光伏电池simulink仿真-毕设.docx

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、用之不尽、无污染等优点，受到人们越来越多的重视。光伏发电是充分利用太阳能的一种有效方式之一。由目前光伏电池板的价格比较高，转换效率比较低，为r降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建仿照真方面对具有最大功率点跟踪的限制器进行r探讨，提出了一种新的最大功率点跟踪方案。本文主要任务如下：首先，本文介绍了论文的相关探讨背景、选网意义、以及论文的I=要工作。其次，分析太阳能电池板的工作原理，利用MAT1.ABsEu1.ink模块对不同环境及不同日照强度卜的太阳能电池输出特性进行了建模、仿真。再次，介绍并分析了最大功率点跟踪原理,以及常用的几种跟踪方法。介绍了三种常用的DC/DC变换器的工作原理。紧接着，对干扰视察法和电导增量法进行了建模和仿真，针对电导增用法提出了一种适合车用的改进方案.仿真结果表明新的方案在肯定条件下可以显著减小最大功率跟踪系统响应时间。而后，用CATIA软件对第代太阳能车进行了设计,建立了蓄电池驱动电机和蓄电池充电系统电路.最终，针对充电系统的电流、电压开发了一个简洁的检测分析软件。关键词：太阳能：坡大功率跟踪：MATSB仿真；1X7DC变换器AbstractSo1.ai-powerisanewgreenpower,itisregardedasc1.ean,po1.1.ution-free,andinexhaustib1.e.Photovo1.taicconversionisaneI1.ectivewaytouseso1.arpower.Becausethepriceofphotovo1.taicce1.1.isexpensiveandconversionefficiencyis1.owpresent1.y,theMaximumPowerPointTrackingisabso1.ute1.ynecessary1.inordertodecreasesystemcostandincreaseefficiency.Aimsathowtoincreasetheefficiencyofconversionforthephotovo1.taicenergysystem,thispaperresearchestheso1.arcontro1.1.erwithmaximumpowerPoim(racking(MPPT)andpresentsanove1.MPPTmCIhOdfromthesimu1.ation.Themainworkofthispaperisasfo1.1.ows:First,introducesthebackground,significance,work.Second,ana1.yzingtheprincip1.eoftheso1.arpane1.andusingtheMT1.ABsoftwaretobui1.dthesimu1.ationoftheoutputcharacteristicfortheso1.arce1.1.underdifferentIcmpcratiircandiso1.ation.Third,introducestheMPPTprincip1.e,monMPPTmethodsandfindouttheiradvantageanddisadvantage.Thenana1.ysisthreeDC/DCconverters'princip1.es.Forth,usingtheMAT1.ABsoftwaresimu1.inktoo1.boxtobui1.dthesimu1.ationofhePerturbationAndObservationmethod.Incrementa1.ConductancemethodandimprovedtheIncrementa1.Conductancemethod.Theresu1.tofthesimu1.ationdemonstratesthatthenewstrategycanreducetherespondingtimeofthesystem.Fifth,usingtheCATIAsoftwaretobui1.dthefirstgenerationso1.arcar3Dmode1.Thenbui1.dthecircuitoftheMPPTsystem.1.ast,writeaprogramtoana1.ysisthecurrentandvo1.tageofthesystem.Keywords：So1.arEnergy;MPPT;MAT1.ABSimu1.ation;DeDCConvener第1章绪论11.1 