic system5</p><p>　　2.2.1 Photovoltaic roof system5</p><p>　　2.2.2 Household photovoltaic and small pv

12、 power station6</p><p>　　2.2.3 Large grid photovoltaic power generation systems6</p><p>　　2.3 The most power tracing pv systems6</p><p>　　3 Research of photovoltaic array and its

13、 simulation model7</p><p>　　3.1 Solar battery equivalent circuit analysis7</p><p>　　3.2 Panels of matlab10</p><p>　　3.3 Battery charging method12</p><p>　　4 A new v

14、ariable MPPT control method research15</p><p>　　4.1 rinciple of MPPT research15</p><p>　　4.1.1 MPPT15</p><p>　　4.1.2 Based on the principle of MPPT of the Boost topology14</p

15、><p>　　4.2 Two common MPPT control technology18</p><p>　　4.2.1 Disturbance observation18</p><p>　　4.2.2 Incremental conductance method21</p><p>　　5 the charge and disch

16、arge controller hardware, sofftware design24</p><p>　　5.1 The integral design of the controller and the expected24</p><p>　　5.2 Boost circuit and MPPT photovoltaic array25</p><p>

17、;　　5.3 sofftware design25</p><p>　　references34</p><p>　　acknowledge35</p><p>　　基于MATLAB的光伏發(fā)電研究及其仿真</p><p>　　摘要：近些年來，隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展,對新能源光伏產(chǎn)業(yè)的要求越來越大。本文針對如何提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率

18、,利用MATLAB建模仿真部分對最大功率點跟蹤（MPPT）的控制器進行了研究。論文分析了常用的蓄電池充電控制方法、光伏電池的特性及其最大功率點跟蹤的原理和方法。通過MATLAB軟件對不同環(huán)境下的光伏電池輸出特性進行了建模、仿真。分析了最大功率點跟蹤的工作原理,介紹了常用的最大功率點跟蹤方法,并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的擾動觀察法。最后,通過比較三種常用的DC/DC變換器的工作原理,提出利用BOOST型DC-DC變換器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換,對參數(shù)進行分

19、析后建立了BOOST型DC/DC變換器的仿真模型。</p><p>　　關(guān)鍵詞:太陽能光伏發(fā)電 MATLAB仿真 最大功率點跟蹤 Boost型DC-DC變換器</p><p>　　Simulation Research of Photovoltaic Power Generation System Based on Matlab</p><p>　　Abstract

20、：In recent years, with 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 s

21、ystem, using MATLAB simulation modeling part of maximum power point tracking (MPPT) controller is studied.This paper analyses the common battery charging control methods, the characteristics of photovoltaic cells and the

22、 principle and method of maximum power point trackin</p><p>　　Keywords: Photovoltaic Energy, MATLAB Simulation ,MPPT , Boost DC-DC Converter</p><p><b>　　1 課題背景</b></p><p&g

23、t;　　1.1 能源與環(huán)境危機</p><p><b>　　1.1.1 能源</b></p><p>　　能源成為了新世紀發(fā)展的主要動力，他在經(jīng)濟發(fā)展中扮演著很重要的角色，能源的多少關(guān)系著一個國家的經(jīng)濟安全和國家安全。在上一個世紀中，煤、石油、天然氣等成為最為普遍的傳統(tǒng)能源，而在當(dāng)時，人類還對能源影響環(huán)境之類問題的嚴重性沒有給予足夠的重視，由此導(dǎo)致了溫室氣體的急劇增加

24、，氣候異常，環(huán)境污染增多等，嚴重影響了人類的生存環(huán)境和日常生活質(zhì)量。根據(jù)統(tǒng)計，我國在能源蘊藏量上位居世界前列，但同時也是目前世界第二大能源生產(chǎn)國和消費國。中國在能源開發(fā)利用方面呈現(xiàn)出一些主要特點：</p><p>　　（1）煤炭成為主要能源之一，他的可再性還有開發(fā)利用程度比較低。目前世界主要以煤炭還有石油為主要能源物質(zhì)，并且正在由煤炭為主向汽油為主的的結(jié)構(gòu)快速變化。然而，中國依然還是世界上即為少數(shù)幾個國家依然以煤

25、炭資源為主。</p><p>　?。?）我國的每年能源消耗總量處于遞增狀態(tài)，但是能源利用效率較低。伴隨著中國經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，中國在能源消費跟開發(fā)方面呈持續(xù)上升趨勢。</p><p>　?。?）我國的能源開發(fā)利用多數(shù)是以內(nèi)供為主，由于設(shè)備科技質(zhì)量跟不上世界發(fā)達國家的標準導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)量的能源供應(yīng)不足，再加上浪費嚴重導(dǎo)致環(huán)境污染變本加厲。隨著社會發(fā)展，能源消費不斷提高，石油、煤炭的廢棄物給大氣造

26、成很大的污染，過度開發(fā)能源導(dǎo)致生態(tài)破壞，環(huán)境問題日益嚴重。</p><p>　　這幾個環(huán)境問題是我國能源開發(fā)引起的主要問題，要實現(xiàn)中國的可持續(xù)發(fā)展就要提高能源的利用率，并加快步伐開發(fā)新的環(huán)保能源。</p><p><b>　　1.1.2 環(huán)境</b></p><p>　　進入21世紀，世界經(jīng)濟突飛猛進，各國對能源的需求也日益增多，由于對煤炭石油

27、等不可再生能源的過度開發(fā)利用，生態(tài)壞境日益嚴重。伴隨著石油、煤炭等不可再生能源的瀕危缺乏警告，新能源開發(fā)問題已經(jīng)成為國際社會的共同話題，為了走能源的可持續(xù)發(fā)展道路并保護生態(tài)環(huán)境，很多新的環(huán)保能源相繼開發(fā)，比如潮汐能、風(fēng)能、沼氣能還有太陽能，越來越多的國家開始開發(fā)新的環(huán)保能源并且實施“陽光計劃”。由于太陽能作為可再生能源取之不盡用之不竭，而且對環(huán)境無污染等多種優(yōu)勢，各國正在加大力度開發(fā)太陽能資源，研發(fā)新的科技來開發(fā)太陽能資源，因此開發(fā)和利

