光伏電池simulink仿真-畢設

1、太陽能作為一種新興的綠色能源，以其取之不竭、用之不盡、無污染 等優(yōu)點，受到人們越來越多的重視。光伏發(fā)電是充分利用太陽能的一種有 效方式之一。由于目前光伏電池板的價格比較高，轉(zhuǎn)換效率比較低，為了 降低系統(tǒng)造價和有效地利用太陽能，該論文光伏發(fā)電進行最大功率跟蹤顯 得尤為必要。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，從建模 仿真方面對具有最大功率點跟蹤的控制器進行了研究，提出了一種新的最 大功率點跟蹤方案。本文主要任務如下：首先，本文介紹了論文的相關研究背景、選題意義、以及論文的主要 工作。其次，分析了太陽能電池板的工作原理，利用 MATLAB/simulink模塊 對不同環(huán)境及不同日照強度下

2、的太陽能電池輸出特性進行了建模、仿真。再次，介紹并分析了最大功率點跟蹤原理，以及常用的幾種跟蹤方法。介紹了三種常用的DC/DC變換器的工作原理。緊接著，對干擾觀察法和電導增量法進行了建模和仿真，針對電導增 量法提出了一種適合車用的改進方案。仿真結果表明新的方案在一定條件 下可以顯著減小最大功率跟蹤系統(tǒng)響應時間。而后，用CATIA軟件對第一代太陽能車進行了設計，建立了蓄電池驅(qū) 動電機和蓄電池充電系統(tǒng)電路。最后，針對充電系統(tǒng)的電流、電壓開發(fā)了一個簡單的檢測分析軟件。關鍵詞：太陽能；最大功率跟蹤；MATLA時真；DC/DC變換器AbstractSolar power is a new green p

3、ower. It is regarded as clean, pollution-free, and inexhaustible. Photovoltaic conversion is an effective way to use solar power. Because the price of photovoltaic cell is expensive and conversion efficiency is low presently, the Maximum Power Point Tracking is absolutely necessary, in order to decr

4、ease system cost and increase efficiency. Aims at how to increase the efficiency of conversion for the photovoltaic energy system, this paper researchesthe solar controller with maximum power point tracking (MPPT) and presents a novel MPPT method from the simulation.The main work of this paper is as

5、 follows:First, introduces the background, significance, work.Second, analyzing the principle of the solar panel and using the MATLAB software to build the simulation of the output characteristic for the solar cell under different temperature and isolation.Third, introduces the MPPT principle, compa

6、ring several common MPPT methods and find out their advantage and disadvantage. Then analysis three DC/DC converters principles.Forth, using the MATLAB software simulink toolbox to build the simulation of the Perturbation And Observation method, Incremental Conductance method and improved the Increm

7、ental Conductance method. The result of the simulation demonstrates that the newstrategy can reduce the responding time of the system.Fifth , using the CATIA software to build the first generation solar car 3D model. Then build the circuit of the MPPT system.Last, write a program to analysis the cur

8、rent and voltage of the system.Keywords： Solar Energy ; MPPT ; MATLAB Simulation ; DC/DC Converter TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第1章緒論 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 課題背景 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Docum

9、ent 國外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 太陽能車發(fā)展現(xiàn)狀 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本課題的意義 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 本文主要內(nèi)容 7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第2章光伏電池特性及其仿真模型的建立 8 HYPERLINK l

10、 bookmark18 o Current Document 光伏電池的工作原理 8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 光伏電池等效電路 9 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 光伏電池仿真模型的建立 10 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 工程用光伏電池的數(shù)學模型 10光伏電池的simulink模型 12 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 本章小結 16 HYPERLINK l bookmark2

11、8 o Current Document 第3章光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤系統(tǒng)的研究.17 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 最大功率點跟蹤的概念 17 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 最大功率點跟蹤的原理 18 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 常用最大功率跟蹤控制算法 19恒定電壓法 19干擾觀察法 20電導增量法 21DC/DC電路實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤原理.23典型DC/D嚷?lián)Q電路 24降壓式變換器（Buck） 24升壓式變換器（B

12、oost） 27升降壓式變換器（Buck-Boost） 30 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 最大功率跟蹤控制算法simulink仿真分析.32 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 降壓式變換器建模 32 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 干擾占空比的最大功率跟蹤算法 35干擾觀察法 37電導增量法 40 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 車用光伏電池最大功率跟蹤仿真與分析 42 HYPERLIN

13、K l bookmark62 o Current Document 車用最大功率跟蹤方案 43 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 車用最大功率跟蹤方案仿真分析 44本章小結 47第4章第一代太陽能原型車制作 47車輛系統(tǒng)原理圖 47原型車CATIA建模 48電池驅(qū)動直流電機電路設計 49單片機的選擇 49直流電動機月寬調(diào)速（PWM系統(tǒng)設計.50最大功率跟蹤電路設計 53主回路實現(xiàn) 53驅(qū)動電路 54檢測電路 54與計算機通訊電路 55電源電路 55光伏發(fā)電系統(tǒng)主要電路原理圖 56第5章光伏電池電流、電壓檢測分析軟件 57MATLAB軟件編程 5