课题背景11.2 光伏产业的发呈现状21.2.1 国外光伏产业发呈现状21.2.3 国内光伏产业发呈现状31.2.4 太阳能车发呈现状41.3 本课题的意义61.4 本文主要内容7第2章光伏电池特性及其仿真模型的建立82. 1光伏电池的工作原理82.2光伏电池等效电路92.3光伏电池仿真模型的建立102 .3.1工程用光伏电池的数学模型103 .3.2光伏电池的SimUIink模型122.4本章小结16第3章光伏发电系统最大功率点跟踪系统的探讨173. 1最大功率点跟踪的概念173. 2最大功率点跟踪的原理183. 3常用最大功率跟踪限制算法193. 3.1恒定电压法193. 3.2干扰视察法203. 3.3电导增量法213.4 DC/DC电路实现光伏电池最大功率点跟踪原理233.5 典型DC/DC变换电路243. 5.1降压式变换器（BUCk）244. 5.2升压式变换器（BooSt）275. 5.3升降压式变换器（BUCk-BOOSt）303. 6最大功率跟踪限制算法Simu1.ink仿真分析323. 6.1降压式变换器建模323. 6.2干扰占空比的最大功率跟踪算法343. 6.3干扰视察法363. 6.4电导增量法393.7车用光伏电池最大功率跟踪仿真与分析413. 7.1车用最大功率跟踪方案423. 7.2车用最大功率跟踪方案仿真分析433. 8本章小结46第4章第一代太阳能原型车制作464. 1车辆系统原理图465. 2原型车CATIA建模476. 3电池驱动直流电机电路设计486.1.1 单片机的选择486.1.2 直流电动机脉宽调速(PWM)系统设计494.4最大功率跟踪电路设计524.4.1主回路实现524.4.2驱动电路534.4.3检测电路534.4.4与计算机通讯电路544.4.5电源电路544.4.6光伏发电系统主要电路原理图55第5章光伏电池电流、电压检测分析软件565.1VAT1.AB软件编程565.2光伏电池电流、电压检测分析软件575.3本聿小结57结论致谢参考文献第1章绪论1.1 课题背景能源，是人类赖以生存根本，其中化石能源作为目前全球消耗的最主要能源，不仅给地球环境带来了严峻的破坏，而且正在一每天走向枯竭。据中国科学院院士、中国科学院能源探讨委员会副主任严陆光探讨表明：地球在数十万年积聚下来的石油、煤炭、自然气等化石能源，大约可供人类运用300年。依据现在探明的储量和消耗水平计兜，石油可用30至50年，自然气可用60至80年，煤炭可用时间长一些，大约100至200年。总体上化石能源大约还可供人类运用100年左右。化石能源终会耗尽，价格长期上涨的趋势不行变更。能源市场始终是一个充溢政治纠葛,国家利益斗争的地方。不论是2002年以来的石油价格高涨，还是2008年的石油价格暴跌，一个无法回避的现实是地球上的化石能源储量是有限的。有限的传统能源是无法支撑人类长期的经济发展要求。化石能源的价格短期内可能有涨有跌，但从长期来看，上升之势不行逆转。找寻人类合适的新能源是人类许久发展的必要条件。与其他新能源相比，太阳能或许是真正的最终解决方案。从可用总员上来看，水能、风能、潮汐能都太小，不能满意人类需求。核能尽管具有肯定的发展空间，但是平安问题总是相伴左右。地热能从理论上看也具有潜力，但是如何利用是一个大大难题.所以，太阳能是人类所知，目前己经可以利用的，清洁平安的，能够解决人类将来须要的唯一能源选择。总之，随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严竣，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏(Photovo1.taic,PV)发电技术得到了持续的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的探讨，对于缓解能源和环境问题，开拓广袤的光伏发电市场和驾驭相关领域的先进技术，具有蓝大的理论和现实意义。