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本科毕业设计论文基于 MPPT 的光伏发电系统构建学生姓名 XXX 班级电自 0815 学号 0809310127 指导教师 XXX 所在单位电气工程学院答辩日期 2012 年 6 月日东北电力大学本科毕业设计论文I 摘要世界能源危机和和环境问题使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。而随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步，太阳能光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用的主流之一。当前，光伏发电不断向低成本、高效率和高功率密度方向发展，太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统。基于光伏模块直流物理模型，在 PSCAD仿真环境下，开发了光伏阵列仿真模型。考虑到太阳能的波动性和随机性对光伏阵列的影响，开发了最大功率点跟踪（ Maximun Power Point Tracking ， MPPT）控制器仿真模型，保证光伏阵列在任何当前日照下获得最大功率输出。仿真结果表明，搭建的仿真模型能够准确的放映实际物理装置的特性与功能，可以用于光伏发电并网及储能方面的仿真研究。关键词光伏发电；最大功率点跟踪； PSCAD 仿真东北电力大学本科毕业设计论文II Abstract The problem of conventional energy crisis and environment in the world makes it necessary to exploit the renewable and green energy sources,in order to cover the future demands.Meanwhile,solar “ photovoltaic” power has made great progress and become one of the most effective clean and renewable energy with the advance of solar cell and power electronics.Recently, the photovoltaic system constantly develops with the tendency of lower cost,higher efficiency and higher power density techniques, following the higher and higher performance requirement of key equalizer equipment. The main application of solar energy will be the grid-connected photovoltaic system. A simulation model for photovoltaic array is developed based on the DC physical model of photovoltaic module undei PSCAD environment.In addition,considering the fluctuation and randomness,a simulation model of MPPT controller is also the simulation models can reflect characteristics and functions of the actual physical device accurately and can be used to the simulation research on paralleling in the grid and energy storage of photovoltaic power generation. Keywords photovoltaic power generation; MPPT ; PSCAD simulation东北电力大学本科毕业设计论文III 目录摘要 . IAbstract . II第 1 章绪论 . 11.1 光伏行业简介 . . 11.1.1 光伏产业背景 . 