14、7光伏電池電流、電壓檢測分析軟件 58本章小結 58結論致謝參考文獻第1章緒論課題背景能源，是人類賴以生存根本，其中化石能源作為目前全球消耗的最主 要能源，不僅給地球環(huán)境帶來了嚴重的破壞，而且正在一天天走向枯竭。 據(jù)中國科學院院士、中國科學院能源研究委員會副主任嚴陸光研究表明： 地球在數(shù)十萬年積聚下來的石油、煤炭、天然氣等化石能源，大約可供人 類使用300年。根據(jù)現(xiàn)在探明的儲量和消耗水平計算，石油可用30至50年，天然氣可用60至80年，煤炭可用時間長一些，大約 100至200年。 總體上化石能源大約還可供人類使用 100年左右?；茉唇K會耗盡，價格長期上漲的趨勢不可改變。能源市場向來是 一

15、個充滿了政治糾葛、國家利益斗爭的地方。不論是2002年以來的石油價 格高漲，還是2008年的石油價格暴跌，一個無法回避的現(xiàn)實是地球上的化 石能源儲量是有限的。有限的傳統(tǒng)能源是無法支撐人類長期的經(jīng)濟發(fā)展要 求?；茉吹膬r格短期內(nèi)可能有漲有跌，但從長期來看，上升之勢不可 逆轉(zhuǎn)。尋找人類合適的新能源是人類長久發(fā)展的必要條件。與其他新能源相比，太陽能或許是真正的最終解決方案。從可用總量 上來看，水能、風能、潮汐能都太小，不能滿足人類需求。核能盡管具有 一定的發(fā)展空間，但是安全問題總是相伴左右。地熱能從理論上看也具有 潛力，但是如何利用是一個天大難題。所以，太陽能是人類所知，目前已 經(jīng)可以利用的，清潔

16、安全的，能夠解決人類未來需要的唯一能源選擇?？傊?，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重，能源和環(huán)境成 為二十一世紀人類所面臨的重大基本問題，清潔的可再生能源的發(fā)展和應 用越來越受到世界各國的廣泛關注。近二、三十年來，太陽能光伏(Photovoltaic , PS發(fā)電技術得到了持續(xù)的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一。開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，對于緩解能 源和環(huán)境問題，開拓廣闊的光伏發(fā)電市場和掌握相關領域的先進技術，具 有重大的理論和現(xiàn)實意義。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀國外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀在能源危機和全球氣候變暖的壓力下，可再生能源越來越受到德、美、 日等國政府的關注，并相繼提出了光

17、伏發(fā)電的“光伏屋頂計劃”、“新陽光計劃”等，在政府的政策、法規(guī)和行動計劃推動下，全球光伏產(chǎn)業(yè)以一個 朝陽產(chǎn)業(yè)的面貌高速成長。在過去的15年中，全球光伏產(chǎn)業(yè)以25%勺年均增長率成長。2003年以 來歐洲光伏市場的迅速起動，使得 2004年、2005年市場曾經(jīng)一度出現(xiàn)供 不應求的局面。隨后各大廠商紛紛加大產(chǎn)能，盡管原料緊張，2006年世界光伏電池產(chǎn)量仍然達到2501 MW比2005年增加了 42.2%。20002006年全球光伏系統(tǒng)安裝量年均復合增長速度高達49.1%。2006年全年新增光伏系統(tǒng)安裝容量達到 1870.4 MW；比2005年增長35% 多年以來德國一直是全球最大的光伏市場，在德國光

18、伏屋頂計劃示范的影 響下，西班牙、意大利、葡萄牙、挪威等國紛紛效仿，這些國家的市場已 經(jīng)興起，其中西班牙的增長率超過 200%在亞洲，日本和韓國的安裝量2007 年也迅猛增加；在美國，2006年通過的加利福尼亞州“百萬太陽能屋頂計 劃”進一步刺激了美國的市場需求。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，太陽能 組件價格不斷下降，但仍然較高，國際市場價格在1980年為21.83美元每 峰瓦，1990、2005年分別為6.07、2.70美元每峰瓦。值得指出的是，新型的薄膜太陽能電池由于用硅量只有硅片電池的1/100左右（有的不用硅材料，如 CIGS （銅鈿錢硒），CdTe （硫化鎘）薄膜 電池）加工工藝簡化，可

19、以大大縮短能量返還時間，提高能量再生比。如 美國Nanosolar公司開發(fā)的卷筒印刷CIGS薄膜電池技術，預計的能量返還 時間僅為2個月。其年產(chǎn)能為430 MW勺薄膜電池工廠將于明年投產(chǎn)。國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國于1958年開始研究太陽能電池，于1971年首次成功應用于東方 紅二號衛(wèi)星上，并于1973年開始用于地面。中國的光伏工業(yè)在 20世紀80 年代以前尚處于雛形，光伏能電池的年產(chǎn)量一直徘徊在 10kW以下，價格也 彳艮昂貴。但隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，黨和政府開始越來越重視太陽能光伏發(fā)電的開 發(fā)。胡錦濤同志在對“關于支持我國太陽能自主創(chuàng)新關鍵技術的建議”報 告的重要批示中指出：“太陽能是重要可再生

20、能源之一， 推進科技創(chuàng)新，解 決太陽能發(fā)電高成本問題是大規(guī)模開發(fā)利用太陽能的關鍵”。自2002年起我國太陽電池制造業(yè)高速發(fā)展，年均增長率達180%據(jù)不完全統(tǒng)計，全國光伏產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)逾 500家。2006年我國光伏電池的產(chǎn) 量369.5MW同比增長145.0%,產(chǎn)量超過美國居全球第三位，占全球產(chǎn)量 的14.8%。全國光伏企業(yè)500多家中，已在海外上市企業(yè)有10家，但產(chǎn)能 在5MM上的企業(yè)僅20多家，多數(shù)企業(yè)規(guī)模小、技術水平低，尚未達到經(jīng) 濟規(guī)模，造成資源嚴重浪費和無序競爭。太陽能電池制造業(yè)的迅猛發(fā)展， 使國內(nèi)硅材料嚴重短缺，多晶硅供不應求，所需多晶硅90%Z上需要進口。在太陽能電池的應用方面，我

