基于Matlab的光伏电池建模及MPPT方法研究

基于Matlab的光伏电池建模及MPPT方法研究

自工业化以来的近三百年间，世界能源工业飞速发展，有力支撑了全球经济与社会发展。在这个发展的过程中，传统化石能源的大量开发及使用导致了资源紧张、环境污染、气候变化等问题日益突出，严重的威胁了人类生存和可持续发展。近年来，太阳能作为一种高效无污染的新能源，逐渐受到各国乃至全球的广泛关注。本文首先简要介绍了光伏发电的背景及意义,对光伏发电历史以及国内外光伏发电发展现状进行了综述，然后阐述了光伏并网发电系统及其基本工作原理，并详细描述了运用Matlab/Simulink 建立光伏阵列仿真模型的过程，最后对光伏发电系统最大功率点跟踪的理论依据以及工作原理进行了分析，介绍了常见的MPPT方法及仿真分析，并根据文献[6]详细描述了一种改进的基于最优梯度的滞环比较法的原理，并对改进的基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，验证了改进算法的优越性。

目录

1 绪论 (2)

1.1 光伏发电的背景及意义 (2)

1.1.1 研究背景 (2)

1.1.2 我国太阳能资源的分布 (3)

1.2太阳能发电发展概况 (4)

1.2.1 光伏发电的历史 (4)

1.2.2 太阳能发电的国内外发展概况 (4)

1.3 本文研究的主要内容 (5)

2 光伏并网发电系统及基本原理 (5)

2.1 光伏发电系统的分类 (5)

2.2光伏并网发电系统组成 (5)

2.3光伏电池 (7)

2.3.1光伏电池的工作原理 (7)

2.3.2 光伏电池的种类 (7)

3 光伏电池建模与仿真分析 (8)

3.1光伏电池数学模型 (8)

3.2 光伏电池模型 (10)

3.3 光伏电池仿真分析 (12)

4 光伏阵列最大功率点跟踪方法研究 (14)

4.1 最大功率点跟踪的理论依据 (14)

4.2 基于DC/DC 变换电路MPPT的实现 (15)

4.2.1 BOOST电路的基本工作原理 (16)

4.2.2 BOOST电路实现MPPT的理论依据 (16)

4.3常用最大功率点跟踪算法及其仿真 (17)

4.3.1 恒定电压法 (17)

4.3.2 间歇扫描法 (18)

4.3.3 扰动观察法 (18)

4.3.4 电导增量法 (20)

4.4 基于最优梯度的滞环比较法 (23)

4.4.1 滞环比较法原理 (25)

4.4.2 最优梯度法原理 (26)

4.4.3 基于最优梯度的滞环比较法 (26)

4.4.4 基于最优梯度的扰动观察法与扰动观察法的仿真比较 (26)

5 结论与展望 (29)

5.1 结论 (29)

5.2 展望 (29)

1 绪论

1.1 光伏发电的背景及意义

1.1.1 研究背景

全球能源发展经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到汽油时代、电气时代的演变过程。目前，世界能源供应以化石为主，有力的支撑了经济社会的快速发展。长期以来，世界能源的发展有些过度的依赖化石能源，导致环境污染、气候变化、资源紧张等问题日益突出，严重的威胁了人类社会的生存与发展，我们面临着十分严峻的形式。应对挑战，需要统筹把握环境影响全球化、资源配置全球化和经济发展全球化的新特征，推动世界能源走上清洁、高效、安全、可持续发展的道路。

全球化石能源资源虽然储量大，但随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，正面临资源枯竭、污染排放严重等现实问题，截至2014年，全球煤炭、石油、天然气剩余探明可采储量分别为8915亿吨、2382亿吨和186万亿米3，折合标准煤共计1.2万亿吨，其组成结构为煤炭占52.0%、石油占27.8%、天然气占20.2%.按照目前世界平均开采强度，全球煤炭、石油和天然气分别可以开采113年、53年和55年。这些化石能源在全球分布很不均衡，中国化石能源资源以煤炭为主，石油、天然气等资源相对缺乏，化石能源探明可采储量总计约为896亿吨标准煤，其组成结构为煤炭占91.2%、石油占3.9%、天然气占4.9%，采储比分别为31年、12年、28年。由此可见，中国的化石能源资源均低于世界平均水平，我国的能源需求面临着更加严峻的挑战。