11.1.2 光伏电池的发展 . 11.1.3 光伏发电系统简介 . 21.1.4 我国在光伏发电系统领域的现状 . 31.2 光伏发电最大功率点跟踪方法总结 . . 31.2.1 定电压法 . 31.2.2 扰动观测法 . 41.2.3 电导增量法 . 41.3 本文的研究内容 . . 5第 2 章光伏电池的仿真 72.1 光伏电池的模型建立 . . 72.1.1 光伏电池发电原理 . 72.1.2 考虑太阳辐射变化和温度影响时的数学模型 . 72.2 光伏电池的输出特性分析 . . 92.2.1 光伏电池输出 P、 U 特性曲线 92.2.2 光伏电池输出 I、 U 特性曲线 . 92.3 本章小结 . . 10第 3 章 . . 113.1 电导增量法 . . 113.1.1 电导增量法原理 . 113.1.2 电导增量法流程图 . 123.2 光伏电池输出电压的调节 . 133.3 MPPT 功能模块的仿真模型 14光伏阵列以最大功率向负载供电的仿真系统 . 153.4 输出波形分析 . 163.5 光伏发电系统的光电转换效率 [28] . . 193.6 本章小结 . . 20结论 . . 21致谢 . . 22参考文献 . 23东北电力大学本科毕业设计论文1 第 1 章绪论1.1 光伏行业简介1.1.1 光伏产业背景太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是采用太阳能电池将光能转换为电能的发电方式，而且随着技术不断进步，光伏发电有可能是最具发展前景的发电技术之一 [1] 。太阳能电池的基本原理为半导体的光伏效应，即在太阳光照射下产生光电压现象。 1954 年美国贝尔实验室首次发明了以 PN 结为基本结构的具有实用价值的晶体硅太阳电池，从此太阳电池首先在太空技术中得到广泛应用，现在开始逐渐在地面得到推广应用 [2] 。与化石能源、核能、风能和生物质能发电技术相比，光伏发电具有一系列特有的优势 1发电原理具有先进性即直接从光子到电子转换，没有中间过程和机械运动，发电形式极为简洁。 2太阳能辐射取之不尽用、用之不竭，可再生并清洁环保；阳光普照大地、无处不在、无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能。 3没用资源短缺和耗尽的问题； 4没有燃烧过程，不排放温室气体和其他废气废水，环境友好，做到真正的绿色发电。 5不存在机械磨损，无噪声。 6采用模块化结构易于建造安装、拆卸迁移，规模大小随意，而且易于随时扩大发电容量。 7光伏发电性能稳定、可靠，使用寿命长。 8可实现无人值守，维护成本低。由于太阳能光伏发电目前的成本较高，近期在国内的大规模推广应用还存在一定的困难，但是，从长期来看，随着技术的进步，以及其他能源利用形式的逐渐饱和，到 2050 年前后，太阳能将成为主流的能源利用形式，有着不可估量的发展潜能。欧洲联合研究中心对光伏发电的未来发展作出如下预测 2020 年世界太阳能的发电量占世界总能源需求的 1， 2050 年占到 20， 2100 年则将超过 50。由此可得出结论光伏发电是未来世界能源和电力的主要来源，要坚定不移地发展 [3] 。1.1.2 光伏电池的发展太阳能电池按其发展阶段可分为三代，第一代太阳能电池主要是基于硅晶材料和砷化镓材料，特点是转换效率高，寿命长和稳定性好，但成本较高。目前生产的大部分商用电池仍是第一代的单晶硅和多晶硅太阳电话 [4] 。第二代电池主要基于薄膜技术，即很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上，大大减小了半导体材料的消耗，降低了太阳电池成本。薄膜太阳电池主要有多晶硅，非晶硅，碲化砷和铜铟硒等薄膜电池。但是提高转化率是需要解决的主要问题。第三代太阳电池尚处于研发阶段，目标是提高光电转换效率，降低生产成本，多按照“多层膜层叠半导体材料量子阱材料量子点材料”的路线发展 [5] 。东北电力大学本科毕业设计论文2 单晶硅光伏电池是硅电池中转换效率最高的，也是性能最稳定的一种，但是其生产加工过程能耗很高，单晶硅棒的切片和剪裁也还需要耗能并且材料损耗也很大。因此价格更为低廉的多晶与非晶材料正在快速广泛地被用来制造太阳能电池，尽管质量上稍逊于单晶硅。多晶硅电池不像单晶硅具有整体一致的晶体结构，大量微细晶硅体在材料内无序排列。多晶硅电池的转换率不如单晶硅电池，但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅电池的转换效率不如单晶硅电池，但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅材料的制作无需单晶硅拉制过程，采用的方法有坩埚生长法和 EFG 法等。