28、用太陽能對于減緩環(huán)境污染和替代不可再生能源有著重要意義。</p><p>　　1.2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展簡介</p><p>　　太陽能的開發(fā)和利用一共有四種主要的形式：光伏的利用、光熱的利用、光化學(xué)的利用和光生物的利用。在應(yīng)用領(lǐng)域里最重要的是以光伏電池技術(shù)為主要核心的太陽能的光伏利用、直流-交流逆變器(DC/AC逆變器)和太陽能光伏(DC/DC變換器)等。太陽能控制器是用來為蓄電池提

29、供最佳充電電壓和電流，然而其最主要的作用就便是最大功率跟蹤(MPPT)的控制。MPPT通過控制調(diào)節(jié)負載的功率，從而改變光伏電池的輸出電流和輸出電壓，光伏電池始終在受外界環(huán)境影響的最大功率點附近工作，從而實現(xiàn)輸出功率的最大化。當(dāng)直流輸電的升降壓變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電房輸送直流電時，我們需要使用的是升壓變換器；當(dāng)蓄電池或者太陽能電池往高壓電的用電器輸送電時，由于升壓輸出，所以也要選擇升壓變換器；控制光伏陣列的工作點、對蓄電池充電以及負載

30、調(diào)節(jié)等，通常選用降壓變壓器。DC-AC逆變器分為無源式和有源式逆變器兩類。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器就是將太陽能光伏陣列和蓄電池提供低壓直流電。當(dāng)逆變器向交流負載提供電能時，用光伏陣列把直流電轉(zhuǎn)化為交流電來實現(xiàn)。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常把無源式逆變器為交流負載來供電。對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常用有源式</p><p>　　1.3 太陽能光伏發(fā)電利用的優(yōu)勢</p><p>　　如今世界范圍的

31、能源危機和環(huán)境污染迫使我們?nèi)ふ倚碌目稍偕茉醇饶芴娲帜軣o污染。太陽能作為一種新能源，與煤炭、石油、天然氣、核能等常規(guī)能源相比有如下優(yōu)點：</p><p><b>　　(l)資源豐富。</b></p><p>　　太陽能是用之不竭，取之不盡的可再生能源，可供地球利用量巨大。根據(jù)統(tǒng)計，每年輻射到地球表面的能力大約相當(dāng)于130萬億標保準煤炭。據(jù)估計，在之前漫長的11億年

32、中，太陽僅消耗了它本身能量的2%，相比較傳統(tǒng)的化石能源相比，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。因此開發(fā)和利用太陽能是我們下一步開發(fā)研究的主要課題，也是人類解決能源污染與能源缺乏的重要途徑。</p><p><b>　　(2)分布廣泛。</b></p><p>　　雖然世界各地的太陽對地面輻射量存在著差異，每年地表輻射的太陽能力不等，這通常是由于地理位置還有時節(jié)的影響。

33、但是與其他能源相比，太陽能可以被世界各地的人利用，分布極為廣泛，對于某些交通不發(fā)達的地區(qū)更具有利用價值，而且沒必要為能源運輸問題考慮節(jié)省了很多花費。對于一些缺乏石油煤炭的國家來說，太陽能可以給他們解決能源問題。</p><p><b>　　(3)環(huán)保無污染。</b></p><p>　　太陽能的開發(fā)利用是對太陽輻射到地球表面的能力加以轉(zhuǎn)換，變成電能儲存起來，在這個轉(zhuǎn)變

34、過程中幾乎不會產(chǎn)生任何污染，而且吸收太陽能的設(shè)備也很簡潔不會影響環(huán)境的美觀，對于日益加重的環(huán)境污染的今天來說，顯得非?？少F。</p><p><b>　　(4)經(jīng)濟性。</b></p><p>　　在之前由于科技落后，太陽能設(shè)備昂貴，很多人寧可使用廉價的煤炭石油能源，然而隨著世界對環(huán)境保護的意識還有科技的進步，太陽能技術(shù)得到進一步發(fā)展，太陽能利用的成本持續(xù)降低。很多研

35、究表明，開發(fā)太陽能來代替石油、煤炭等不可再生能源具有一定的經(jīng)濟性，開發(fā)太陽能既可以減少能源的消費又可以節(jié)省改善被污染環(huán)境的費用，從長期的可持續(xù)發(fā)展道路來看，開發(fā)利用太陽能非常經(jīng)濟實惠。</p><p>　　1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類及組成</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按大類可分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類。其中，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也可分為直流光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流光伏發(fā)電系

36、統(tǒng)以及交、直混合光伏發(fā)電系統(tǒng)，而直流光伏發(fā)電系統(tǒng)又可分為有蓄電池的系統(tǒng)和無蓄電池的系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)和無逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)用途可分為有蓄電池系統(tǒng)和無蓄電池系統(tǒng)等[8]。</p><p>　?。?）獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電的最基本的發(fā)電形式，主要用于遠離市區(qū)的海上燈塔、山頂?shù)臒o線繼電臺等一些偏遠無電地區(qū)，整個獨立

37、供電系統(tǒng)由太陽能電池板、控制器、蓄電池、逆變器等組成，太陽能電池板作為核心部分，作用是由將太陽能光伏陣列轉(zhuǎn)換的直流形式的電能，一般只在白天有太陽光照的情況下輸出能量，根據(jù)負載要求，系統(tǒng)一般選鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，供給直流負載，當(dāng)發(fā)電量大于負載時，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負載供電，控制器一般由充電電路、放電電路和最大功率跟蹤控制組成的，另外可以將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o交流負載使用，由于光

38、伏發(fā)電受天氣等多種因素的影響，供電不穩(wěn)定，所以需要另加蓄電池和充放電控制器環(huán)節(jié)，作用是能量在夜間和陰雨天氣供給負載[21]。 </p><p>　?。?）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能，目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系

39、統(tǒng)稱為可調(diào)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對于一些重要負荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義；此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)同相、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電，當(dāng)有光照時