1.2 光伏产业的发呈现状国外光伏产业发呈现状在能源危机和全球气候变暧的压力下，可再生能源越来越受到镌、美、日等国政府的关注，并相继提出了光伏发电的“光伏屋顶安排”、“新阳光安排”等，在政府的政策、法规和行动安排推动下，全球光伏产业以一个朝阳产业的面貌高速成长。在过去的15年中,全球光伏产业以25%的年均增长率成长。2003年以来欧洲光伏市场的快速起动，使得2004年、2005年市场曾经一度出现供不应求的局面。随后各大厂商纷纷加大产能，尽管原料惊慌，2006年世界光伏电池产量仍旧达到25（HMW,比2005年增加了42.2%.2000-2006年全球光伏系统安装量年均复合增长速度高达49.1%,2006年全年新增光伏系统安装容量达到1870.4MW.比2005年增长35%.多年以来德国始终是全球最大的光伏市场，在德国光伏屋顶安排示范的影晌F.西班牙、意大利、葡萄牙、挪威等国纷纷效仿，这些国家的市场已经兴起,其中西班牙的增长率超过200%；在亚洲，日本和韩国的安装量2007年也迅猛增加；在美国，2006年通过的加利福尼亚州“百万太阳能屋顶安排”进一步剌激了美国的市场需求。随着太阳能产业的快速发展，太阳能组件价格不断下降，但仍旧较高，国际市场价格在1980年为21.83美元每峰瓦，1990、2005年分别为6.07,2.70美元每峰瓦。值得指出的是，新型的薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的1/100左右（有的不用硅材料,如CIGS（铜钢镶硒），CdTe（硫化镉）薄膜电池）加工工艺简化，可以大大缩短能量返还时间，提高能量再生比。如美国Nanoso1.ar公司开发的卷筒印刷C1.GS薄膜电池技术，预料的能量返还时间仅为2个月。其年产能为430VW的薄膜电池工厂将于明年投产。国内光伏产业发呈现状中国于1958年起先探讨太阳能电池，于1971年首次胜利应用于东方红二号卫星上，并于1973年起先用于地面。中国的光伏工业在20世纪80年头以前尚处T雏形，光伏能电池的年产证始终徘徊在IOkW以下，价格也很昂贵。但随着我国经济发展，党和政府起先越来越重视太阳能光伏发电的开发。胡锦涛同志在对“关于支持我国太阳能自主创新关键技术的建议”报告的重要批示中指出：“太阳能是重要可再生能源之一，推动科技创新，解决太阳能发电高成本问题是大规模开发利用太阳能的关键，自2002年起我国太阳电池制造业高速发展，年均增长率达180%o据不完全统计，全国光伏产品生产企业逾500家。2006年我国光伏电池的产ft369.5MW,同比增长145.0%,产属超过美国居全球第述t,占全球产信的14.8全国光伏企业500多家中，已在海外上市企业有10家，但产能在5MW以上的企业仅20多家，多数企业规模小、技术水平低，尚未达到经济规模，造成资源严竣奢侈和无序竞争,太阳能电池制造业的迅猛发展，使国内硅材料严峻短缺，多晶硅供不应求，所需多品睢90%以上须要进口。在太阳能电池的应用方面，我国太阳能光伏电池的市场需求较小，发展缓慢。虽然，自2001年起，在7个省区实施“送电到乡”工程，总投资达26亿元，光伏组件安装量达到16.5MWp,极大地推动了中国光伏产业和市场的发展。但是，同国外发达国家相比，我国的市场仍旧是需求较小，发展很缓微，国内生产的电池组件951以上出口。到2006年全国累计装机容量仅为80W.2006年全国光伏电池的安装量为IOMU,占当年光伏电池的产量369.5MW的3.7%,国内市场仅占全球市场(1744MW)的0.6%,全国笈计80MW的装机容量中，边远地区农村电气化占总装机量的42.9,工业应用和消费产品共占52.8%,城市并网发电只占4%,在太阳能电池探讨方面，国内很多高校和探讨机构也长期致力于光伏发电技术领域的探讨工作.其中合肥工业高校能源探讨所在光伏水泵变频器、户用光伏并网发电系统和光伏照明系统等方面都进行了很多相关探讨,并且在光伏技术产业化上积累了肯定的阅历：中国科学院电工探付所在光伏并网发电系统的开发和工程应用上也取得J'很大进展，其下属机构参加设计安装的位于深圳市国际园林花卉博览园的IMW光伏并网电站是目前亚洲最大的集中式光伏并网电站：此外,中山高校、北方交通高校和新瓠新能源探讨所等院校和探讨机构也在光伏发电领域开展了大量的探讨和开发工作。