多晶硅电池仍然保持晶体的基本特性，因此还是带隙为 1.1eV 的间接带隙材料，晶片制作的后续工艺与单晶硅电池相同。为了保证足够的光吸收，晶片同样需要较大的厚度。非晶硅没有具体的晶体结构，其硅原子的方向随机排列且彼此间距不一，导致材料中许多共价键是不完整的。这种不完整的共价键在带隙中产生大量的缺陷态。非晶态特性导致材料中电子空穴的活动性很差，同时缺陷态会捕获载流子。非晶硅具有 1.7eV 的直接带隙，其吸收系数比晶体硅大一个数量级。非晶硅电池的厚度可仅为晶硅电池的 1，这样就可以节约大量的纯硅材料。非晶硅的理论转换最大效率是 27，商品化产品的转换效率是 10左右。因为可采用沉积技术制作，而且材料厚度可做得很薄，非晶硅电池可制作于不锈钢和聚合物底材上形成柔性可卷的产品。非晶硅薄膜电池的优点是可以节约大量昂贵的纯硅材料，因此在制作薄膜电池上来说，非晶硅具有它的优势 [6] 。1.1.3 光伏发电系统简介光伏应用系统中包括光伏阵列、蓄电池、控制器和逆变器等主要部件。根据光伏发电系统是否与电网连接可将光伏发电系统分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统 [7] 。孤立光伏发电系统发出的电能经变换器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。主要应用于偏远无电地区，其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性相对较差，很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。并网光伏发电系统最大的特点就是光伏阵列的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中太阳电池阵列所产生电能除了供给交流负载外，多余的电力输出给电网。并网光伏发电系统的安装类型大小各异，可以是功率为即千瓦的家用小型系统，也可以是功率为兆瓦级的大型发电站。与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点出，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能；再次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由东北电力大学本科毕业设计论文3 于存在蓄电池而带来的运行和维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的简介污染 [8] 。1.1.4 我国在光伏发电系统领域的现状我国于 1985 年开始研究光伏电池，并于 1971 年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。 80 年代以后，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，似的我国光伏发电的研究开发工作取得了不小的成就，在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、微波中继站、阴极保护光伏电源系统、家用光伏电源系统、风光互补发电系统等的系统技术方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。在国家实施西部大开发发展战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下， 2002 年郭嘉计委启动了滋补地区送电到乡的项目，耗资近 20 亿人民币，有力地推进了我国光伏产业的发展。通过国家 “一七五” 、 “八五” 、 “九五” 以及“十五” 计划，我国已经在用户系统、通信电源、光伏水泵、光伏并网方面取得了一些技术成果。近期国家科技部又把 “光伏屋顶并网发电系统” 列入了 “国家十五科技攻关计划” ，并在北京建成了 20kWp、 50kWp 等容量级的光伏屋顶并网系统，成功地实现了并网发电。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于 2004 年在深圳世博园成功地实施了 1MWp 容量的大型光伏并网电站 [9] 。目前我国的光伏电池产能已位居世界第一位，但约 90的光伏电池出口到国外。