40、，太陽能發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負載所需時，多余的部分將送往電網(wǎng)；夜間當(dāng)負載的能量過多超過太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時，電網(wǎng)主動向負載補充電能。</p><p>　　（3）混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　區(qū)別于以上兩個系統(tǒng)之處是增加了一臺備用的發(fā)電機組，當(dāng)太陽能光伏陣列發(fā)電不足或者蓄電池儲存的能量不足時，可以啟用備用的發(fā)電機組，它既可以直接給交流負載供電，又可以經(jīng)整流器給蓄電

41、池充電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　通過太陽能電池將太陽輻射的太陽能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可以叫太陽能發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池組件、蓄電池組、光伏控制器、逆變器以及一些監(jiān)控、測試保護等附屬設(shè)備如下;</p><p>　?。?）太陽能光伏陣列</p><p>　　太陽能電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最小單位，單獨一個太陽能電池輸出

42、的額定電壓很小約為0.4V左右，不能滿足實際的電壓和電流的要求，也不便于安裝，所以將若干的太陽能電池串并聯(lián)，排列成光伏陣列滿足要求。</p><p>　　（2）蓄電池特性 </p><p>　　太陽能電池的性質(zhì)決定光伏發(fā)電系統(tǒng)在陽光下才能正常發(fā)電，蓄電池的主要作用是當(dāng)日照量減少或夜間不發(fā)電時補充負荷要求的功率。一般系統(tǒng)當(dāng)太陽能發(fā)電功率急劇下降時，蓄電池起緩沖作用，保證電壓的穩(wěn)定。<

43、/p><p>　　（3）DC/DC變換器</p><p>　　作用是將太陽能陣列輸出的電壓變成滿足要求的電壓等級，升壓變壓器將太陽能陣列電壓經(jīng)過升壓輸出供高電壓直流負載供電；降壓 用于光伏陣列最大功率控制和蓄電池的充放電控制。</p><p>　　（4）DC/AC裝置</p><p>　　逆變器是太陽能發(fā)電的核心部分，主要是電力電子開關(guān)組成的，可

44、以把直流電逆變成正弦交流電，大部分交流設(shè)備可以使用，通過調(diào)節(jié)pwm占空比來控制輸出的電壓，供負載使用。</p><p><b>　?。?）充放電控制器</b></p><p>　　放電控制器的作用主要開控制太陽能光伏陣列的最大功率輸出，提高輸出效率，同時控制蓄電池的充放電，檢測直流、交流電壓等信號，控制pwm占空比，實現(xiàn)器件的導(dǎo)通關(guān)斷。</p><

45、p>　　1.5 國內(nèi)外研究產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及規(guī)劃</p><p>　　太陽能是一種新型新能源，符合我國可持續(xù)發(fā)展的可再生能源，作為一種清潔能源，其人類賴以生存地球的生態(tài)環(huán)境的保護具有重大意義；我們用新能源來代替化石燃料是保護生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的最有效措施。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)在全球普遍使用。發(fā)達國家尤其重視新能源的開發(fā)和利用，因此，太陽能被發(fā)達國家列為長期能源規(guī)劃并迅速發(fā)展。目前，多國實行與頒布了多項

46、刺激光伏發(fā)電的更深層次研究與發(fā)展政策。十五頂計劃，由政府支持大力投資，同時又被電力公司所承認，從而更深層次的擴展為2000屋頂計劃。1999年德國正式實施“十萬光伏屋頂計劃”，2000年所有太陽能的發(fā)電系統(tǒng)容量已經(jīng)超過40MW。德國在04年光伏系統(tǒng)安裝總量首次超過日本，名列世界前茅。從06年至今德國市場的光伏總裝機容量始終穩(wěn)居全球首位。2011年，美國為了鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，免除了綠色能源行業(yè)的項目稅收，而且政府還加大了在新能源開發(fā)的投

47、資力度。</p><p>　　據(jù)有關(guān)資料計算可知，屋頂光伏投資將會使收益大大提升至15%以上。與此同時極大刺激了投資者的投資力度。西班牙也制定了十年可再生能源計劃草案。日本是一個能源極度缺乏的國家，大部分燃料依賴國外進口，因此日本很重視光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同樣印度及澳大利亞等某些歐洲國家都制定了光伏產(chǎn)業(yè)的計劃，投入巨資讓光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)壯大，加速光伏產(chǎn)業(yè)化的進程。</p><p>　　目前光伏

48、發(fā)電已經(jīng)結(jié)束了初級開發(fā)及示范階段，制訂了更大批量的生產(chǎn)和更大規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展，從起初的小功率電源的發(fā)展到目前的公共電力的并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)普遍在各個用電領(lǐng)域中使用。我國光伏產(chǎn)業(yè)是從二十世紀七十年代才開始起步，經(jīng)過十幾年的努力與進步,我國光伏發(fā)電技術(shù)得到了很大的改善,2000年在政府的投資支持下。國家逐步推出各種光伏發(fā)電計劃，比如“金太陽工程”和“太陽能屋頂計劃”等。是光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展與進步，如今我國已經(jīng)形成了完善

49、的原材料到整套光伏系統(tǒng)發(fā)展較為完整的生產(chǎn)線。我國的光伏電池在全世界產(chǎn)品的比重越來越壯大，在全球排名第三。光伏電池技術(shù)的不斷進步,縮小了我國與發(fā)達國家的差距。雖然在不斷發(fā)展與進步，但由于我國光伏材料的純度不夠，所以大部分的材料需要靠國外進口，所以我國的光伏產(chǎn)業(yè)仍然面對著巨大的挑戰(zhàn)。到目前為止我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分為獨立的系統(tǒng)，來解決一些用電難的貧困山區(qū)用電。然而我國的光伏發(fā)電的研究還仍處在示范階段，發(fā)電量小，而且參與不了對電網(wǎng)的輸送和分

50、配。但對電網(wǎng)的正常運行影響幾率較小。而對直接并網(wǎng)的大型和超大型的光伏發(fā)電站更是處于真空的狀態(tài)。目前我國的光伏發(fā)電</p><p><b>　　2 光伏發(fā)電系統(tǒng)</b></p><p>　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽輻射能的光生伏特效應(yīng)，把太陽的輻射能量變換成電能，然后為負載直接提供電能，而且把電能儲存的