太阳能车发呈现状1984年9月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验胜利，并开进了北京中南海的勤政殿,该车车顶上安装/2808块单晶硅片，组成10nV的硅板，装有三个车轮，臼重159kg,车速20kmh.1996年，清华高校参照日本能登竞赛规范，研制了“追日”号太阳能汽车。重800公斤左右,最高车速达80公里每小时，造价为7.8万美元。其采纳的电池板是我国第五代产品，太阳能转化率只能达到14%。2001年，全国高校首辆可载人的太阳能电动车“思源号”在上海交通高校诞生。该车无需任何助动燃料，只要在阳光下晒三、四个小时，便能轻松跑上10多公里。之后，中山高校太阳能系统探讨所也推出了一辆酷似公园电瓶车的太阳能电动车。该车可以搭乘6名乘客，但是国产的时速最高却只有48公里，持续行驶时间也就1个小时。2006年，我国首辆太阳能轿车在南京亮相，这辆可以干脆切换电能的太阳能汽车行驶速度最高可达每小时88公里。假如加上电能，这辆车晚上能跑220公里，白天可跑290公里。太阳能车目前尚处于“概念车”状态。因为太阳能的不稳定性、分散性（剧烈时大约1千瓦/平方米）以及太阳能收集装置效率低、成本将，太阳能干脆作为汽车或自行车的动力几乎是不行逾越的瓶颈，前比并不乐观。而用固定装置大规模收集太阳能用以发电，给电瓶汽车、电瓶自行车充电作动力是比较现实的，现在就可以做到。目前，除了汽车和环保爱好.汽车企业在太阳能汽车上的探讨和开发并不多，对新能源的开发重点还是集中在混合动力上。据专家说，要突破科技瓶颈，使太阳能汽车正式走入人们的生活，还须要30至50年的时间。曾经在日内瓦国际车展上亮相，由法国汽车厂VENT1.RI所发表的E1.ec1.ic概念电动车款，这辆运用了太阳能与先进替代能源概念打造的新车，不久前YENTUR1.已经表示将在不久之后正式量产，而I1.也宣布相当于约2.4万欧元（折合人民而25.5万元）的接单预售价，量产初期将先试产约20辆作为法国当地某些示范小区的通勤测试运用.图1.1太阳能车为了扩大这辆太阳能电动汽车的销售市场.日前法国原厂还特地空运一辆原型车到美国加州进行测试，依据原厂表示这辆电动车每充溢一次电力可以行驶约50公里的续航力，而且平安极速被电子限速器锁定于50k11h左右，除可连接外部电源充电外,车顶也内建大面积的太阳能收集板以储存热能的形式转换为动能，车上的电动马达最大马力输出值为21p左右，峰值扭力约为5.1IkPn,空车总重为350公斤左右，将来发传后原厂将供应二年不限里程的新车保固服务1.3 本课题的意义光伏电池在个既定的温度和光照强度下会在个特定的工作点达到最大输出功率，这个工作点就叫做最大功率点(MaximumPowerPoint),但是因为太阳电池的输出特性是困难的非线性形式，故而难以确定其数学模型,也就无法用解析法求得最大功率.所以，为了使电池充电过程中总是工作在破大功率点，最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking简称MPPT)技术应运而生，其目的就是使太阳能电池板在环境变更时仍IH能快速调整它的工作点保持在最大功率点。最早的太阳能供电仪为负载与光伏阵列的干脆匹配，其功率输出比较小。后来出现的恒电压跟踪法(CT),肯定程度上弥补了干脆匹配的不足。而为了实现最大功率输出出现了最大功率点跟踪<MI>PT)技术。目前，光伏阵列的圾大功率点跟踪(MPpT)技术，国内外已有了肯定的探讨，发展出各种限制方法常.常用的有一下几种：恒定电压跟踪法(ConstantVo1.tageTracking简称CVT)、干扰视察法(Perturba1.ionAndObservationmethod简称P&O)»增量电导法(Incrementa1.Conductancemethod简称INC)、各种变步长的电导增量法等等。相对光伏并网发电而言，车用光伏充电系统环境变量困雄多变，既须要符合人们日常对车辆的运用习惯乂要让光伏电池处于最佳工作状态。所以找寻一种适用于这种多变环境的光伏系统最大功率算法就显得尤为IR要。1.4 本文主要内容探讨光伏发电系统关键要建立系统动态仿真模至，通过模型对其核心问题即最大功率跟踪算法进行仿真分析。本文利用MT1.ABSimU1.ink仿式工具建立了光伏电池、DC/DC转换电路以及最大功率跟踪部分的仿真模型,通过设定特定的环境变量对目前流行的两种最大功率跟踪算法进行了仿真分析和比较，通过对现有算法的分析提出一种新的最大功率跟踪方案并进行了仿真。