我国在光伏系统应用方面起步较晚，在控制领域方面的研究尚处于空白。1.2 光伏发电最大功率点跟踪方法总结1.2.1 定电压法在太阳能电池温度一定时，太阳能电池的输出 P-V 曲线上最大功率点电压几乎为一个固定的电压值 [10] 。因此， CVT 法的控制思路是事先在控制系统中设定太阳能电池的最大功率点电压指令值，在系统工作时将太阳能电池的端口电压控制在设定电压指令值处。则在外界环境条件变换不大时，可以近似认为太阳能电池始终工作在最大功率点处。定电压法控制简单，容易实现。系统只要对太阳能电池的输出端口电压进行采样，并同系统的设置值进行比较若输出端口电压同电压指令值不同，则通过控制系统调整功率变换模块，使得调整后太阳能电池的输出端口电压等于系统地设置值即可 [11] 。但是，由于定电压法的控制策略过于简单，同样具有一些不可忽略的缺点，进而限制了定电压法控制只能在特定的场合得到应用 [12] 。其主要缺点为（ 1）最大功率点跟踪精度差。太阳能电池的最大功率点电压的设置值对系统工作效率影响很大，在设置不当的时候光伏系统的输出功率甚至为零；（ 2）定电压法的控制的适应性差，对外界环境条件的变化不具有追踪能力。当系统外界环境条件改变，如太阳能电池温度降低时，实际光伏系统的可输出最大东北电力大学本科毕业设计论文4 功率将增加，而采用定电压法时，则仍将太阳能电池的端口电压限制在原设置电压处，这样就将偏离最大功率点，产生功率输出损失。1.2.2 扰动观测法扰动观测法的原理是扰动太阳能电池组件的端口电压，并根据公式 PUI 计算扰动前后太阳能电池的输出功率，将扰动后的太阳能电池输出功率同扰动前的输出功率进行比较若扰动后太阳能电池的输出功率增加，则说明此前的扰动能够提高太阳能电池的输出功率，下一次则往相同的方向继续扰动太阳能电池组的输出电压；反之，若扰动后太阳能电池的输出功率减少，则说明扰动不利于增加太阳能电池的输出功率，下一次则往相反的方向扰动。扰动观测法控制思路简单直接，实现较为方便 [13] 。 MPPT 方法的目标是提高太阳能电池组的输出功率，而扰动观测法的判断依据即为太阳能电池的输出功率，针对系统所关心的量进行控制。同时，由于控制思路简单直接，在利用数字控制系统进行编程实现也较为方便。由于扰动观测法可以利用对太阳能电池输出的端口电压进行扰动而实现对太阳能电池输出功率的控制。因此，在外界条件改变时，采用扰动观测法控制的系统能够自动检测到环境变化前后太阳能电池输出功率的变化，进而采用适当的控制来保证太阳能电池的工作点能够在环境变化后往最大功率点移动，从而实现对太阳能电池最大功率点的跟踪，提高太阳能能电池的利用效率。但是，由于扰动观测法需要时刻对太阳能电池的端口电压进行扰动，因此也具有一些不可避免的缺点（ 1）稳态时，只能在最大功率点附近震荡运行。是由扰动观测法的原理所造成的，因此无法进行完全地避免，只能通过减小扰动频率，以及合理选择扰动量大小的方式来减小功率损失；（ 2）存在由于功率变化过程中的非单调性造成的误判；（ 3）在日照强度变化过程中可能产生扰动方向的误判。1.2.3 电导增量法由太阳能电池的 P-V 特性曲线可以看出，在最大功率点处有 dP/dV0，即dVI/dV0. 通过简单的数学推导可以得出在最大功率点处有以下等式成立VIdVdI（ 1-1）将此式作为判定太阳能电池是否工作在最大功率点的依据，画出在 I-V 特性曲线上最大功率点两侧对应的 dVdI 与 VI 的关系图为 [14] 东北电力大学本科毕业设计论文5 图 1-1 最大功率点两侧 dI/dV 与 -I/V 关系图由图可以看出，当太阳能电池的工作点不在 VIdVdI 直线上时，可以通过判断dVdI 与VI 之间的大小关系来确定太阳能电池的输出端口电压是处在 [0,v1]区间还是 [v1,v2] 区间，进而可以通过调节开关管的占空比来使得太阳能电池的输出端口电压往最大功率点电压 v1 点处调节，使得调节后的太阳能电池能工作在最大功率点 [15] 。因此在分析导纳增量法的控制思想可以看出，采用导纳增量法具有以下特点（ 1）控制效果好。由于导纳增量法的判断依据是基于太阳能电池自身的物理特性曲线，因此对太阳能电池最大功率点的判断不受系统外部电路的影响，避免了由于功率时间曲线可能为非单极值曲线而造成的最大功率点误判；（ 2）控制稳定度高。导纳增量法在跟踪到系统的最大功率点后不存在对太阳能电池输出端口电压的持续扰动，因此在稳态时不存在功率的波动问题，控制系统具有较高的稳定度。（ 3）导纳增量法的判断依据是太阳能电池的自身物理特性曲线，由于 P-V 曲线为一单峰曲线，不会因外界环境条件以及时间变化而改变其单峰曲线的属性，因此采用导纳增量法进行最大功率跟踪时并无原理性误差，为一个较理想的MPPT 跟踪方法。