21、國太陽能光伏電池的市場需求較小，發(fā) 展緩慢。雖然，自2001年起，在7個省區(qū)實施“送電到鄉(xiāng)”工程，總投資 達26億元，光伏組件安裝量達到16.5MWp極大地推動了中國光伏產(chǎn)業(yè)和 市場的發(fā)展。但是，同國外發(fā)達國家相比，我國的市場仍然是需求較小， 發(fā)展很緩慢，國內(nèi)生產(chǎn)的電池組件 95%Z上出口。到2006年全國累計裝機 容量僅為80MW 2006年全國光伏電池的安裝量為 10MW占當年光伏電池 的產(chǎn)量369.5MW勺3.7%,國內(nèi)市場僅占全球市場（1744MW；的0.6%。全國 累計80MW勺裝機容量中，邊遠地區(qū)農(nóng)村電氣化占總裝機量的 42.9%,工業(yè) 應用和消費產(chǎn)品共占52.8%,城市并網(wǎng)發(fā)電只

22、占4%在太陽能電池研究方面，國內(nèi)許多高校和研究機構也長期致力于光伏 發(fā)電技術領域的研究工作。其中合肥工業(yè)大學能源研究所在光伏水泵變頻 器、戶用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和光伏照明系統(tǒng)等方面都進行了許多相關研究， 并且在光伏技術產(chǎn)業(yè)化上積累了一定的經(jīng)驗；中國科學院電工研究所在光 伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和工程應用上也取得了很大進展，其下屬機構參與 設計安裝的位于深圳市國際園林花卉博覽園的1MV光伏并網(wǎng)電站是目前亞洲最大的集中式光伏并網(wǎng)電站；止匕外，中山大學、北方交通大學和新疆新 能源研究所等院校和研究機構也在光伏發(fā)電領域開展了大量的研究和開發(fā) 工作。太陽能車發(fā)展現(xiàn)狀1984年9月，我國首次研制的“太陽號”太陽

23、能汽車試驗成功，并開 進了北京中南海的勤政 殿。該車車頂上安裝了 2808塊單晶硅片，組成10 褶的硅板，裝有三個車輪，自重 159kg,車速20km/ h。1996年，清華大 學參照日本能登競賽規(guī)范，研制了 “追日”號太陽能汽車。重 800公斤左 右，最高車速達80公里每小時，造價為7.8萬美元。其采用的電池板是我 國第五代產(chǎn)品，太陽能轉(zhuǎn)化率只能達到 14% 2001年，全國高校首輛可載 人的太陽能電動車“思源號”在上海交通大學誕生。 該車無需任何助動燃 料，只要在陽光下曬三、四個小時，便能輕松跑上10多公里。 之后，中山大學太陽能系統(tǒng)研究所也推出了一輛酷似公園電瓶車的太陽能電動車。 該車可

24、以搭乘6名乘客，但是國產(chǎn)的時速最高卻只有 48公里，持續(xù)行駛 時間也就1個小時。2006年，我國首輛太陽能轎車在南京亮相，這輛可 以直接切換電能的太陽能汽車行駛速度最高可達每小時88公里。如果加 上電能，這輛車晚上能跑220公里，白天可跑290公里。太陽能車目前尚處于“概念車”狀態(tài)。因為太陽能的不穩(wěn)定性、分散 性（強烈時大約1千瓦/平方米）以及太陽能收集裝置效率低、成本高， 太陽能直接作為汽車或自行車的動力幾乎是不可逾越的瓶頸，前景并不樂 觀。而用固定裝置大規(guī)模收集太陽能用以發(fā)電，給電瓶汽車、電瓶自行車充電作動力是比較現(xiàn)實的，現(xiàn)在就可以做到。目前，除了汽車和環(huán)保愛好 者，汽車企業(yè)在太陽能汽車上

25、的研究和開發(fā)并不多，對新能源的開發(fā)重點 還是集中在混合動力上。據(jù)專家說，要突破科技瓶頸，使太陽能汽車正式 走入人們的生活，還需要30至50年的時間。曾經(jīng)在日內(nèi)瓦國際車展上亮相，由法國汽車廠VENTURI所發(fā)表的Electic 概念電動車款，這輛運用了太陽能與先進替代能源概念打造的新 車，不久前VENTUR巳經(jīng)表示將在不久之后正式量 產(chǎn)，而且也宣布相當于 約2.4萬歐元（折合人民幣25.5萬元）的接單預售價，量產(chǎn)初期將先試產(chǎn) 約20輛作為法國當?shù)啬承┦痉缎^(qū)的通勤測試使用。圖1.1太陽能車為了擴大這輛太陽能電動汽車的銷售市場，日前法國原廠還特地空運 一輛原型車到美國加州進行測試，根據(jù)原廠表示這輛

26、電動車每充滿一次電 力可以行駛約 50公里 的續(xù)航力，而且安全極速被電子限速器鎖定于 50km/h左右，除可連接外部電源充電外，車頂也內(nèi)建大面積的太陽能收集 板以儲存熱能的形式轉(zhuǎn)換為動能， 車上的電動馬達最大馬力輸出值為 21hp左右，峰值扭力約為5.11kgm,空車總重為350公斤左右，將來發(fā)售后原 廠將提供二年不限里程的新車保固服務本課題的意義光伏電池在一個既定的溫度和光照強度下會在一個特定的工作點達到最大輸出功率，這個工作點就叫做最大功率點( Maximum Power Point )0 但是因為太陽電池的輸出特性是復雜的非線性形式，故而難以確定其數(shù)學模型,也就無法用解析法求得最大功率。