最终对限制电路进行了初步的设计并开发了一套电压电流监测分析软件本文所做的工作可以总结如下：I）在基于光伏电池工作原理的分析基础上，建立了MAT1.AB/Simu1.ink光伏阵列模型.2）在介绍光伏电池输出特性及其仿真模型的基础上提出了最大功率点跟踪的方法和原理并介绍常见MPPT方法。并对其中的干扰视察法和电导增量法用MAT1.AB/Simu1.ink进行了建模与仿真分析。针对车用光伏充电系统的运用特点提出一种新的最大功率跟踪方案，并进行了仿真分析。3）完成了第代太阳能乍的建模、电机驱动电路、充电限制电路的初步设计工作，开发了太阳能工作电流、电压检测分析软件。第2章光伏电池特性及其仿真模型的建立2.1 光伏电池的工作原理光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原理是光生伏打效应。光伏电池应用P-N结的光伏效应(PhotoVO1.taiCEffeCt)将来自太阳的光能转变为电能.当太阳光照耀到太阳能电池上时,电池汲取光能，产生光电子一空穴对。在电池内电场的作用下，光生电子和空穴被分别,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏打效应、若在内建电场的两侧引出电极并接上负教，则负我就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样,太阳的光能就变成了可以运用的电能。太阳能电池的主要组成材料是半导体，其中“硅”应用最广。如图2-4所示，将较薄的N层置于较厚的P层上面，当日光照耀到N层表面，在P-N接触而就会产生漂移电潦，通过P-N结上的金属连线引出即可供应负我.图2.1光生伏打效应原理简图太阳能电池的单元为太阳能晶片，将若干个太阳能晶片通过串并联组合起来，再经过封装就是常见的太阳能电池板，若干个太阳能电池板在经过申并联就构成光伏阵列.2.2 光伏电池等效电路在光伏发电系统的设计中，为了更好的分析光伏阵列的电性能,更好的使其与光伏限制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变更规律。依据电子学理论,太阳电池的等效电路如图2.2所示。图2.2太阳能电池等效电路用公式表示太阳能电池发电状态的电流方程式为：I=I1.TdTSh(2-1).fWV+1.Rt)V+I*1.=1.1.->o(e×P1.-AiCT-H(2-2)式中：心光生电流,A；.流过二极管电流.A：V：输出电压,V：1：输出电流,A：RSh：等效并联负载,Qt凡：等效串联负载，。：,0:反向饱和电流,A；q：电子电荷a6×o,9o；A：二极管因子；K：玻耳兹曼常数(1.38×1023JK):T：肯定温度,K；其中RSh的值很大，而RS的值很小，因此在一般分析中为了简化分析过程可将其忽视。上式(2-2)是基丁物理原理的太阳能电池最基本的解析表达式，已被广泛应用于太阳电池的理论分析中,但由于表达式中的5个参数,包括I1.,Io、Rs、RSh和A,它们不仅与电池温度和日射强度有关，而且确定特别困难，因此不便于工程应用，也不是太阳电池供应商向用户供应的技术参数2.3光伏电池仿真模型的建立工程用光伏电池的数学模型工程用模型强调的是好用性与精确性的结合，通常要求仅采纳供应商供应的几个重要技术参数，如1.sc、Voc,Im,Vm、Pm,就能在肯定的精度卜纪现阵列的特性,并能便于计算机分析。下面聘在博本解析表达式(2-2)的基础上,通过两点近似,即：D忽视(V+1.Rs)/RSh项,这是因为在通常状况卜.该项远小于光电流；2)设定I1.=ISC,这是因为在通常状况下RS远小于二极管正向导通电阻,并设定在开路状态卜.：1=0,V=VoC：最大功率点：V=VmJ=In1。在此条件下太阳电池的I-V方程可简化为：1.=1.sr1.C1cxp(费)(2-3)在最大功率点处V=VmJ=Im,可得：Iin=M1.-cc×p()-1)(2-4)由于在常温条件下expVm(C2Voc)»1,可忽视式中的项,解出C1：CI=(I->P(一品<2-5)在开路状态下，当I=O时,V=Voc,并把(2-5)带入(2-3)得：0=晨“-0-5xp(-)e×P(吕1(2-6)由于exp(1.C2)>>1.,忽视式中的“T”项,解出C2：C2=(-1.)n(1.