本文选择采用导纳增量法，因为该方法在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪起变化，而且在最大功率点的振荡幅度也比其他两种方法小，功率损失也相对较少。1.3 本文的研究内容综上所述，为了进一步提高光伏发电系统的输出功率，获得良好的经济和社会效益，必须对光伏发电系统进行最大功率点跟踪，通过 DC/DC电路来调节输出电压，使光伏电池内阻等于外阻来实现最大功率点跟踪。东北电力大学本科毕业设计论文6 本文所要完成的主要内容包括以下几个方面1. 研究课题的介绍。本文简述了光伏产业的背景与意义；概述了目前最大功率点跟踪技术的发展和研究现状，通过对比不同跟踪方法，总结出各种跟踪方法的优点和缺点。2. 系统的建模与仿真应用。在搭建 MPPT系统结构的基础上，本文对光伏电池、直流斩波电路和 MPPT分别进行建模，得出各个部分的物理模型，从而在 PSCAD中搭建系统的仿真电路，通过分析出相应的控制策略并在仿真电路中得以实现，模拟出相应的曲线。并对一昼夜的光照强度和温度大小的仿真，采用 Ultra Edit软件编写数据与 PSCAD实现接口对接。3. 结论的分析与总结。通过对比光伏电池输出电压、功率曲线、 MPPT的电压、功率曲线进行分析，得出本文的结论，并分析其合理性。东北电力大学本科毕业设计论文7 第 2章光伏电池的仿真2.1 光伏电池的模型建立2.1.1 光伏电池发电原理下图所示为光伏电池的等效电路 [16] Iph IoIRiRsh V图 2-1 光伏电路等效电路设在参考条件下， scI 为短路电流， ocV 为开路电压， mI ， V 为最大功率点电流和电压，则当光伏阵列电压为 V 时，其对应点电流为 I }1]/{exp[1 21 ocsc VCVCII 2-1 ]/exp[1 21 ocmscm VCVIIC 2-2 12 ]1[ln1 scmocmIIVVC 2-3 式中 1C ， 2C 为常数， scI 、 ocV 、 mI 、 mV 供应商提供参数。2.1.2 考虑太阳辐射变化和温度影响时的数学模型考虑太阳辐射变化和温度影响时 [17] }1]/{exp[1 21 ocsc VCVVCII 2-4 VIP 2-5 refTTT 2-6 东北电力大学本科毕业设计论文8 screfref ISSTSSI 1 2-7 IRTV s 2-8 式中 refS ， refT 为太阳能辐射和光伏电池温度参考值，一般取为 1kW/m，25 C ；为参考日照强度下的电流温度系数， CA ；为参考日照强度下的电压温度系数， CV 。对于单晶硅及多晶硅太阳电池其实测值为 [18] CAI sc 0012.0 （ 2-9）005.0 CVVoc （ 2-10）根据以上各式在 PSCAD 中建立太阳能电池模型。首先自定义模型外观，该模块有三个输入量分别为 inV 输入电压， S 光照强度， T 电池温度；两个输出量 outI 输出电流， Pout 输出功率。如下图所示。solarcellVinSTIoutPouttestISPSEsT1TestS1图 2-2 光伏阵列模块东北电力大学本科毕业设计论文9 2.2 光伏电池的输出特性分析2.2.1 光伏电池输出 P、 U 特性曲线-2.5 2.5 7.5 12.5 17.5 22.5 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 y-y-x xX Coordinate Y CoordinateEs Ia图 2-3 光伏电池输出电压 Ia 与输出电流 Es 的关系曲线2.2.2 光伏电池输出 I、 U 特性曲线-5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 -20 0 20 40 60 80 100 120 y-y-x xX Coordinate Y CoordinateEs PS图 2-4 光伏电池输出功率 PS 与输出电压 Es 的关系曲线在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且惟一的最大功率点（ Maximum Power Point， MPP）上。因东北电力大学本科毕业设计论文10 此，对于光伏发电系统来说，应当寻求电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被成为最大功率点跟踪（ Maximum Power Point Tracking， MPPT）技术 [19] 。