太阳能光伏电池最大功率点跟踪系统毕业论文.docx
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太阳能光伏电池最大功率点跟踪系统毕业论文
摘要
随着世界经济的迅速发展,对能源的需求越来越大,地球化石资源的大量开采与消耗,使石油、煤炭等自然资源日趋短缺,同时也给环境造成了严重污染。
因此大力发展太阳能成为了当务之急。
光伏电池的输出特性具有强烈的非线性,且受外界环境因素影响大,所以,如何有效的利用、提高太阳能转换效率,成为太阳能利用中一个迫切需要解决的问题。
本文通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪（MPPT），本文采用了电导增量法跟踪最大功率点。
以光伏发电系统为研究对象,以最大限度利用太阳能为主要目标,展开了光伏发电系统效率最优化的理论和实验研究。
本文对其进行了基于PSCAD的仿真实验。
实验结果表明很好的实现了太阳能电池的模拟以及在太阳能输入光照强度改变的情况下，能很好跟踪太阳能电池的最大功率点。
关键词：
控制器；光伏电池；最大功率点跟踪；电导增量法；PSCAD仿真
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftheworldeconomy,increasingdemandforenergy,'mass-extractionandconsumptionoffossilresourcesoftheEarth,theincreasingshortageofnaturalresourcessuchasoil,coal,andalsocausedseriouspollutiontotheenvironment.Devotingmajoreffortstodevelopingsolarenergyhasbecomeapriority.Outputcharacteristicsofphotovoltaiccellswithstrongnonlinearity,andundertheinfluenceofexternalenvironmentalfactors,therefore,howtoeffectivelyuse,improveenergyefficiency,anurgentneedtoaddresstheproblemsintheutilizationofsolarenergy.Thisarticlebypowerelectronicsandcontroltechnologytoachievemaximumpowerpointtrackingforphotovoltaicpowergeneration（MPPT）,maximumpowerpointtrackingwithconductanceincrementmethodinthisarticle.Photovoltaicpowergenerationsystemsforthestudy,maingoalistomaximizesolar,photovoltaicpowergenerationsystemoftheoreticalandexperimentalresearchonefficiencyoptimization.ThisarticlehastobebasedonsimulationexperimentofPSCAD.Experimentresultsshowthatthegoodimplementationofthesimulationofsolarcells,aswellasinthecaseofsolarenergyinputlightintensitychanges,canbeaverygoodmaximumpowerpointtrackingsolar.
Keywords:
controller,photovoltaiccell;maximumpowerpointtracking;conductanceincrementmethod;PSCADsimulation
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1绪论................................................1
1.1课题研究的背景.................................1
1.2课题研究的意义...............................4
1.3课题研究的内容.................................6
2光伏电池的原理及其特征...............................6
2.1光伏电池的基本工作原理.........................6
2.2光伏电池的基本特性.............................7
3光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）控制...................10
3.1MPPT算法的原理................................10
3.2现代最大功率点跟踪方法........................11
3.3MPPT控制方案设计.............................19
3.4有关PWM的介绍.................................22
4仿真实验............................................22
4.1PSCAD仿真软件介绍.............................22
4.2基于PSCAD的光伏阵列MPPT的仿真................24
5总结...............................................35
参考文献...............................................36
致谢...................................................37
1绪论
1.1课题研究的背景
目前世界上的能源消耗几乎全靠“初级能源"或“常规能源"来供应，它包括：
煤炭、石油、天然气和核裂变等。
由于地球上的初级能源的资源有限、矿产开采费用越来越高、人类能源需求激增的趋势以及环境污染严重等原因，以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要。
所以新能源和可再生能源既是近期急需的补充能源，又是将来能源结构的基础。
在能源领域中，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。
近年来，国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。
太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。
光伏发电的竞争力越来越强。
预计不久就可以成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。
1.1.1能源及环境污染问题
能源是社会经济和人民生活的主要物质基础，对于社会经济的发展和人民生活水平的提高极为重要。
然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。
全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，即25年间增长了69．7％，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤。
