634522555毕业设计(论文)基于MATLAB光伏电池最大功率点跟踪算法的研究.doc
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1、摘 要在绿色再生能源得到广泛应用的今天,太阳能因为其独特的优势而得到青睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大,而且,光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵,光伏发电系统的初期投入较大,为有效利用太阳能,需要对光伏发电系统加以有效的控制。本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析,建立了MATLAB 仿真模型,提出了相应的控制策略,并进行了实验验证。首先,本文对光伏发电系统的组成进行了分析,光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。根据光伏发电系统和电网的关系,还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。然后,本文对光伏电池的电气特性进行了分析,并建
2、立了光伏电池的仿真模型。同时,本文对常用的最大功率点跟踪(MPPT)方法:导纳增量法(Incremental Conductance)、扰动观测法(P&O)进行了仔细的分析,并提出了改进的方法:通过模糊控制实现占空比跟踪的方法。这些方法各有千秋,在不同的应用场合各有所长。关键词:光伏电池;最大功率点跟踪;爬山法;电导增量法;模糊控制;MATLAB/SIMULINK仿真;ABSTRACTWith the green and renewable energy be widely used, solar energy is accepted commonly because of its unusu
3、al advantages. But the output of photovoltaic(PV) array is influenced by the environmental factors, and PV array have relatively low conversion efficiency and is expensive. In order to reduce the overall system cost and extract the maximum possible solar energy, we should control the PV system effec
4、tively. This paper focuses on MPPT control techniques of PV array, analyses the theory particularly, establishes simulation model with MATLAB software, presents control strategies relevantly, and validated by experimental results.Firstly, this paper analyses the composing of the PV system. It is com
5、posed by PV array、power electronics converters、power storage system and loads. We can divide the PV system into two types: stand-alone PV system and grid-connected PV system by the relationship with the grid.Secondly, this paper analyses the electrical characteristics of PV cell and establishes simu
6、lation model, and also analyses commonly used MPPT methods, such as Incremental Conductance method、P&O method. And then presents three improved methods: Open Circuit method、Optimal Gradient method、Three-Point Weight Comparison method. These methods each has his strong point and can be used in differ
7、ent field.Keywords:Photo voltaic cell,MPPT,P&Q , Incremental Conductance method, Fuzzy controller,MATLAB/SIMULINK. 目 录摘 要(中文).I (英文).II第一章 概述111 研究背景112 研究现状1121 光伏电源系统1122 最大功率点跟踪1123 电力电子仿真工具113 研究内容214 研究意义215 实现方法及预期目标3第二章 光伏电池特性的研究321光伏电池的分类322 光伏电池的工作原理42.2.1 P-N结简介42.2.2 光伏电池的工作原理523 光伏电池的电气特
8、性5231 光伏电池输出特性方程5232 光伏电池模组与阵列724光伏电池的仿真实现8241仿真原理与模型8242 光伏电池的特性分析1025 小结13第三章 最大功率点跟踪算法的研究1331 光伏系统的最大功率点跟踪1332 常用的最大功率点跟踪算法15321 爬山法(PO)15322 爬山法仿真结果及其分析18323导纳增量(Incremental Conductance)法19324导纳法仿真结果及其分析2133 优缺点分析22331爬山法分析22332导纳法分析2234 小结22第四章 自适应占空比扰动模糊控制法2341 模糊控制的基本原理2342模糊控制规则库的建立2343模糊控制算