-(2-7)本模型只须要输入太阳电池通常的技术参数Isc,Voc,1.n,VnI,就可以依据式(2-4)、(2-6)得出Ci和C2。最终的太阳电池I-V特性曲线是由(2-2)确定.太阳电池I-V特性曲线与光照强度和电池温度有关。通常地面上光照强度S的变更范用为O-100oW/m2,太阳电池的温度变更较大，可能从10-70C。按标准,取Sref=1000Wm2,Tref=25C为参考光照强度利参考电池温度。当光照强度及电池温度S(wmZ),T(IC)不是参考值时,必需考虑其对太阳电池特性的影响,设T为在览意日射强度S及随意环境温度Tair下的太阳电池温度，则有：(2-8)T=Tair+KS时下一般状况K值可取为K-O.03(Cm2W)。通过时参考日射照强度和参考电池温度下17特性曲线上随意点(Vj)的移动，得到新日照强度和新电池温度卜.的I-V特性曲线上随遨点U,1')为：dT=T-Tref(2-9)d=crr+(-i)sc(2-10)dV="kiT-Rd(2-11)1.'=1.+d1.(2-12)V=V-dV(2-13)式中:a：参考日照强度卜.的电流温度系数,A'C:仇参考日照强度下的电压温度系数,YC对于单晶硅及多晶硅太阳电池其实测值为:a=0.0012Isc(Ar)=0.005Voc(V,C)光伏电池的Sinu1.ink模型Simu1.ink是MAT1.AB中用来对动态系统进行建模、仿式和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。下图2.3是依据上文中的数学模型建立的光伏电池simu1.ink模型.图2.3Siau1.ink光伏电池模型SimU1.ink供应的了系统封装功能可以大大增加SiInU1.ink系统模型框图的可读性。所以为便利以后最大功率跟踪整体模型的建立，对上图光伏电池模型进行封装如卜.图2.4。封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关战以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设芭。PV图2.4SimUIink光伏电池模型封装子系统封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。关联好的参数设置输入窗口如图2.5。至此光伏电池内部建模结束，本文采纳的光伏板数据如表2.1所示.针对此光伏板在环境温度为25C光照强度为100wm2,600wm21800wm2,100OW11及环境温度为65T光照强度为400wm2,600W1.r,800w/m)1000w11的条件下进行仿真，其模型如图2.6所示，仿真结果曲线如图2.7（八）、(b)所示.标准测试条件下最大功率150W峰值工作电流4.95峰值工作电压35.2V短路电流5.2A开路电压44.2V电流温度系数6.24mA/C电压温度系数0.221V*C串联电阻0.5表2.1仿真用光伏板参数图2.5Simu1.ink光伏电池模型输入参数设置对话框图2.6光伏电池输出特性伤口模型环境温度为25C,65C光照强度为400wm2.600wm2,800wm2,1000wm2光伏电泡3生拨RaCjKOFgZSt加CES25.,的冷<6'C,1XO2661C那Tg：加.后图2.7光伏电池电压电流特性曲线环境温度为25C,65T光照强度为100wm2,600wm2,800wm2,1000wm2图2.8光伏电池电压功率特性的税通过对仿真曲线与光伏电池实测曲线对比证明白仿真曲线可以较为精确的反应光伏电池的物理特性。探讨光伏电池的仿真模型，有助于理解光伏阵列的输出特性，了解影响光伏电池输出特性的各个环境因素，把这些特性用电路和系统仿真中，有助于更加充分了解和发挥光伏电池在光伏发电系统中的应用。2.4本章小结为了在光伏系统仿!过程中获得最佳的仿真效果，本章在介绍了光伏电池原理的基础上对光伏阵列的简化电路模型和工程用数学模型及推导进行了介绍.针时数学模型在MAT1.-ABZsiinu1.ink环境下建立了光伏电池的仿真模型,通过在不同环境变量卜的模拟仿真和与真实太阳能特性曲线的对比证明白仿真模型的精度和可用性。