51、一種新型發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立運行系統(tǒng)與并網(wǎng)運行系統(tǒng)兩類。獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、逆變器、太陽能控制器以及蓄電池組組成的不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可成為“可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)”。如果沒有蓄電池模塊，將光伏電池輸出的電能經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變系統(tǒng)連如電網(wǎng)中，即不可調(diào)度式系統(tǒng)。本設(shè)計對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)為對象進行研究與介紹。</p><p>　　獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，主要由太陽

52、能控制器、太陽能電池，蓄電池組和逆變器模塊構(gòu)成。太陽能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，把太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，供負載使用電能或者在蓄電池組中儲能以作為備用。在有光照的白天蓄電池組將會發(fā)揮它的作用來把多余的電能通過充電控制來儲存，而當(dāng)負載需要的電能多時，太陽能電池與蓄電池組一起為負載提供電能。當(dāng)是交流負載時，通常需要通過逆變器將直流轉(zhuǎn)為交流電。</p><p>　　圖2-1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p>&

53、lt;p>　　當(dāng)逆變器省去時獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)就會變成一個直流系統(tǒng)，或者利用開關(guān)控制逆變模塊成為交直流緩和系統(tǒng)。其已經(jīng)在工業(yè)及通信工程等領(lǐng)域應(yīng)用，特別是應(yīng)用在島嶼以及草原地區(qū)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也提供了較好的用電量，也是可以解決工業(yè)及居民的用電需求的良好方案</p><p>　　2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用</p><p>　　2.2.1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)</p>&l

54、t;p>　　光伏技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展,使許多國家大力實行屋頂光伏系統(tǒng)計劃。我國也逐漸開始將屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)列入了國家科技攻關(guān)計劃。使建筑物跟光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合。目前屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)備受重視與關(guān)注。其優(yōu)點如下：</p><p>　?。?）可以滿足就地發(fā)電，減少占地面積以及電力輸送時的線損；</p><p>　　（2）充分利用空間面積，對于大城市里尤為實用；;</p>&

55、lt;p>　?。?）減少了用電高峰的用電需求，當(dāng)與蓄電池配用后，還可以達到不斷電的需求，滿足設(shè)施的安全用電；</p><p>　　（4）節(jié)省成本，比如玻璃幕墻，代替了外觀裝飾材料，使建筑物美觀實用和統(tǒng)一，美化環(huán)境;</p><p>　　（5）減少了夏日夏季屋頂?shù)臏囟纫约皽厣?從而降低了空調(diào)的用電量及能量損耗。</p><p>　　目前許多城市利用太陽能光伏發(fā)電

56、系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中開始逐漸應(yīng)用，，部分家庭也開始逐漸接觸此系統(tǒng)并應(yīng)用，比如光伏庭院燈等?，F(xiàn)在我們所接觸的交通紅綠燈就是利用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，美觀大方，形象美觀新穎。不占空間，節(jié)能高效等優(yōu)點集于一體，為現(xiàn)代化城市建設(shè)增添了色彩。</p><p>　　2.2.2 戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型光伏電站</p><p>　　其屬于獨立系統(tǒng)，即非并網(wǎng)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，多用于用電難的貧困山區(qū)，由于戶用光伏發(fā)電

57、系統(tǒng)的發(fā)電量正常，運行的可靠性以及優(yōu)良的性能使其更加試用。家用光伏電源系統(tǒng)包括交流與直流系統(tǒng)。交流系統(tǒng)由控制器、太陽能電池組件、支架以及蓄電池組構(gòu)成，直流比交流系統(tǒng)少一個逆變器。蓄電池是提供儲存直流電能的裝置。防反沖二極管是來防止蓄電池通過光伏電池組件放電。控制器是系統(tǒng)的控制裝置，用來保護蓄電池充放電，把系統(tǒng)的輸入輸出功率進行調(diào)節(jié)跟分配。將蓄電池的直流轉(zhuǎn)成交流電的便是逆變器的功能了。當(dāng)太陽升起時，光伏電池組件便開始了接收太陽的光能來輸出

58、電能，再經(jīng)過二極管對蓄電池組來充電。當(dāng)太陽下山的時候，通過控制器，直流系統(tǒng)把蓄電池組輸出的電來向直流負載提供使用。而交流系統(tǒng)通過逆變器把蓄電池組經(jīng)由控制器里流出的直流電轉(zhuǎn)換為交流，對交流負載提供使用。</p><p>　　2.2.3 大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個進步的重要標志在光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)中，也預(yù)示著一種趨勢：未來光伏發(fā)電的前景很好。如今大規(guī)模的發(fā)電

59、系統(tǒng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用了大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，也體現(xiàn)了未來的能源結(jié)構(gòu)將會發(fā)生著巨大的變化。也是標志了一場能源新開發(fā)新利用的歷史新篇章。我國深圳國際園林花卉博覽園IMWp并網(wǎng)光伏電站是目前亞洲最大容量的一所并網(wǎng)光伏發(fā)電站。同樣也是全球僅有的幾個大型兆瓦級的光伏發(fā)電系統(tǒng)電站之一。也是我國在光伏發(fā)電的歷史上的一個突破及里程碑。讓我國開始了新型大型光伏發(fā)電的歷史新篇章。</p><p>　　2.3 帶有最大功率跟蹤功能的光伏發(fā)

60、電系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本的部分。提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高電池的轉(zhuǎn)換效率,讓它的輸出功率為最大功率。一共有兩種方法，一種把太陽能電池組的陣列的光電轉(zhuǎn)換效率提高，另一種就是盡可能的使太陽能電池組的輸出量最大化。當(dāng)把蓄電池與光伏陣列連接起來，由于光伏陣列的輸出特性與外界環(huán)境（太陽光照的強度及溫度因素）相關(guān)。由于蓄電池的內(nèi)阻不會跟著光伏電池輸出的最大功率點變化，所以