理论上，根据电路原理当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池的输出功率最大，可见，光伏电池的 MPPT 过程实际上就是使光伏电池输出阻抗和负载阻抗等值相匹配的过程。由于光伏电池的输出阻抗收环境因素的影响，因此，如果能通过控制方法实现对负载阻抗的实时调节，并使其跟踪光伏电池的输出阻抗，就可以实现光伏电池的 MPPT 控制。为了方便讨论，光伏电池的等效电阻 optR 被定义成最大功率点电压 mppU 和最大功率点电流 mppI 比值，即optR mppU / mppI 。显然，当外界环境发生变化时， optR 也将发生变化。但是，由于实际应用中的光伏电池是向一个特定的负载传输功率，因此就存在一个负载匹配问题 [20] 。2.3 本章小结本章通过对光伏电池的特性进行分析，来对光伏电池进行仿真，并构建了具有输入和输出的光伏电池模块。通过仿真结果可以得出光伏电池的输出特性，并且根据光伏电池的输出特性，通过控制光伏电池的电压来实现对最大电功率的跟踪。东北电力大学本科毕业设计论文11 第 3章3.1 电导增量法3.1.1 电导增量法原理电导增量法从光伏电池输出功率随输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的 MPPT 算法 [21] 。图给出了光伏电池 P-U 特性曲线及 dP/dU 变化特征，即在光强一定的情况下仅存在一个最大功率点，且在最大功率点两边 dP/dU 符号相异，而在最大功率点出 dP/dP0。显然，通过对 dP/dP的定量分析，可以得到相应的最大功率点判据。卡率光伏电池的瞬时输出功率为PUI 将式两边对光伏电池的输出电压 U 求导，则dUdIUdUdP 1 3-1 当 dP/dP0时，光伏电池的输出功率达到最大。则可以推导出工作点位于最大功率点时需满足以下关系UIdUdI 3-2 实际中以 UI 近似代替 dUdI ，则使用电导增量发进行最大功率点跟踪时判据如下I IU UI IU UI IU U最大功率点左边最大功率点最大功率点右边3-3 采用电导增量法的主要优点是 MPPT 的控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，且与光伏电池的特性及参数无关。东北电力大学本科毕业设计论文12 3.1.2 电导增量法流程图开始采样 V（ k） I（ k）计算 dVVk-Vk-1dIIk-Ik-1dV0dI/dV-I/V dI0dI/dV-I/V dI0VrefVrefdV VrefVref-dV VrefVrefdVVrefVref-dVVk-1VkIk-1IkYesYes YesYes YesNoNoNoNoNo图 3-1 电导增量法流程图其中 kV 和 kI 分别为第 k 个采样点的光伏电池输出电压和电流， 1kV和 1kI 分别为前一个采样的光伏电池输出电压和电流， refV 和 V 分别为参考电压和电压增量步长。当光伏电池上的日照强度和温度变化时，其输出电压能平东北电力大学本科毕业设计论文13 稳的追踪其变化，且与太阳能电池组件的特性及参数无关；但这种控制算法实现起来相对复杂，电压增量步长的选取也比较讲究，若步长太大，则跟踪的速度会较慢 [22] 。3.2 光伏电池输出电压的调节升压斩波电路的原理图如下图所示Li1Vi0u0R图 3-2 升压斩波电路原理图分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感 L 值很大，电容 C值也很大。当可控开关 V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 1I ，同时电容 C 值很大，基本保持输出电压 0u 为恒值，记为 0U 。设 V 处于通态的时间为 ont ，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 ontEI1 。当 V 处于断态时 E 和 L共同向电容 C 充电并向负载 R 提供能量。设 V 处于断态的时间为 offt ，则在此期间电感 L 释放的能量为 offtIEU 10 。当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等 [23] ，即o f fon tIEUtEI 101 3-4 化简得EtTEt ttUo f fo f fo f fon0 3-5 式中， 1offtT ，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也有的文献中直接勇气英文名称，称之为 boost变换器（ Boost Converter）。