第3章光伏发电系统最大功率点跟踪系统的探讨1.1 最大功率点跟踪的概念通过时光伏电池仿真曲线的视察分析了解到光伏发电受外界环境影响较大，电池表面温度和日照强度的变更都可导致输出特性发生较大的变更.并且，由于目前光伏阵列的成本商、初期投入大、转换效率低，所以为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是当下光伏发电系统耍解决的问题.现在的光伏发电系统中，通常是要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要针对环境变更的不同能够实时地跟踪光伏阵列的最大功率点,即下图3.1中的A点。破大功率跟踪的H的就是当环境变更导致圾大功率点偏离U-P曲线的最高点时，系统可以将工作点在新的特性曲线上沿图3.1所示箭头方向移动至最大功率点，以达到供应负载最大功率的目的.图3.125T,日照强度8O0W112时太阳能输出最大功率点因此，为使光伏阵列始终能够输出其最大功率，以提高太阳能的利用率，并给太阳能车蓄电池充电，确定个好的适合太阳能乍的最大功率跟踪算法是其关键。1.2 最大功率点跟踪的原理随着电子技术的发展，当前太阳能电池阵列的MPPT限制一般是通过DC/DC变换电路来完成的。其原理框图如下图3.1所示。光伏电池阵列与负载通过I）CDC电路连接，最大功率跟踪装巴不断检测光伏阵列的电流电压变更，并依据其变更对DC/DC变换港的PwY骈动信号占空比进行调整.，图3.1YPPT系统原理框图光伏充电系统可简化模型为如下图3.2所示。将光伏电池简化为恒压源和内阳Ri,外部电路简化为负载Roe则负载功率为：Pro=I2Ro=（r）2Ro（3-1）上式两端对R。求导得：dP%R1-Ro国二V而K（3-2）所以，当Ri=R的p&有最大值。图3.2光伏充电系统简化模型时丁线性电路来说，当负载电阻等丁电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调整DCT)C转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出，也就实现了光伏电池的MPP1.1.3 常用最大功率跟踪限制算法目前，光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)技术，国内外已有了肯定的探讨，发展出各种限制方法常，常用的有一下几种：恒电压跟踪法(COnStantVo1.tageTracking简称CVT),干扰视察法(PertUrbationAndObservationmethod简称P&。、增电导法(InCrementa1.Conductancemethod简称INC).基丁梯度变步长的电导增量法等等.3. 3.1恒定电压法恒定电压法的基本理论依据是不同日照条件下光伏电池的辘出P-U曲线上最大功率点电压位置基本都位于某个恒定电压Um旁边。因此，CVT法的限制思路就是将光伏电池输出电压限制在该电压处，这样一来光伏电池在整个工作过程中招近似的工作在最大功率点处。恒定电压跟踪方法不但可以得到比干脆匹配更高的功率输出，在肯定的条件卜.，还可以用来简化最大功率点跟踪(MPPn限制.从严格的意义上来讲cv法并不是一种其正意义上的最大功率跟踪方法。虽然此法比般光伏系统可以多获得20%左右的电能,相比不带CVT的干脆糊合要有利得多.但是，这种跟踪方法忽视r温度对光伏电池阵列开路电压的影晌，所以CVT法的精度甚低，适应性差，系统最大功率的跟踪精度完全取决于电压值Um的选择，一旦四周环境变更就无实现精确的最大功率追踪。但是CVT法以其限制简洁、易实现、且系统不会出现振荡，具有良好的稳定性著称。4. 3.2干扰视察法干扰视察法的原理是每隔肯定的时间针对光伏电池输出电压进行扰动，使其增加或削减，同时对其输出功率进行观测,推断其产生变更的方向并以之为依据确定下一步的限制信号变更。这种限制鸵法一般采纳功率反馈方式，通过两个传感冷对太阳能电池阵列的输出电压和电流分别进行采样，并计算获得其输出功率.若八PX)说明电压调整的方向正确,可以接着按原方向进行“干扰"；若AP<0,说明电压调整的方向错误，须要对“干扰”的方向进行变更。这种方法虽然算法简洁，而且易于硬件方面的实现，但响应速度较慢，故而只适用于那些日照强度变更比较缓慢的场合，例如光伏发电厂、光伏路灯等，而对丁车用太阳能最大功率跟踪限制则不能满意环境多变的要求.