61、光伏電池的輸出是無法調(diào)節(jié)改變的，從而浪費資源。然后另一方面又因為蓄電池的充電電壓隨環(huán)境而變化。</p><p>　　圖2-2 帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3 光伏陣列特性及其仿真模型的研究</p><p>　　3.1 太陽能電池的等效電路分析</p><p>　　研究光伏發(fā)電的首要解決問題就是怎樣把太陽輻射能轉(zhuǎn)變

62、成可供人們使用的電能的問題。作為一種能量轉(zhuǎn)換能量模塊的光伏電池，因此是我們研究的首要問題也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，光伏電池一般是半導(dǎo)體材料制成，其工作原理是半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)，當(dāng)物體在陽光的照射下，利用光電材料受光照射后其內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化產(chǎn)生電流和電動勢，這就是光電效應(yīng)，進而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)并聯(lián)或者串聯(lián)許多這樣的光伏電池便能產(chǎn)生更大的電動勢和電流，從而更好的利用光能轉(zhuǎn)換的電能。</p><p>　　電流源與一個二

63、極管并聯(lián)的等效電路。用串聯(lián)的電阻 Rs代表光伏電池的表面電阻、體電阻、接觸電阻和電極道題電阻等；應(yīng)為電池自身的問題，比如清潔或者表面缺陷的原因而存在的漏損電阻用一個并聯(lián)電阻 Rsh替代。</p><p>　　由于光伏電池的基本特性與工作原理、還有它的數(shù)學(xué)模型是我們需要研究的重點，由于太陽能電池輸出特性是明顯的非特性曲線，所以分析其特性后，建立光伏陣列模型的matlab仿真，才能更好的使其匹配光伏控制系統(tǒng)，從而找到

64、發(fā)電量最佳的方案，所以為光伏電池建立數(shù)學(xué)模型是必不可少的過程。通過模型與數(shù)學(xué)關(guān)系，找出光伏陣列的變化規(guī)律。太陽能電池的等效電路如圖所示。</p><p>　　圖3-1太陽能電池的等效電路圖</p><p>　　在這種等效電路中，可知光伏電池的輸出特性方程為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>

65、;<b>　　=</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　通常我們來研究等效電路的時候把或給省略。分析光伏特性的等效電阻可得：越大

66、，短路電流越小，對開路電壓不會造成很大的影響；越大，開路電壓越小，但對短路電流不會影響太多。因為較大，通常為數(shù)千歐姆。所以我們忽略掉，從而我們可以得到一個簡化的光伏電池的等效電路圖3-2：</p><p>　　圖3-2簡化的太陽能電池等效電路圖</p><p>　　所以可以得出光伏電池的一個簡化的輸出特性方程如公式3-4。</p><p><b>　　(3

67、-4)</b></p><p>　　當(dāng)外部負載短路時，=0，光伏電流都向外部的短路負載流入，短路電流大約與光伏電流相等，即=；當(dāng)開路時，=0。所有的光伏電流流過二極管D，這時的開路電壓為：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　由公式3-3可得，外界因素（如溫度、日照強度等）對光伏電池的輸出電流和電壓有

68、很大的影響。當(dāng)溫度不同時、日照強度下會產(chǎn)生不同的短路電流,且與日照強度成正比，并與溫度成線性關(guān)系。同時，開路電壓也與二者有密切的關(guān)系：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　其中，為標準測試條件（光伏電池溫度為25℃，日照強度為1000W/，稱之為標準測試條件）下的開路電壓，為開路電壓的溫度系數(shù)。</p><p>

69、　　3.2 電池板matlab仿真</p><p>　　根據(jù)上述光伏電池 I-V 特性數(shù)學(xué)關(guān)系式，在 MATLAB/Simulink 中建立了光伏電池的通用仿真模型，如圖3-4。通過改變輸入量 T 和 S 就可以模擬不同電池溫度和日照強度下的光伏電池輸出 I-V 特性。而針對不同型號的光伏電池，只需在仿真模型中輸入廠家提供的標準測試條件下的 Im、Vm、Isc、Voc，就可以模擬其輸出 I-V 特性。如圖3-3，

70、是在T=25.S=1000條件下，太陽能電池的仿真。</p><p>　　圖3-3太陽能電池仿真圖</p><p>　　圖3-4太陽能電池在MATLAB/Simulink中的模型</p><p>　　太陽能伏安特性仿真結(jié)果如下：</p><p>　　圖3-5 P U、U I仿真圖</p><p>　　表3-1太陽能電池

71、板的主要參數(shù)</p><p>　　3.3蓄電池充電方法</p><p>　　鉛酸蓄電池有可重復(fù)利用、電壓穩(wěn)定、使用壽命長、適用范圍廣等特點。但是在使用正確的時候，將會使壽命降低，影響蓄電池的因素有很多，研究表明，電池充電過程中對電池的影響很大，放電過程的影響較小，由此可知，采用正確的充電方法能夠延長電池的使用壽命，蓄電池的充電方式有很多種，例如，恒流充電、恒壓充電、二階段、三階段充電等。&

72、lt;/p><p><b>　　恒流充電</b></p><p>　　恒流充電是指在充電過程中以恒定的電流進行充電，適用于多個串聯(lián)的蓄電池。缺點是開始充電電流較小，后期電流偏大，在充電過程中析出的氣體也較多，充電時間較長，對極板有較大的沖擊力，一般的免維護蓄電池不會使用該方法。</p><p><b>　　圖3-6 恒流充電</b&

73、gt;</p><p><b>　?。?）恒壓充電</b></p><p>　　和恒流充電類似，恒壓充電是以一定的電壓不變進行充電，優(yōu)點是充電的電流與電壓成反比，會隨著電壓的升高而降低，充電時間短，能量損耗低，缺點是剛開始充電電流較大，后來充電電流又較小，不適合多個蓄電池進行充電，對低電壓的電池不能完全充滿。</p><p><b>

74、　　圖3-7恒壓充電</b></p><p><b>　?。?）階段充電</b></p><p>　　階段充電是結(jié)合恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點而設(shè)計的一種充電方式，分階段充電時在剛開始時對蓄電池采用恒流方式充電，等蓄電池達到一定的容量后改用恒壓充電，避免了充電階段出現(xiàn)的大電流，以及在充電后期出現(xiàn)高電壓的現(xiàn)象。為了延長蓄電池的使用壽命采用最常用的三階段充電法。