根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后40年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。
在我国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅在2004年一年，我国就进口原油约1．5亿吨。
按目前的消耗速度，我国的现有能源储量至多可以使用50年。
可见，矿物燃料并不是取之不尽的。
同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。
根据相关资料显示，目前，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高口近若干年来全球
排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。
因此，环境污染问题成为人们普遍关注的焦点。
环境污染对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响。
例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。
除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。
环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。
严重的环境污染还会造成社会问题。
随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突曰益增加。
随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。
1.1.2太阳能及光伏发电的特点与优势
太阳能可以不分地域地辐射到地球的每一个角落，从而成为二十一世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。
太阳是个巨大的能源，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。
煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。
太阳每秒钟发出的能量有3．865XJ，相当于每秒钟燃烧1．32Xt标准煤所发出的能量。
全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一。
太阳能作为一种巨量可再生能源，利用太阳能的潜力是十分巨大的。
和常规能源相比较，太阳能资源具有如下5个优越性：
（1）取之不尽，用之不竭
太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。
根据氢核聚变的反应理论计算，如果太阳象目前这样，稳定地每秒钟向其周围空间发射3．286×j的辐射能，在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间，可在60亿年以上。
也就是说太阳能至少还可象现在这样有60亿年可以稳定地被利用。
（2）就地可取，不需运输
矿物能源中的煤炭和石油资源在地理分布上的不均匀，以及全世界工业布局的不均衡造成了煤炭和石油运输的不均衡。
这些矿物能源必须经过开采后长途运送，才能到达目的地，给交通运输造成压力。
（3）分布广泛，分散使用
太阳能年辐射总量一般大于5．04×
kJ／
，就有实际利用价值，若每年辐射量大于6．3×
kJ／
，则为利用较高的地区。
世界上约有二分之一的地区可以达到这个数值。
虽然太阳能分布也具有一定的局限性，但与矿物能、水能和地热能等相比仍可视为分布较广的一种能源，称得上具有分布较广、到处都有的优点。
（4）不污染环境，不破坏生态
人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如
、
等，使人类赖以生存的环境受到了破坏和污染。
此外，其他新能源中水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。
但太阳能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。
（5）周而复始，可以再生
在自然界可以不断生成并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。
太阳能属于可再生能源。
煤炭、石油和天然气等矿物能源经过几十亿年才形成，而且短期内无法恢复。
当今世界消耗石油、天然气和煤炭的速度比大自然生成它们的速度要快一百万倍，如果按照这个消耗速度，在几十亿年时间里所生成的矿物能源将在几个世纪内就被消耗掉。
太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。
光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，此外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。
太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。
以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点：
（1）结构简单，体积小且轻。
独立供电的太阳能电池组件结构都比较简单。
（2）容易安装运输，建设周期短。
只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源。
（3）维护简单，使用方便。
如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。
（4）清洁、安全、无噪声。
光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。
（5）可靠性高，寿命长，并且应用范围广。
太阳能光伏发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适用于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。
光伏发电有更加激动人心的计划。
一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便全球供电。
据测算，到2050年，即使全部太阳能发电供给全球用电，占地也不过全部海洋面积的2．3％或全部沙漠的51．4％。
另一方案是天上发电，早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可以提供5×
kW电力。
1.2课题研究的意义
由于传统能源（如煤、石油、天然气等）的供给已出现短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源。
大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。
作为无污染的清洁能源之一太阳能越来越受到大家的关注，尤其在解决偏远地区的用电问题，发挥着重要的作用。
我国光伏发电的现状及前景：
我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。
我国太阳能光伏发电技术开始于20世纪70年代，开始时主要用于空间。
70年代中期后，光伏发电应用逐渐扩大到地面并形成了我国的光伏产业。
光伏发电在改善人民生活条件方面已发挥着重要作用，并将在21世纪可持续发展中发挥更大作用。
技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。