27、 所以，為了使電池充電過程中總是 工作在最大功率點，最大功率點跟蹤( Maximum PowePoint Tracking 簡 稱MPPTjfc術應運而生，其目的就是使太陽能電池板在環(huán)境變化時仍然能 迅速調(diào)整它的工作點保持在最大功率點。最早的太陽能供電僅為負載與光伏陣列的直接匹配，其功率輸出比較 小。后來出現(xiàn)的恒電壓跟蹤法(CVT, 一定程度上彌補了直接匹配的不足。 而為了實現(xiàn)最大功率輸出出現(xiàn)了最大功率點跟蹤(MPPT技術。目前，光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT技術，國內(nèi)外已有了一定的 研究，發(fā)展出各種控制方法常，常用的有一下幾種：恒定電壓跟蹤法 (Constant Voltage Trac

28、king 簡稱 CVT干擾觀察法(Perturbation And Observation method 簡稱 P&O增量電導法(Incremental Conductance method簡稱INC)、各種變步長的電導增量法等等。相對光伏并網(wǎng)發(fā)電而言，車用光伏充電系統(tǒng)環(huán)境變量復雜多變，既需 要符合人們?nèi)粘囕v的使用習慣又要讓光伏電池處于最佳工作狀態(tài)。所 以尋找一種適用于這種多變環(huán)境的光伏系統(tǒng)最大功率算法就顯得尤為重 要。本文主要內(nèi)容研究光伏發(fā)電系統(tǒng)關鍵要建立系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，通過模型對其核心問題即最大功率跟蹤算法進行仿真分析。本文利用MATLAB/simulink仿真工具建立了光伏電池、D

29、C/DC專換電路以及最大功率跟蹤部分的仿真模型， 通過設定特定的環(huán)境變量對目前流行的兩種最大功率跟蹤算法進行了仿真 分析和比較，通過對現(xiàn)有算法的分析提出了一種新的最大功率跟蹤方案并 進行了仿真。最后對控制電路進行了初步的設計并開發(fā)了一套電壓電流監(jiān) 測分析軟件本文所做的工作可以總結如下：1）在基于光伏電池工作原理的分析基礎上，建立了 MATLAB/Simulink光伏陣列模型。2）在介紹光伏電池輸出特性及其仿真模型的基礎上提出了最大功率 點跟蹤的方法和原理并介紹常見 MPPTT法。并對其中的干擾觀察法和電導 增量法用MATLAB/Simulink進行了建模與仿真分析。針對車用光伏充電系 統(tǒng)的使用

30、特點提出一種新的最大功率跟蹤方案，并進行了仿真分析。3）完成了第一代太陽能車的建模、電機驅(qū)動電路、充電控制電路的 初步設計工作，開發(fā)了太陽能工作電流、電壓檢測分析軟件。第2章光伏電池特性及其仿真模型的建立光伏電池的工作原理光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽能電池，又叫光伏電池。光伏電池發(fā) 電的原理是光生伏打效應。光伏電池應用P-N結的光伏效應(Photovoltaic Effect )將來自太陽的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。當太陽光照射到太陽能電池上時， 電池吸收光能，產(chǎn)生光電子一空穴對。在電池內(nèi)電場的作用下，光生電子 和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就 是“光生伏打效應”。若在

31、內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就 有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就變成了可 以使用的電能。太陽能電池的主要組成材料是半導體， 其中“硅”應用最廣。如圖2-4 所示，將較薄的N層置于較厚的P層上面，當日光照射到N層表面，在P-N 接觸面就會產(chǎn)生漂移電流，通過 P-N結上的金屬連線引出即可供給負載。圖2.1光生伏打效應原理簡圖太陽能電池的單元為太陽能晶片，將若干個太陽能晶片通過串并聯(lián)組合起來，再經(jīng)過封裝就是常見的太陽能電池板，若干個太陽能電池板在經(jīng) 過串并聯(lián)就構成了光伏陣列。光伏電池等效電路在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計中，為了更好的分析光伏陣列的電性能，更好 的使其與光伏

32、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)學模型。通過這些數(shù)學關系，來反映出光伏電池各項參數(shù)的變化 規(guī)律。根據(jù)電子學理論，太陽電池的等效電路如圖2.2所示。圖2.2太陽能電池等效電路用公式表示太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為:(2-1)qCV+lRj2l _ V-t-IR., .AKTT Jj (2-2)式中：h：光生電流,A;Id：流過二極管電流，A;V：輸出電壓,V ;】：輸出電流，A ;R備：等效并聯(lián)負載，。；Ra：等效用聯(lián)負載，Q;八：反向飽和電流，A;q：電子電荷（L6 M 101%）;A:二極管因子；K：玻耳茲曼常數(shù).一.：；：絕對溫度，K;其中R品的值很大，而

33、R勺值很小，因此在一般分析中為了簡化分析過 程可將其忽略。上式（2-2）是基于物理原理的太陽能電池最基本的解析表達式，已被廣泛應用于太陽電池的理論分析中，但由于表達式中的5個參數(shù)，包括I L、 I 0、Rs、Rsh和A,它們不僅與電池溫度和日射強度有關,而且確定十分困難, 因此不便于工程應用，也不是太陽電池供應商向用戶提供的技術參數(shù)光伏電池仿真模型的建立工程用光伏電池的數(shù)學模型工程用模型強調(diào)的是實用性與精確性的結合，通常要求僅采用供應商 提供的幾個重要技術參數(shù)，如Isc、Voc、Im、Vm Pm就能在一定的精度下 復現(xiàn)陣列的特性，并能便于計算機分析。下面將在基本解析表達式（2-2）的基礎上，通