9、法23431查表法23432软件模糊推理法24433 解析公式法2444 自适应占空比法24441 自适应占空比扰动模糊控制法24442 算法的思路2545小结27第五章 总结与展望2851总结2852展望28参考文献29致谢 参考文献 第一章 概述11 研究背景随着全球经济的发展,能源问题日益尖锐,越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加,日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视,而这其中,太阳能无疑处于最突出的地位,世界各国都投入大量的人力、物力、财力争相
10、发展。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置,其应用十分广泛,在某些领域,太阳能的利用已开始进入实用阶段。因此我们可以看出光伏电池的设计有着广阔的前景和意义。限制光伏系统的主要因素有两点:初期投资比较大;太阳能光伏电池的转换效率低。目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右,即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%,因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要,所以长期以来都是学术界研究的热点。 12 研究现状121 光伏电源系统常用光伏电源系统主要有直流系统和交流系统。光伏电池将吸收的光能转换成电能且通过供电控制器供给负载用电。光伏电源系统具有以下优点:(1) 用太阳
11、能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式,光伏电源系统运行成本低,几乎不需要维护,不需要备件,不需要增添燃料;(2) 太阳能系统设备可自动运行,适于在无人职守站使用:(3) 不包含任何运转部件,系统可连续工作,使用寿命超过数十年;(4) 具有良好的模块化特点,可根据负载当前需求具体定制,将来再扩容;(5) 太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定;(6) 无需为揍入电网而修路,在没有电网的地方,太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外,太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统,往往由于断电而立即造成巨大的经济损失,而太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。122 最大功率点跟踪光
12、伏电池有着非线性的光伏特性,所以即使在同一光照强度下,由于负载的不同而输出不同的功率,将其直接与负载相连是很不明智的,一般来说都采用一个变换装置,使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态,再使它向负载供电,即所谓的最大功率跟踪器。目前,最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动与观察法和增量电导法。根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法,其中现今最常用的为扰动观察法和增量电导法,但这两种方法在实际应用中仍然存在着很多问题。123 电力电子仿真工具目前,在应用较广泛的电力电子仿真软件中,Pspice是应用较多的一种。Pspice最大的优点就是能够把仿真
13、与电路原理图的设计紧密的结合在一起。Pspice广泛应用于各种电路分析,可以满足电力电子电路动态仿真的要求。Pspice的元件模型的特性与实际元件的特性十分相似,因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近,对电路设计有重要指导意义。但是在P spice的模型库中,没有电机、电路断路器、电涌放电器和晶闸管等电力系统和电力驱动的专用模型,为了对电力系统进行仿真,用户必须利用Pspice中现有的元件来构造所需模型,这样就会费时费力。Pspice的仿真数据处理量庞大,仿真和处理速度墁。输出数据格式和兼容性差,这些也限制了Pspice的应用。Saber是一种功能更为强大的电子和电力仿真软件,它可以仿真电力
14、电子元件、电路和系统;不仅具有Pspice的功能,还能结合数学控制方程模块实现仿真。Saber的仿真结果真实性好与Pspice类似。但Saber的数据处理量也相当庞大,仿真的处理速度墁。Saber软件价格高,使用时烦琐复杂,不利于推广应用,较适合于大企业应用。MATLAB是美国MathWork公司自1984年开始推出的一种使用简便的工程计算语言,是当今最流行的科学技术软件,MATLAl3仿真技术已渗透到工程技术及物理实验等各个领域,可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。Simulink(Dynamic System Simulation
15、Software)是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用simulink来建模、分析和仿真各种动态系统(包括连续系统、离散系统和混合系统),将是一件非常轻松的事。它提供了一种图形化的交互环境,只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图。它和MATLAB的无缝结合使得用户可以利用MATLAB丰富的资源,建立仿真模型,监控仿真过程,分析仿真结果。在对电力电子进行仿真过程中,主要用到了simulink里的特殊工具库电力系统模块,它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析,功能十分强大。13 研究内容光伏电池输出最大功率因受到外界条件影响而产生变化,影响最大功率点的因素主要