而且这种算法在稔态状况下会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点旁边的小幅振荡，因此会造成肯定功率损失。图3.3干扰视察法流程图3. 3.3电导增量法电导增量法是目前MPPT最常用尊法之一,它是依据光伏电池阵列P-U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线（如图1）,利用一阶导数求极值的方法，对P=U1.求全导数，得dP=IdU+Ud1.（3-3）两边同时除以dU,得dPUd1.,、Mi=,+du（3-4）媪=O得d1.Izd11=-jj（3-5）上式即为电导增量法光伏电池达到最大功率输出点所需满意的条件.这种算法的限制过程如下：假如当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有:dPdU)卿didU-I/U这说明参考电压应当向着增大的方向变更：同理，假如当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有：dPdU<O1.!IdIdU<-I/U这说明参考电压应当向若减小的方向变更；假如当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处或旁边，此时将有：dPdU=OBI1.dIdu=-1/U此时参考电压将保持不变，也就是光伏阵列工作在最大功率点上。在理论上电导增量法法比干扰视察法要好，因为它在下一时刻的变更方向完全取决于在该时刻的电导C=IU的变更率和瞬时负电导值的大小关系，而与前时刻的工作点电压以及功率的大小无美，因而此法能够适应快速变更的日照强度，而且跟踪精度较面.图3.5电导增量法流程图3.4 DC/DC电路实现光伏电池最大功率点跟踪原理DC/DC变换器，亦称为直流斩波器.它能将一种幅值的直流电压变换成另一网值固定或大小可调的直流电压，这一过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断限制,将直流电压断续地加到负载上，通过变更占空比D来变更输出电压的平均值。I)CDC变换器接入到光伏发电限制系统中，和最大功率跟踪装置一起实现整个光伏发电系统的最大功率跟踪.上文介绍的几种常用最大功率跟踪算法虽然算法不同，但是在最大功率点调整环节的根本方法都是通过变更DC/DC电路开关管的P枷波占空比。所以，下面针时几种DCI)C电路进行介绍3.5 典型DC/DC变换电路DC/DC变换涔可以分为很多种，依据调制形式可分为脉冲宽度调制(PWM).脉冲缴率调制(PFV)、混合调制“依据变换电路的功能可分为降压式直流一直潦变换(BUCkConverter)»升压式直潦-直流变换器(BoostConvertor)X升压-降压复合型宜流一直流变换S(Boost-BuckConverter),库克直流-直流变换CukConverter).全桥式直流-直流变换(FU1.1.BridgeConverter)o按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为单象限直流斩波罂、二象限直流斩波器。现针对其中常用的三种进行介绍。3.5.1降压式变换器(Buck)降压式变换器是PWM型变换器中最简洁，也是最基本的种。其电路拓扑如图2所示。Buck变换器的优点是电路简洁，动态性能好。其缺点是:输入电流的脉动会引起对输入电源的电破干扰，所以工程中常在电源和变换器之间加入一个辘入滤波电容。稳态电压比恒久小丁1,只能降压:开关晶体管放射极不接地，使得其驱动电路很困难。其电路原理图如下:图3.6降压式DC/DC变换电路原理图从图3.6可以看出，电路的主要元件有：开关管Q、二极管D、电感1.和电容C。Vin为电源电压，R为负载电机，Vo为输出电压。在工作状态下，开关管反复导通和截止，两种不同状态的切换,将直流电压转换为脉冲形式的电压，再经过1.、C滤波，形成直流电压输出。卜图为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图：图3.7降压式DC/DC变换电路开关管导通（八）、关断(b)时等效原在图从上图可以看出，在开关管导通时，电源给储能元件电盛充电，电感1.上的电流渐渐增大，而在开关