34、過兩點近似，即：1）忽略（V+I Rs）/R sh項，這是因為在通常情況下該項遠小于光電流；2）設定IL=Isc,這是因為在通常情況下RS遠小于二極管正向?qū)娮瑁?并設定在開路狀態(tài)下：I=0,V=Voc;最大功率點：V=Vm,I=Im。在此條件下太陽電池的IV方程可簡化為： TOC o 1-5 h z I = 4口11)(2-3)在最大功率點處 V=Vm,I=Im,可得：二=仁嗎|.3七，(2-4)由于在常溫條件下expVm/(C2Voc) 1,可忽略式中的“ -1 ”項，解出 Ci：-：1,忽略式中的“ -1 ”項，解出C2：, QT如江安)(2；)本模型只需要輸入太陽電池通常的技術參數(shù)

35、Isc、Voc、Im、Vm就可 以根據(jù)式(2-4) (2-6)得出C1和Q。最后的太陽電池I-V特性曲線是由(2-2) 確定。太陽電池I-V特性曲線與光照強度和電池溫度有關。通常地面上光照 強度S的變化范圍為 0-1000W/m2,太陽電池的溫度變化較大，可能從 10-70 C 0按標準，取Sref =1000W/m2,Tef =25C為參考光照強度和參考電池 溫度。當光照強度及電池溫度 S(w/m、T( C)不是參考值時，必須考慮其 對太陽電池特性的影響。設T為在任意日射強度S及任意環(huán)境溫度Tair下 的太陽電池溫度，則有：T公+ KS(2-8)對于一般情況K值可取為K=0.03(t ma/

36、W)通過對參考日射照強度和參考電池溫度下I-V特性曲線上任意點(V,I)的移動，得到新日照強度和新電池溫度下的I-V特性曲線上任意點 (V ,1 )為:dl = ct dT+(-=-1)工皿(2-10) T T(2-9)：.二二(2-11)t(2-12)V - V ” :(2-13)式中：皿 參考日照強度下的電流溫度系數(shù)，A/C；B：參考日照強度下的電壓溫度系數(shù)，v/c對于單晶硅及多晶硅太陽電池其實測值為：cc=0.0012Isc(A/ C)0=0.005Voc(V/ C)。2.3.2 光伏電池的simulink模型Simulink是MATLA中用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件 包，它

37、支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合下圖2.3是根據(jù)上文中的數(shù)學模型建立的光伏電池 simulink模型.二鐘雙MlSimulink提供的子系統(tǒng)封裝功能可以大大增強 simulink系統(tǒng)模型框 圖的可讀性。所以為方便以后最大功率跟蹤整體模型的建立，對上圖光伏 電池模型進行封裝如下圖2.4。封裝之后還需針對其內(nèi)部可變參數(shù)進行提 取和關聯(lián)以便無需打開封裝子系統(tǒng)就可以對光伏電池模型參數(shù)進行設置。圖2.4 simulink光伏電池模型封裝子系統(tǒng)2.1所示封裝之后還需針對其內(nèi)部可變參數(shù)進行提取和關聯(lián)以便無需打開封裝 子系統(tǒng)就可以對光伏電池模型參數(shù)進行設置。關聯(lián)好的參數(shù)設置輸入窗口

38、如圖2.5 。至此光伏電池內(nèi)部建模結束，本文采用的光伏板數(shù)據(jù)如表針對此光伏板在環(huán)境溫度為 25 c光照強度為400 w/m2,600 wj/m2,800 w/m*,1000 w/m*及環(huán)境溫度為 65c光照強度為400w/m工,600 w/m1,800 wjm二,1000 w/iM的條件下進行仿真，其模型如圖2.6所示，仿真結果曲線如圖2.7(a)、(b)所示。標準測試條件下最大功率150W峰值工作電流4.95A峰值工作電壓35.2V短路電流5.2A開路電壓44.2V電流溫度系數(shù)6.24 mA/ C電壓溫度系數(shù)0.221 V/ C串聯(lián)電阻0.5 Q表2.1仿真用光伏板參數(shù)圖2.5 simuli

39、nk光伏電池模型輸入?yún)?shù)設置對話框U-P圖2.6光伏電池輸出特性仿真模型環(huán)境溫度為 25 C ,65 c 光照強度為400刃:沖上,600 ）給匚,800可電d,1000 、w配？圖2.7光伏電池電壓電流特性曲線環(huán)境溫度為 25 C ,65 c 光照強度為400，；/,600 w/f1800 Wt:,1000飛1期o o o O位優(yōu)電池JP將我UEl 與二 al 口 E z ，a.為二MC m琳：饕t*，* umurID203040Stt端出電壓(V)圖2.8光伏電池電壓功率特性曲線通過對仿真曲線與光伏電池實測曲線對比證明了仿真曲線可以較為準 確的反應光伏電池的物理特性。研究光伏電池的仿真模型