75、 </p><p>　　三階段充電法的第一階段：用大電流進行充電，大約充到總?cè)萘康?5%左右；第二階段：采用恒壓充電，當(dāng)充電電流達到一定程度時，再進入下一階段；第三階段：采用小電流充電，充到電池滿為止。采用三階段充電方法在充電初始階段不會出現(xiàn)很大的充電電流，在后階段也不會產(chǎn)生過高的電壓，不會破壞蓄電池。</p><p>　　采用PWM控制方式：通過檢測蓄電池的充電電流電壓，利用

76、PWM信號控制開關(guān)器件的通斷。</p><p><b>　　圖3-8階段充電</b></p><p>　　4 新型變步長MPPT 控制方法研究 </p><p>　　4.1 MPPT 原理研究 </p><p>　　4.1.1 MPPT </p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是其最基本

77、的環(huán)節(jié)，所以如果我們想要使整個系統(tǒng)的效率提高，那就必須來提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。讓它的效率達到最大，也就是說讓其輸出功率為最大功率。然而分析光伏電池的輸出特性可知，太陽能光伏電池的輸出電壓與電流之間具有非線性，并且輸出功率會隨著光照強度和電池溫度的變化而改變不容易控制。由光伏電池 I-V、P-V 特性曲線可以看出，當(dāng)電池的溫度和光照強度以及控制輸出的電壓為定時值，光伏陣列便會輸出最大功率。通常我們?yōu)榱颂岣吣芰康睦眯?，光伏陣列要求始終

78、輸出最大功率所以我們需要通過一下控制方法及策略，實時監(jiān)測光伏電池的輸出功率。調(diào)整功率器件的導(dǎo)通占空比來使外部電路的等效阻抗發(fā)生改變，從而我們可以把光伏電池的工作點進行調(diào)整，使其輸出功率為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）。這過程被稱為最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。</p><p>　　MPPT的過程實際是一個尋優(yōu)過程，即通過控制光伏

79、電池的端電壓來改變最大功率的輸出，使其最優(yōu)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的輸出端都有 DC/DC 調(diào)壓電路來進行連接，在升降壓的過程后再與負載連接，或用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏陣列與DC/DC 調(diào)壓電路都是非線性的，但瞬時可以把外界條件及負載當(dāng)成是恒定的，所以可以近似的把光伏陣列進行分析。光伏電池最大功率點的等效電路圖如圖 4-1 所示，其中Ri表征光伏電池的等效內(nèi)阻，Ro表征外部負載等效電阻。</p><p>　　圖

80、4-1 MPPT等效電路圖</p><p>　　負載功率可表示為：P0=i2R0=*R0 （4-1）</p><p>　　求導(dǎo)可以得到： （4-2）</p><p>　　令，即 時，負載功率Po取得最大值。</p><p>　　4.1.2 基于 Boost 拓撲的 M

81、PPT 原理 </p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出電壓往往要低于帶載電壓或逆變并網(wǎng)電壓，所以需要連接升壓型 DC/DC 變換器對光伏陣列的輸出電壓進行升壓變換。Boost 型 DC/DC 變換器是一種輸出端電壓高于輸入端電壓的非隔離直流升壓斬波電路，其電路結(jié)構(gòu)和控制簡單，效率較高，廣泛應(yīng)用于光伏陣列最大功率點跟蹤與光伏照明系統(tǒng)中。</p><p>　　在 Boost 電路中

82、，電感 L 為儲能元件，在開關(guān)管 Q1導(dǎo)通時，電源輸出的電流通過電感 L 和開關(guān)管形成回路，電感電流線性增加，電能以磁能形式儲存在電感 L 中，此時輸出電容 C1向負載放電，維持負載電流。在開關(guān)管 Q1關(guān)斷時，電感 L 中儲存的能量以電流源的形式與電源串聯(lián)，以高于電源的電壓向負載 R 和輸出電容 C1供電。一般在 Boost 電路設(shè)計中，電感 L 工作在電流連續(xù)模式，此時電路輸出與輸入電壓之間的關(guān)系為：</p><p

83、>　　其中，T 為開關(guān)管開關(guān)周期，ton為一個周期中導(dǎo)通時間，toff為一個周期中關(guān)斷時間，D 為開關(guān)管導(dǎo)通占空比D=ton/T0<D<1，Vpv為輸入電壓，Vo為輸出電壓。</p><p>　　圖 4-3 為應(yīng)用 Boost 變換電路的光伏發(fā)電等效電路圖，其中 Vs為光伏陣列等效電源，Rs為光伏陣列等效電阻，Ipv為光伏陣列輸出電流，Vpv為光伏陣列輸出電壓，Req為光伏陣列外接等效負載，RL

84、為光伏發(fā)電系統(tǒng)負載，Vo為負載電壓。在光伏陣列輸出為最大功率時， </p><p><b>　　Rs=Req</b></p><p>　　對于 Boost 電路分析</p><p>　　假設(shè) Boost 電路效率為1，Boost 電路輸入功率 Pin與輸出功率Pout相等，則</p><p>　　將公式（3-4）（3-5

85、）（3-6）聯(lián)立解得</p><p>　　所以在最大功率點跟蹤系統(tǒng)中，控制器應(yīng)實時控制 Boost 電路開關(guān)管的導(dǎo)通比 D，使 Boost 電路與負載這部分電路的等效電阻 Req與光伏陣列內(nèi)部電阻 Rs匹配。在 Boost 電路中，為了保護開關(guān)管不因過壓導(dǎo)致?lián)p壞及保證 Boost 電路的轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)通比 D 一般工作在 0.1~0.9 的范圍內(nèi)，負載 RL應(yīng)選取在 1.25Rs~100Rs范圍內(nèi)。</p&g