在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。
我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。
但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。
通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公‘生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。
近期我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。
目前，国内光电池硅片的生产能力己达4．5MW，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100kW。
2002年光伏系统累计装机容量仅40MW，而2004年深圳市已建成870kW光伏发电系统，是目前我国最大的城市光伏景观工程。
2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但实际生产量仅仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。
在2002~2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程"项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％。
北京申办2008年奥运会，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想
2008年奥运会是最成功的一届奥运会，光伏发电应用担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。
2008年北京奥运会建成多个50kW～150kW的光伏发电系统，场馆周围80％的路灯以及部分场馆的照明与空调将利用太阳能电池供电。
上海2010年世界博览会总量达1MW～10MW的城市光伏发电系统，还有旨在解决8000万边远地区居民无电缺电问题的国家光明工程、家用太阳能光伏电源系统、乡村太阳能光伏电站、青藏铁路工程光伏电源系统、通信用光伏电源系统等。
综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，世界光伏产业每年以31％的速度发展，而我国每年只有15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。
光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。
我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。
1.3课题研究的内容
本课题主要研究太阳能光伏电池最大功率点跟踪系统，通过控制负载端的占空比来调节负载，找到最大功率点。
本文会介绍几种常用的最大功率点跟踪方法，然后主要介绍本文采用的电导增量法。
然后是仿真模块，本文通过PSCAD仿真软件来模拟最大功率点跟踪系统，会详细介绍仿真的过程以及结果。
2光伏电池的原理及其特征
光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。
它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。
其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。
目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高（澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24％），所以现在开发得也最快。
2.1光伏电池的基本工作原理
太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。
这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池（光伏电池）。
光伏电池工作原理的基础，是半导体P-N结的光生伏特效应。
所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别的高。
当太阳光照射到半导体的P-N结上，就会在其两端产生光生电压，若在外部将P-N结短路，就会产生光电流。
光伏电池正是利用了半导体的这些特性，把光能直接转换为电能。
2.2光伏电池的基本特性
2.2.1光伏电池的等效电路
光伏电池的等效电路图如图2-1所示[1]。
图2-1光伏电池的等效电路图
其中，RL为电池的外负载电阻。
当RL=0时，所测得电流为电池的短路电流Isc。
所谓短路电流Isc，就是光伏电池在标准光源的照射下，输出端短路时，流过光伏电池两端的电流。
Isc值正比于光伏电池的面积和入射光的光照强度。
1cm2
光伏电池的Isc值均为16-30mA。
环境温度的升高，Isc值也会略有上升，一般来讲，温度每上升高1℃，Isc值上升78µA。
ID为暗电流。
无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。
所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。
它的大小反映了在当前环境温度下，光伏电池P-N结自身所产生的总扩散电流的变化情况。
IL为光伏电池输出的负载电流。
Uoc为电池的开路电压。
所谓开路电压，是把光伏电池置于100mW/cm2的光源照射下，且光伏电池输出两端开路（RL→∞）时所测得的输出电压值。
光伏电池的开路电压与入射光强度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。
Rs为串联电阻，一般小于1欧姆。
它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接接触电阻和金属导体电阻等组成。
Rsh为旁路电阻，一般为几千欧姆。
它主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结泄露电阻和电池边缘的泄露电阻等组成。
2.2.2光伏电池的特性曲线
光伏电池的电压-电流关系曲线，简称伏安特性曲线[2]，如图2-2所示。
在2-2图中，曲线1，是二极管的暗伏安关系曲线，即无光照射时光伏电池的伏安曲线；曲线2，是电池接受光照后的伏安曲线，它可由无光照时的伏安曲线向第四象限位移Isc量得到。
经过坐标变换，最后可得到常用的光照光伏电池的电流-电压特性曲线，如图2-3所示。
1-未受光照；2-受光照Isc-短路电流
Uoc-开路电压Im-最大工作电流
Imp-受光照时的最大工作电流Um-最大工作电压
Ump-受光照时的最大工作电压Pm-最大功率
图2-2光伏电池的电流-电压关系曲线图2-3常用的光伏电池电流-电压特性曲线
图2-4光伏电池的P-U曲线图
根据功率定义式P=UI，设定P为不同的常数，带入U、I，便可在光伏电池输出伏安特性曲线图上做出一系列的等功率曲线。
有光伏电池的伏安特性曲线可绘制出P-U曲线，如图2-4所示。
2.2.3光照强度、温度对光伏电池输出特性的影响
IL-UL的关系代表了光伏电池的外特性即输出特性，这是光伏发电系统设计的主要基础。
光照强度（S）和温度（T）是确定光伏电池输出特性的两个主要参数[3]。
固定温度并改变照度，或者固定照度并改变温度，在通过短路试验获得的Isc的基础上，可得到光
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