40、，有助于理解光伏陣列的輸出特性，了解影 響光伏電池輸出特性的各個環(huán)境因素，把這些特性用于電路和系統(tǒng)仿真中， 有助于更加充分了解和發(fā)揮光伏電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用。2.4 本章小結為了在光伏系統(tǒng)仿真過程中獲得最佳的仿真效果，本章在介紹了光伏 電池原理的基礎上對光伏陣列的簡化電路模型和工程用數(shù)學模型及推導進 行了介紹。針對數(shù)學模型在 MATLAB/simulink環(huán)境下建立了光伏電池的仿 真模型，通過在不同環(huán)境變量下的模擬仿真和與真實太陽能特性曲線的對 比證明了仿真模型的精度和可用性。第3章 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤系統(tǒng)的研究最大功率點跟蹤的概念通過對光伏電池仿真曲線的觀察分析了解到光伏發(fā)電受

41、外界環(huán)境影響 較大，電池表面溫度和日照強度的變化都可導致輸出特性發(fā)生較大的變化。 并且，由于目前光伏陣列的成本高、初期投入大、轉(zhuǎn)換效率低，所以為了 提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，充分利用光伏陣列所產(chǎn)生的能量是當下光伏發(fā) 電系統(tǒng)要解決的問題。現(xiàn)在的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常是要求光伏陣列的輸出功率始終保持最 大，即系統(tǒng)要針對環(huán)境變化的不同能夠?qū)崟r地跟蹤光伏陣列的最大功率點， 即下圖3.1中的A點。最大功率跟蹤的目的就是當環(huán)境變化導致最大功率 點偏離U-P曲線的最高點時，系統(tǒng)可以將工作點在新的特性曲線上沿圖 3.1 所示箭頭方向移動至最大功率點，以達到供給負載最大功率的目的?？?5 1Q 1t 2D 即 3n

42、 招 忖出rJEW)圖3.1 25 C,日照強度800 w/nf時太陽能輸出最大功率點“融對008QM 期的1 1 a 1如因此，為使光伏陣列始終能夠輸出其最大功率，以提高太陽能的利用 率，并給太陽能車蓄電池充電，確定一個好的適合太陽能車的最大功率跟蹤算法是其關鍵。最大功率點跟蹤的原理隨著電子技術的發(fā)展，當前太陽能電池陣列的MPPT空制一般是通過DC/DC 變換電路來完成的。具原理框圖如下圖 3.1所示。光伏電池陣列與負載通過 DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測光 伏陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對DC/DC變換器的PWM區(qū)動信號占空比進行調(diào)節(jié)。圖3.1 MPPT系統(tǒng)原理框圖光伏充

43、電系統(tǒng)可簡化模型為如下圖3.2所示。將光伏電池簡化為恒壓源和內(nèi)阻Ri,外部電路簡化為負載Rd則負載功率為：一(3-1)上式兩端對Ro求導得:(3-2)所以，當&=R口時耳口有最大值。圖3.2光伏充電系統(tǒng)簡化模型對于線性電路來說，當負載電阻等于電源的內(nèi)阻時，電源即有最大功 率輸出。雖然光伏電池和 DC/DC轉(zhuǎn)換電路都是強非線性的，然而在極短的 時間內(nèi)，可以認為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC專換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內(nèi)阻，就可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就 實現(xiàn)了光伏電池的MPPT常用最大功率跟蹤控制算法目前，光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT贖術，國內(nèi)外已有了一定的 研究，發(fā)

44、展出各種控制方法常，常用的有一下幾種：包電壓跟蹤法（Constant Voltage Tracking 簡稱 CVT干擾觀察法（Perturbation And Observation method 簡稱 P&O卜增量電導法（Incremental Conductance method簡稱 INC）、 基于梯度變步長的電導增量法等等。恒定電壓法恒定電壓法的基本理論依據(jù)是不同日照條件下光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點電壓位置基本都位于某個恒定電壓 Ue附近。因此，CVM 的控制思路就是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，這樣一來光伏電池 在整個工作過程中將近似的工作在最大功率點處。恒定電壓跟蹤

45、方法不但可以得到比直接匹配更高的功率輸出，在一定的條件下，還可以用來簡化最大功率點跟蹤（MPPT控制。從嚴格的意義上來講CVT 法并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方 法。雖然此法比一般光伏系統(tǒng)可以多獲得20流右的電能，相比不帶 CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種跟蹤方法忽略了溫度對光伏電池陣列 開路電壓的影響，所以CVT法的精度甚低，適應性差，系統(tǒng)最大功率的跟 蹤精度完全取決于電壓值Um的選擇，一旦周圍環(huán)境變化就無實現(xiàn)準確的最 大功率追蹤。但是CVT法以其控制簡單、易實現(xiàn)、且系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩， 具有良好的穩(wěn)定性著稱。干擾觀察法干擾觀察法的原理是每隔一定的時間針對光伏電池輸出電壓進行擾 動

46、，使其增加或減少，同時對其輸出功率進行觀測，判斷其產(chǎn)生變化的方 向并以之為依據(jù)決定下一步的控制信號變化。這種控制算法一般采用功率 反饋方式，通過兩個傳感器對太陽能電池陣列的輸出電壓和電流分別進行 采樣，并計算獲得其輸出功率。若A P0,說明電壓調(diào)整的方向正確，可以 繼續(xù)按原方向進行“干擾”；若A Pgpdr/dn這說明參考電壓應該向著增大的方向變化；同理，如果當前的光伏電池陣列的工作點位于最大功率點的右側(cè)時，此時有：dP /dUCCgpdll /dU這說明參考電壓應該向著減小的方向變化；如果當前光伏陣列的工作點位于最大功率點處或附近，此時將有：dP /dU = OgpdI /du =-I/U此