86、t;<p>　　圖4-2 boost拓撲DC/DC等效圖</p><p>　　圖4-3 Boost型mppt等效電路</p><p>　　4.2 常見的兩種 MPPT 控制技術(shù) </p><p>　　圖4-4 光伏陣列MPPT原理仿真模型</p><p>　　4.2.1 擾動觀察法 </p><p>　　

87、擾動觀察法（P&O）又稱為爬山法，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種 MPPT 算法，其Matlab 仿真模型如圖：</p><p>　　圖4-5 擾動觀察法matlab仿真模型</p><p>　　因為在不同的外界環(huán)境（如光照強度、溫度等）條件下，光伏電池的輸出功率也會不斷的發(fā)生變化，所以設(shè)定光照強度在0.2s時從1000W/m²下降800W/m²，觀察輸出功率變化如圖

88、：</p><p>　　圖4-6 擾動觀察法功率變化圖</p><p>　　其控制流程圖如圖 4-7 所示。</p><p>　　圖4-7 擾動觀察法控制流程圖</p><p>　　擾動觀察法的工作原理為：在光伏電池的 P-V 曲線中，在工作電壓 V 從 0逐漸增加到開路電壓時，在光伏電池 MPP 左側(cè)，光伏電池輸出功率對工作電壓的變化率 d

89、P/dV>0；而在 MPP 右側(cè)時，dP/dV<0；只有光伏電池工作在 MPP 時，太陽能電池輸出功率對工作電壓變化率dP/dV=0。所以可以通過因此可以通過變化率來判斷太陽能電池工作的狀態(tài)。 </p><p>　　擾動觀察法的具體控制過程為：在太陽能電池工作在初始點Vref，控制DC/DC變換電路的占空比，在t時刻使太陽能電池工作電壓Vref產(chǎn)生方向擾動，Vref+ΔV，然后檢測t+1時刻太陽能電池

90、輸出功率。與t時刻對比，如果功率增加，則下一擾動周期里保持+ΔV方向擾動；如果功率變小，則向-ΔV方向擾動，經(jīng)過調(diào)整可以無限接近最大功率點。</p><p>　　優(yōu)點：相比于其他 MPPT 控制算法，擾動觀察法具有控制簡單，容易實現(xiàn)等優(yōu)點。在控制精度要求不高時，既能滿足控制要求，又能節(jié)約成本。 </p><p>　　缺點：這種方法的控制原理帶來了不可避免的缺點。當(dāng)系統(tǒng)工作點經(jīng)過一段時間的擾

91、動后逼近最大功率點時，擾動并不會停止，繼續(xù)的擾動使工作點在最大功率點兩側(cè)來回振蕩，系統(tǒng)無法輸出最大功率，這樣會損失一部分功率，降低了系統(tǒng)效率。減小擾動步長的方法可以減小系統(tǒng)在最大功率點附近的功率振蕩損失，但在外界環(huán)境突變或變化較快時，較小的擾動步長會降低 MPPT 控制的動態(tài)響應(yīng)，因此也會產(chǎn)生功率損失；如果采用較大的擾動步長，雖然可以提升 MPPT控制的動態(tài)響應(yīng)，但會帶來更大功率震動損失，并且使系統(tǒng)更容易產(chǎn)生擾動方向的誤判。如在圖4-8

92、中，系統(tǒng)在工作點 A 的時刻的擾動步長為-ΔV，在一個擾動周期后由于光照強度突然增加，系統(tǒng)的工作點變?yōu)?B 點，雖然上一時刻的擾動使系統(tǒng)工作點遠離了最大功率點，但系統(tǒng)的輸出功率增加，所以系統(tǒng)會維持-ΔV擾動并在下一個周期后工作工作點 C，而此時最大功率點為 C’，這種擾動方向的誤判造成了系統(tǒng)的功率損失。</p><p>　　圖4-8 光照突變時，光伏電池工作點的變化圖</p><p>　　

93、擾動觀察法通常應(yīng)用在日照變化不是很劇烈、小功率、控制精度要求不高的場合。</p><p>　　4.2.2 電導(dǎo)增量法</p><p>　　電導(dǎo)增量法（INC）也是常用的 MPPT 控制算法之一，其控制思想也是利用dP/dV 進行最大功率點跟蹤控制，但在最大功率點處，推導(dǎo)出了電導(dǎo)I/U與電導(dǎo)變化量 dI/dU 之間的關(guān)系，并以此進行光伏電池的 MPPT 控制。電導(dǎo)增量法Matlab 仿真模型

94、如圖：</p><p>　　圖4-9 電導(dǎo)增量法Matlab 仿真模型</p><p>　　設(shè)定光照強度在0.2s時從1000W/m²下降到800W/m²，觀察輸出功率變化：</p><p>　　圖4-10 電導(dǎo)增量法功率變化圖</p><p>　　電導(dǎo)增量法的控制流程圖：</p><p>　　圖

95、4-11 INC 法控制流程圖</p><p>　　在光伏電池 P-V 曲線中，功率最大點 Pm處有：</p><p>　　等式（3-9）兩端對 V 求導(dǎo)得</p><p><b>　　即</b></p><p>　　因此可以通過判斷I/V+dI/dV即G+dG(G為電導(dǎo))的符號來判斷光伏電池的工作狀態(tài)。由（3-12）式

96、可知，當(dāng) G+dG 等于0時，表明光伏電池工作在最大功率點，下一時刻維持光伏電池的輸出電壓不變；當(dāng) G+dG>0 時，表明此時工作在最大功率點左側(cè)，下一時刻需要增加光伏電池的輸出電壓；當(dāng) G+dG<0 時，表明此時工作在最大功率點右側(cè)，下一時刻需要減小光伏電池的輸出電壓。 </p><p>　　電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖：</p><p>　　經(jīng)過一個控制周期后，系統(tǒng)先要檢測光

97、伏電池的輸出電壓V是否變化，如果dV不等于0，表明系統(tǒng)沒有工作在最大功率點，那么將按照與擾動觀察法類似的方法進行控制。如果 dV=0，表明已工作在最大功率點，此時將檢測輸出電流 I 是否變化，若 dI=0，表明外部環(huán)境沒有變化，系統(tǒng)仍在最大功率點，輸出電壓 Vref無需調(diào)整，應(yīng)維持不變；若 dI 不等于 0，表明外部環(huán)境變化導(dǎo)致光伏電池 P-V，I-V 曲線發(fā)生變化，最大功率點也發(fā)生改變，當(dāng) dI>0 時，在下一周期要增加 Vre