式（ 5-21）中 toffT 表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压 0U 的大小，调节的方法与改变占空比的方法类似。将升压比的倒数记作，即 Tt off 。则和占空比有如下关系东北电力大学本科毕业设计论文14 1 3-6 因此，上式可表示为EEU 1 110 3-7 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因一是电感 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。在以上分析中，认为 V 处于通态期间因电容 C 的作用使得输出电压 0U 不变，但实际上 C 值不可能为无穷大，在此阶段其像负载放电， 0U 必然会有所下降，故实际输出电压会略低于上式所得结果。不过，在电容 C 值足够大时，误差小，基本可以忽略 [24] 。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载 R 消耗，即001 IUEI 3-8 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。根据电路结构并结合上式得出输出电流的平均值 0I 为REIEUI 1000 3-9 由上式可得电源电流 1I 为REIEUI20011 3-10 3.3 MPPT 功能模块的仿真模型光伏阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。为此，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。根据图 3 用 FORTRAN 语言编程实现 MPPT 功能，其模块外形如下图，该模块有两个输入量 V 输入电压， I 输入电流；一个输出量 refV 。 PWM 控制信号的占空比 [25] 。 MPPT 控制模块如下图所示东北电力大学本科毕业设计论文15 MPPTVIVrefEsISVref图 3-3 MPPT 控制模块图光伏阵列以最大功率向负载供电的仿真系统p1EoIIEs5000[uF]0.1[H]IRE1IS1000[uF]ELIa10.0[ohm]Ib图 3-4 完整仿真系统图p1AB Compar-atorVref图 3-5 利用载波器和占空比比较来控制 P1 应用前面所建立的两大模块，搭建了一个完整的仿真系统来验证这两个模块的有效性。如上图所示，该系统是以光伏阵列为电源，通过 boost 电路向之列负载供电。其中 MPPT 模块实时的计算兵输出 PWM（脉宽调制）控制信号的占空比，再与载波瞬时进行比较生成 PWM 控制信号，该 PWM 控制信号通过控制开关动作，来调节光伏阵列的输出电压，使其工作在最大功率点电压，从而使光伏阵列输出功率达到最大值 [26] 。最大功率点跟踪控制仿真设 S 1000W/m 2 ,T 25 C , refV 的初值为 0.5，仿真时间为 1.46s。电压扰动法在光伏系统趋于最大功率点附近工作时有明显扰动，造成一定的功率损失。导纳增量法步长的选取也比较讲究，若步长太大，则跟踪的误差会比较大，若步长较小，则跟踪的速度会较慢。综合考虑以上因素本算例的电压增量步长 V 为 0.001. 经过以上分析可知 MPPT 控制器模块通过改变其输出值 refV 可以使光伏阵列快速地达到最大功率点输出，这说明 MPPT 控制器模块实现了其最大功率点跟踪控制功能 [27] 。东北电力大学本科毕业设计论文16 3.4 输出波形分析仿真结果如下图所示PS0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 ...-0.3k0.0 0.3k0.5k0.8k1.0k1.3k1.5k1.8k2.0kyPo PS图 3-6 一昼夜光伏电池输出功率 Po 和 MPPT 输出功率 PS Es0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...