47、時參考電壓將保持不變，也就是光伏陣列工作在最大功率點上。在理論上電導增量法法比干擾觀察法要好，因為它在下一時刻的變化方向完全取決于在該時刻的電導 G=I/U的變化率和瞬時負電導值的大小關系，而與前一時刻的工作點電壓以及功率的大小無關，因而此法能夠適應 快速變化的日照強度，而且跟蹤精度較高。No圖3.5電導增量法流程圖DC/DC電路實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤原理DC/DC變換器，亦稱為直流斬波器。它能將一種幅值的直流電壓變換 成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓，這一過程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地 加到負載上，通過改變占空比 D來改變輸出電

48、壓的平均值。DC/DC變換器 接入到光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，和最大功率跟蹤裝置一起實現(xiàn)整個光伏發(fā)電 系統(tǒng)的最大功率跟蹤。上文介紹的幾種常用最大功率跟蹤算法雖然算法不同，但是在最大功 率點調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的根本方法都是通過改變 DC/DC6路開關管的PWM6占空比。 所以，下面針對幾種DC/DC電路進行介紹典型DC/DC變換電路DC/DC變換器可以分為很多種，按照調(diào)制形式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM脈沖頻率調(diào)制(PFM、混合調(diào)制。按照變換電路的功能可分為降 壓式直流-直流變換(Buck Converter )、升壓式直流-直流變換器(Boost Converter )、升壓-降壓復合型直流-直流變換器(Boo

49、st-Buck Converter )、 庫克直流-直流變換(Cuk Converter )、全橋式直流-直流變換(Full Bridge Converter )。按輸入直流電源和負載交換能量的形式又可分為單象限直流 斬波器、二象限直流斬波器?，F(xiàn)針對其中常用的三種進行介紹。降壓式變換器(Buck)降壓式變換器是PWhfi變換器中最簡單，也是最基本的一種。其電路拓撲如圖2所示。Buck變換器的優(yōu)點是電路簡單，動態(tài)性能好。其缺點是: 輸入電流的脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以工程中常在電源和變換器之間加入一個輸入濾波電容。穩(wěn)態(tài)電壓比永遠小于1,只能降壓;開關晶體管發(fā)射極不接地，使得其驅(qū)動電路很

50、復雜。其電路原理圖如下：圖3.6降壓式DC/DC變換電路原理圖從圖3.6可以看出，電路的主要元件有：開關管 Q二極管D電感L和電 容。Vin為電源電壓，R為負載電阻，Vo為輸出電壓。在工作狀態(tài)下， 開關管反復導通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖形式的電壓，再經(jīng)過L、C濾波，形成直流電壓輸出。下圖為開關管處于導通 和截止狀態(tài)時的等效原理圖：圖3.7降壓式DC/DC變換電路開關管導通(a)、關斷(b)時等效原理圖從上圖可以看出，在開關管導通時，電源給儲能元件電感充電，電感L上的電流逐漸增大，而在開關管截止時電感放電，電感 L上的電流逐漸 減小。電容起濾波作用，使負載上的電壓的紋波減

51、小。圖 3.8顯示了電感 L、電容C上電流的變換波形和負載 R上的輸出電壓波形。圖3.7降壓式DC/DC變換電路的輸出波形在t=0時，開關管Q導通，電源電壓Vin通過開關管加到二極管 D和輸出濾波電感L、輸出濾波電容上C,故二極管D截止。由于輸出濾波電 容電壓保持不變，因此加在Lf上的電壓為工網(wǎng)一吟。因為11A%,所以輸 出濾波電感電流L線性增長。I.-(3-6)當t = T皿時，達到最大值ie 在開關管導通期間，增長量白、”為：(3-7)=Vun-VapT式中D=乎，為占空比。當t二丁口才時刻，開關管Q關斷,G通過二極管D繼續(xù)流通。此時，加在Lf上的電壓為一町，：i*線性減少。(3-8)當t

52、二3時，心達到最小值在開關管Q截止期間，L的減少量孤立二十工為：4片，：7 =申(TB-Ton) = (1-D)TB(3-9)在1 =時，開關管Q又導通，開始下一個開關周期。在開關管Q導通期間，流過它的電流就是電感電流 kf；在Q截止期間，流過二極管D的電流也是kf。流過Q的電流也是電源的輸入電流，為了減小 電源輸入電流的脈動，在 Buck變換器的輸入側(cè)應該并聯(lián)一個輸入濾波電容。根據(jù)能量守恒，Q導通期間L的增長量等于它在Q截止期間的減少量。即:(3-10)自：(3-11)=*1 - D)Tb上式可簡化為:(3-12)其中D為占空比，且D三1,所以這種電路只能降壓升壓式變換器（Boost）升壓變

53、換器是輸出電壓Vo高于輸入電壓Vin的單管不隔離直流變 換器，所用電力電子器件及元件和 Buck變換器的相同，僅電路拓撲結構不 同，如圖3.8所示。比較圖可見，Boost變換器中電感 /在輸入側(cè)，一般稱為升壓電感。開關管Q仍為PWM控制方式，但它的最大占空比D必須限制，不允許在D=1 情況下工作。圖3.8升壓式DC/DC變換電路原理圖圖3.9為開關管處于導通和截止狀態(tài)時的等效原理圖圖3.9升壓式DC/DC變換電路開關管導通(a)、關斷(b)時等效原理圖從上圖可以看出，在開關管導通時，電源給儲能電感充電，Lf上電流逐漸增大，當開關管截止時電感放電，J上電流逐漸減小。電容起濾波作用，使負載上的電壓