16、是光强和温度等因素。当外界因素发生变化时,利用光伏发电最大功率跟踪实时跟踪光伏方阵的最大功率点,使得光伏方阵能以最大的功率输出,可以提高系统的输出。以独立光伏发电系统为研究对象,采用MATLAB/SIMULINK从系统的参数选择、拓扑结构、控制策略、最大功率跟踪等方面进行最大功率跟踪方法研究。最终达到基于MATLAB/SIMULINK,实现恒定电压法、爬山法、改进爬山法等算法,并比较其优劣的目标。14 研究意义太阳能丰富、清洁、安全、方便,是目前广泛探索并得到-定发展的-种可再生能源。然而,由于太阳能的波动性和随机性,联合发电系统输出的电能波动很大。随着这种分布式并网电站的容量越来越大,太阳辐
17、射的波动引起的系统运行状态的瞬态变化以及这种变化对网络内部和对电网的影响不容忽视。所有光伏系统都希望太阳能光伏阵在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能,这也就在理论上和实践上提出太阳能光伏阵的最大功率点跟踪(MPPT,Maximum PowerPoint Tracking)问题。MPPT的实现实质上是-个寻优过程,即通过控制光伏阵端电压,使光伏阵能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。太阳电池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,太阳电池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
18、获得最大功率输出。太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格相对昂贵更加速了人们对这-问题的研究。近年来,国外已相继开发出-些模拟光伏发电系统性能的大型工具软件包,例如TRNSYS(瞬态系统仿真软件)。然而这样的工具软件包价格不匪,大部分光伏系统设计人员无法使用到这样的软件工具;另-方面,作为商业机密,模拟光伏系统所使用的模型和参数也未被公开。在国内,对于光伏发电最大功率跟踪研究较多,例如:陈进美和陈峦进行的太阳能光伏发电最大功率点间接跟踪算法研究,采用了比较可行的方法,针对太阳能发电最大功率传统跟踪算法的跟踪对象为光伏阵列的输出功率,通过改变跟踪对象,提出了参数跟踪法、双电压跟踪法
19、等MPPT间接跟踪算法,并且结果表明,控制有效。目前,最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动与观察法和增量电导法。根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法,其中现今最常用的为爬山法和恒压法,但这两种方法在实际应用中仍然存在着很多问题。15 实现方法及预期目标首先通过对太阳能电池的物理模型和电特性的分析计算,建立了太阳能电池的数学模型,并结合s函数,在MatlabSimulink环境下建立其动态仿真模型。考虑到太阳能的波动性和随机性对太阳电池阵列的影响,该模型具有最大功率点跟踪(MPPT)功能。通过对各种算法的比较,最大功率点的跟踪采用干扰观测法。模型还
20、需考虑工作温度、太阳辐射强度、太阳电池串并联数、太阳电池模块参数对太阳电池阵列的影响。分析光伏电池的输出特性,用MATLABSIMULINK建立光伏电池模型,为最大功率点跟踪控制算法的研究奠定基础:分析现有最大功率点跟踪控制算法爬山法和恒压法的工作原理及优缺点,保证跟踪的动稳态性能:将模糊逻辑控制技术应用于光伏电池的最大功率点跟踪, 并给出模糊控制器的设计过程, 运用MATLABSIMU LINK进行仿真,使用仿真结果验证算法的控制性能,给出测试波形并进行必要的分析。第二章 光伏电池特性的研究太阳能发电是提供新能源和减少环境污染的有效手段之一。大规模的光伏发电,不但达到绿色环保的目的,而且对克
21、服我国能源紧张问题具有重大意义。太阳能光伏电池因为实现了直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。它具有重量轻,寿命长,使用方便,能承受各种冲击、振动等优点。可以说在电池行业中,最没有污染、市场空间最大的应该是光伏电池。因此,光伏电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。本章2.1节介绍了光伏电池的分类;22节介绍光伏电池工作原理;23节介绍光伏电池的电气特性,给出其输出特性方程,并对光伏电池模组和阵列作简单地介绍;24节用SIMULINK建立光伏电池模型,并对仿真结果进行分析;25节小结以上内容。21光伏电池的分类光伏电池多用半导体固体材料制造,也有用半导体加电解质的光化学电池,发展至
22、今也已种类繁多,无论采用何种材料生产光伏电池,他们对材料的一般要求是:半导体材料的禁带不能太宽;要有较高的光电转换效率;材料本身对环境不造成污染;材料便于工业化生产,而且材料的性能要稳定。光伏电池按电池结构和材料分类形式可以分为:1、按电池结构分类 同质结光伏电池。指在相同的半导体材料(除了其中含有少量的杂质外)上构成一个或多个P-N结的光伏电池。 异质结光伏电池。指在不同禁带宽度的半导体材料相接的界面上构成一个异质P-N结的光伏电池。 肖特基结光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池(又称为MS光伏电池)。 薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体材料铺在非半导体的衬
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