-0.3k0.0 0.3k0.5k0.8k1.0k1.3k1.5k1.8k2.0kyPS Es图 3-7 一昼夜光伏电池输出电压 Eo 和 MPPT 输出电压 Es 东北电力大学本科毕业设计论文17 Vref0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...0.500 0.550 0.600 0.650 0.700 0.750 yVref图 3-8 一昼夜占空比 Vref 结果分析由一昼夜光伏电池输出功率 Po 和 MPPT 输出功率 PS图可以看出，在上午时刻光伏电池输出功率 Po 大于 MPPT 输出功率 PS，而在下午时刻光伏电池输出功率 Po小于 MPPT 输出功率 PS。首先先分析仿真电路中电感和电容所储存的能量随着时间的变化根据电感电容能量计算公式， 221 LiQL 和221 CUQC 算法如下BD FQLQc1Qc2QclEo X2 *0.0025Qc2Es X2 *0.0005Qc1 X2Ia *0.05QL图 3-9 电感和电容存储能量算法可得下图为电路中电感和电容一昼夜时间储存的能量图东北电力大学本科毕业设计论文18 Qcl0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...0 10 20 30 40 50 60 70 yPcl图 3-10 一昼夜仿真电路中电感和电容储存的总能量之和再进行 Po-PS，并对其结果求导，就可以得到一天当中光伏电池输出总能量与 MPPT 输出总能量之差，算法如下D F-PoPs Ps-Po1sT Qs-QoPs-Po图 3-11 光伏电池发出能量与 MPPT 发出能量之差算法可得出下图Qs-Qo0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...0 10 20 30 40 50 60 70 yQs-Qo图 3-12 一昼夜中光伏电池输出能量与 MPPT 输出能量之差从以上两图可以看出，波形非常相近。原因是光伏发电系统中有电感、电容等储能元件，在上午时刻随着阳光照射强度的逐渐增强，光伏电池所发出的电能东北电力大学本科毕业设计论文19 一部分由 MPPT 发出，而另一部分储存在储能元件中。在下午时刻随着光照强度的减小，光伏电池发出的功率和储能元件中储存的能量一起供给 MPPT 输出。3.5 光伏发电系统的光电转换效率 [28]先求 MPPT 一天的总发电量，可对 Po 求导可得下图Ws0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...0 100 200 300 400 500 yWs图 3-13 光伏电池输出总能量得到光伏电池一天输出的能量为 486.1J 再求一天内单位面积光伏电池板上阳光的总辐射量，再对阳光辐射量 S1 求导可得下图WS0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 ...0 20 40 60 80 100 120 y图 3-14 光伏电池每平方米阳光总辐射量已知光伏阵列由 10 个光伏电池板串联组成，并且每块电池板的面积为 2 2m 。东北电力大学本科毕业设计论文20 则可得光伏电池的光电转换效率为 222*10*/95.1161.486mmJJ *10020.78 3.6 本章小结本章通过采用电导增量法来实现对光伏系统最大功率点的跟踪，通过对DC-DC 电路和 MPPT 模块进行仿真，最终得到了 MPPT 的电压和功率波形。并对输出波形的结果进行比较，并且分析其原因，并且根据结果算出光伏系统的光电转换效率。东北电力大学本科毕业设计论文21 结论1）本文根据光伏电池的物理数学模型，开发了光伏阵列 PSCAD 仿真模型。实例计算表明，该模型可以模拟任意光照强度下光伏阵列的 I-V 、 P-U 特性曲线。2）从一昼夜光伏电池输出功率 Po 和 MPPT 输出功率 PS图可以看出，上午时刻光伏电池输出功率大于 MPPT 输出功率，而下午时刻光伏电池输出功率小于MPPT 输出功率。原因是光伏发电系统中有电感、电容等储能元件，在上午时刻随着阳光照射强度的逐渐增强，光伏电池所发出的电能一部分由 MPPT 发出，而另一部分储存在储能元件中。在下午时刻随着光照强度的减小，光伏电池发出的功率和储能元件中储存的能量一起供给 MPPT 输出。3）上述仿真模型是动态的、完整的系统模型，不但可以描述光伏阵列在工作环境变化时的工作情况，而且可以保证光伏阵列的最大功率输出，可以用于光伏发电并网及储能方面的仿真研究。东北电力大学本科毕业设计论文22 致谢本课题是在导师李军徽老师的悉心指导下完成的。在这四个多月的研究阶段，李老师不仅对我的课题倾注了大量的心血，而且在思想和生活上给予了我无微不至的关怀和帮助。李老师严谨的治学态度，渊博的学识，精益求精的