54、波紋減小。下圖3.10顯示了電感上電流的變換波形和電壓 波形。圖3.10升壓式DC/DC變換電路的輸出波形在t=0時，開關管Q導通，電源電壓Von全部加到升壓電感I上，電感 電流L線性增加。二極管D截止，負載由濾波電容G供電。Lf 坐=%口（3-13）當t=T on時，&達到最大值MfiG。在Q導通期間。L的增長量占舊 為：由證 3=（3-14）在1=丁0門時刻，Q關斷，上通過二極管D向輸出側(cè)流動，電源功率和 電感Lf的儲能向負載和電容 Q轉(zhuǎn)移，給Q充電。此時加在Lf上的電壓為 Vin-Vo,因為VoV in ,故心線性減小。W坐二%-。（3-15）當1=丁$時，k達到最小值。在Q截止期間，的

55、減小量 凡 為：婚WT =心 CL-ToJi = （1-D）Tb（3-16）在1=丁$時，Q又導通，開始另一個開關周期。由此可見，Boost變換器的工作分為兩個階段，Q導通時為電感J儲能 階段，此時電源不向負載提供能量，負載靠存儲于電容q的能量維持工作。Q關斷時，電源和電感共同向負載供電，此時還給電容 Q充電。因此Boost 變換器的輸入電流就是升壓電感 L電流的平均值為。開關管和二極管輪流 工作，Q導通時，流過它的電流就是iu ; Q截止時，流過D的電流也就是 kfo過它們的iQ和iD相加就是升壓電感電流iLf o穩(wěn)態(tài)工作時電容Cf充電量等于放電量，通過電容的平均電流為零，所以通過二極管D的

56、電流平均值就是負載電流Io。穩(wěn)態(tài)工作時，開關管Q導通期間電感電流的增長量等于它在開關管Q截止期間的減小量，故其輸出電壓%為好=丫加之(3-17)其中D為占空比，且DM 3,與降壓電路相反這種電路只能升壓。升降壓式變換器(Buck-Boost)升-降壓型變換器綜合了以上兩種變換器的部分特點， 既可升壓又可降 壓，其主電路與Buck和Boost變換器的元器件相同，也由開關管、二極管、 電感和電容等構成，具電路拓撲如下圖 3.11所示。與Buck和Boost變換器不同的是，其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。 圖3.12為開關管導通和截止狀態(tài)時的等效原理圖。從圖可以看出，在開關管導通時，電源給儲能元件電

57、感充電，以上的電流增大，而在開關管截止時電感放電，1上的電流逐漸減小。圖3.13顯示了電感”上的電流變換波形和電壓波形。圖3.11升降壓式DC/DC變換電路原理圖圖3.12升降壓式DC/DC變換電路開關管導通（a）、關斷（b）時等效原理圖圖3.13升降壓式DC/DC變換電路的輸出波形在t=0時，開關管Q導通，電源電壓Von全部加到升壓電感Lf,電感 電流線性增加。二極管D截止，負載由濾波電容 備供電。(3-18)當t=T on時，L達到最大值kfiuino在Q導通期間。L的增長量便立葉工為:十% 二三叫（3-19）在1=丁0門時刻，Q關斷，心通過二極管D向輸出側(cè)流動，電感Lf的儲 能向負載和電

58、容5轉(zhuǎn)移，給Q充電。此時加在“上的電壓為-Vo,故k線性 減小。=-匕（3-20）當t=T s時，匕達到最小值。在Q截止期間，的減小量Ai” 為：&T 甘-（3-21）在1=丁5時，Q又導通，開始另一個開關周期。穩(wěn)態(tài)工作時，開關管Q導通期間電感電流的增長量等于它在開關管Q截止期間的減小量，故其輸出電壓%為% = %含（3-22）其中D為占空比，且D W 1,若D C 0.5則Vm孰5貝OVu V海。 即升降壓變換器輸出電壓即可高于輸入電壓又可低于輸入電壓。最大功率跟蹤控制算法 simulink仿真分析降壓式變換器建模由于實驗中最大功率跟蹤系統(tǒng)的蓄電池充電電壓低于光伏電池陣列的 端電壓，故本文采

59、用降壓變換器模擬仿真最大功率跟蹤。首先建立降壓式變換器數(shù)學模型。由于Buck電路輸入電流的脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以工程中常在電源和變換器之間加入一個輸 入濾波電容。圖3.14降壓式DC/DC變換電路開關管導通(a)、關斷(b)時等效原理圖對圖3.14 (a),由基爾霍夫定律有(3-23)(3-24)-=片式。-小(3-25)對圖3.14 (a),由基爾霍夫定律有：羞3=5 = %也(3-26)(3-27)一0(t)(3-28)由上式可得:%=%何一1(3-29)(3-30)(3-31 )根據(jù)以上三式可用 MATLAB/simulink模塊建立buck變換器模型如下圖3.15 所小。

60、其中 = iOOjiF、= 100iiF L = 10mH圖3.15降壓式DC/DC變換器simulink模型其封裝模型如下圖3.16所示Bude圖3.16降壓式DC/DC變換器封裝后模型蓄電池等效為純電阻，內(nèi)阻為5Q,其建模如下圖3.16圖3.15負載回路（a）、封裝后（LOADb）模型干擾占空比的最大功率跟蹤算法光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/DC變換器主要有兩個作用：一是調(diào)節(jié)太陽能電池 的工作點，使其工作在最大功率點處；二是限制蓄電池充電電壓范圍。本文 著重討論如何實現(xiàn)調(diào)節(jié)太陽能電池工作點這一功能。通過上文的分析可知，由于太陽能電池的輸出特性曲線受外界環(huán)境 （如 日照強度、溫度等）的影響，對于不同