98、f，當(dāng) dI<0 時，在下一周期要減小 Vref。 </p><p>　　優(yōu)點：從電導(dǎo)增量法的控制思想可以看出，該方法控制精確，跟蹤速度快，對最大功率點的判斷不受外部電路影響，當(dāng)外部環(huán)境突變造成功率時間曲線為多級值曲線時，能準確判斷出最大功率點，避免誤判；此外，該方法控制效果穩(wěn)定，在最大功率點時光伏電池的輸出電壓不會持續(xù)擾動，消除了擾動產(chǎn)生的功率振蕩損失。 </p><p>　　缺點

99、：算法計算量大、較為復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求較高，也對硬件尤其是傳感器的精度和速度要求較高，同時增加硬件成本。 </p><p>　　電導(dǎo)增量法通常應(yīng)用于氣候變化大的場合，在對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度、動態(tài)響應(yīng)要求較高的場合，如大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，電導(dǎo)增量法也是比較理想的MPPT 控制方法。</p><p>　　5 光伏充、放電控制器的硬、軟件設(shè)計</p><p>　　5.

100、1 控制器的整體設(shè)計及預(yù)期技術(shù)指標</p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏充、放電控制器是一種控制光伏太陽能電池對蓄電池充電以及蓄電池對負載放電兩個過程的自動控制設(shè)備。控制系統(tǒng)一般由控制電路、檢測電路、驅(qū)動電路、電力電子器件等為核心的主電路組成。在本論文中主控器芯片是采用帶有PWM輸出的STC15W4K16S4單片機，通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行參數(shù)采集和監(jiān)控來控制整個充放電過程，獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中充放

101、電控制器原理框圖如圖5- 1所示。</p><p>　　圖5-1光伏充放電控制器電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　本論文中光伏充放電控制器以控制100W戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)為例,假設(shè)負載每天累計工作時間為10小時,在這種情況下,負載每天需要消耗的能量為:</p><p>　　100W X l0h = 1KW*h</p><p>　　考慮到損耗的情況

102、,對于保守估計有效光照5小時的地區(qū),選擇240W (60WX4)的光伏電池組件,每天產(chǎn)生l.2KW.h的電能,可以滿足要求,并且還有一定裕量。因此,光伏電池的配置為并聯(lián)后峰值電壓17.5V,開路電壓21V,240W(60WX4)的組件。本論文中選用合肥中南光電生產(chǎn)的CHN60-36M光伏電池組件。</p><p>　　在本論文中,技術(shù)指標要求蓄電池在無光條件下能對負載連續(xù)供電1天。對蓄電池的配置要滿足最長供電時間

103、的要求,因此滿足蓄電池的最小儲能為:</p><p>　　IKW-hx 1(天)=IKW-h</p><p>　　蓄電池的容量選擇留取一定的裕量,取蓄電池的容量為85A-h。</p><p>　　這樣完成了對光伏電池、蓄電池、負載的匹配設(shè)計。</p><p>　　5.2 Boost電路實現(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型</p>&l

104、t;p>　　不管是獨立還是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，都有一個共性：光伏陣列不是一個可以容易控制的理想電源，有上面分析可知想要充分利用光伏陣列，需要一個MPPT裝置裝在光伏陣列和負載之間，然而 MPPT裝置都是由電力電子裝置組成。所以需要我們在建立光伏陣列仿真模型的基礎(chǔ)上，通過增添電力電子器件或由狀態(tài)空間法來表示建立它的電路仿真模型。所以本文在Boost電路原理的基礎(chǔ)上，建立基于Boost電路阻抗變換的實現(xiàn)光伏陣列MPPT的仿真模型。此模型

105、可以無需精確的特性和參數(shù)，便可以實現(xiàn)實時模擬光伏陣列及其MPPT。</p><p>　　當(dāng)光伏陣列接入Boost變換電路時，我們需要考慮Boost電路輸出負載可能為純電阻的情況，若變換電路的效率為1時，根據(jù)Boost電路輸入功率與輸出功率相等，把boost電路電感的電阻忽略時，其等效輸入阻抗可用公式表示：</p><p><b>　　(5-1)</b></p&g

106、t;<p>　　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。</p><p>　　從式5-1可知，當(dāng)D越大時，Boost電路的輸入阻抗就越小。所以如果我們把當(dāng)Boost電路開關(guān)占空比改變時，讓光伏輸出阻抗和等效輸入阻抗相匹配，那么光伏陣列將會輸出最大功率。</p><p>　　根據(jù)Boost電路的阻抗變換關(guān)系，在Matlab的Simulink模型

107、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100Ω，通過調(diào)整占空比D在[0，1]變化時光伏陣列輸出特性。如圖5-2所示boost型電路的MATLAB仿真。</p><p><b>　　MPPT：</b></p><p>　　圖5-2 MPPT的仿真模型</p&

108、gt;<p><b>　　PWM：</b></p><p>　　圖5-3 PWM的仿真模型</p><p>　　圖5-4 帶有mppt技術(shù)的boost型DC/DC變換電路</p><p>　　DC/AC逆變環(huán)節(jié)的電路拓撲結(jié)構(gòu)有很多，例如按輸出相數(shù)可分為單相逆變器和三相逆變器；按逆變器的主電路形式可分為單端式逆變器、推挽式逆變器、半

109、橋式逆變器和全橋式逆變器；按逆變器輸出電壓或電流的波形分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器；按直流電源分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，按控制方法分為調(diào)頻式逆變器和調(diào)寬式逆變器。</p><p>　　本設(shè)計是基于單相太陽能發(fā)電逆變控制器的設(shè)計，所以采用單相全橋逆變器，且逆變器的輸出要適用于普通交流負載，所以選用電壓型正弦波逆變電路，全橋電路與半橋電路相比，可以達到更大的功率輸出，并且有較好的輸出波形，而且要