图1-1 一次能源的探明剩余储量比较

全球水能、风能、太阳能等清洁能源不仅总量非常丰富，而且低碳环保、可以再生，未来开发潜力巨大。根据世界能源理事会（World Energy Council, WEC）估算，全球清洁能源资源每年理论可开发量超过150000万亿千瓦?时，按照发电煤耗300克标准煤/(千瓦?时)计算，约合45万亿吨标准煤，相当于全球化石能源剩余探明储量的38倍。其中太阳能来自太阳辐射，是世界上资源量最大、分布最广泛的清洁能源。太阳能发电是太阳能开发利用的最主要的方式。它具有可再生、干净无污染、无资源短缺、分布式发电和不受地域限制等优点，21世纪以来，全球太阳能发电呈现快速发展势头，超过风电成为增长速度最快的清洁能源发电品种。

1.1.2 我国太阳能资源的分布

我国幅员辽阔，具有着非常丰富的太阳能资源。从图1-2中我们可以看出，我国全年三分之二以上的地区太阳能资源情况较好，年日照大于2000小时，年均辐射量约为1630kW?h/m2。在我国开展大规模太阳能光伏发电具有着得天独厚的条件，我国极具太阳能市场潜力。

图1-2 中国陆地太阳能资源分布图

1.2太阳能发电发展概况

太阳能发电主要包括两种方式：太阳能光发电和太阳能热发电。光发电是一种能够将太阳能直接转变成电能的发电方式。热发电则是先将太阳能转化为热能，再将热能最终转化成电能。其中太阳能光发电包括光伏发电、光感应发电、光生物发电和光化学发电四种形式。现代物理学研究认为，太阳光是由不同频率的光子组成，光子是光线中携带能量的粒子。太阳能光伏发电就是利用光子激发半导体物质中的电子从而产生光生伏特效应，一种将太阳能直接转换为电能的发电方式。

1.2.1 光伏发电的历史

1839年法国科学家贝克勒耳发现了“光生伏特效应”；1873年英国科学家威廉?史密斯发现了对光敏感的硒材料，并进行了大胆的推断，在光的照射下光通量与硒的导电能力成正比，随着光通量的增加硒的导电能力随之增加；1880年，美国科学家查尔斯?弗里茨开发出第一块以硒材料为基础的光伏电池，诞生了将太阳光能转换成电能的实用光伏发电技术；1954年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，获得了 4.5%光电转换效率的成果，它与我们今天所熟知的硅太阳能电池基本接近[1]；1961年至1971年期间，硅光伏电池的重点侧重于降低电池的重量及开发成本、提高其抗辐射能力上，其技术上没有取得重大改善与进步；1972年至1976年期间，空间用单晶硅光伏电池被成功研制并得到了初步的应用。从20世纪70年代中后期开始，光伏技术逐渐得到发展完善，成本不断降低，形成了不断发展的光伏技术产业，逐渐成为21世纪新能源舞台上的主要成员之一[2]。

1.2.2 太阳能发电的国内外发展概况

在各国政策激励下，世界光伏发电已经从最初少数国家开发进入大规模发展阶段，而光热发电尚处于技术研发和试验示范阶段。从各国政策走势和规划来看，太阳能发电将继续保持快速发展，远期发展规模将超过风电。20世纪70年代以来，太阳能发电日益受到各国政策推动和重视。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，大幅度增加太阳能的研究经费，并且成立了太阳能开发银行，促进了太阳能产业的商业化发展。1974年，日本公布了政府制定的“阳光计划”，其中对太阳能的研究开发项目包括了太阳能热发电、太阳房、太阳能电池生产系统、工业太阳能系统、分散型和大型光伏发电系统等等。1990年，德国提出了“2000个光伏屋顶计划”。1998年，荷兰提出了“百万个太阳能屋顶计划”。2009年，印度提出了“尼赫鲁国家太阳能计划”，提出把印度打造为全球的太阳能利用大国的具体方针和路线。自2009年开始中国实施“金太阳工程”，为用户侧分布式光伏发电项目提供约50%的初始投资补贴，从此开启了我国

光伏发电规模化发展的新时代。截至2013年6月，我国光伏发电的总装机容量约为1076万kW。2014 年，中国光伏发电的累计总装机容量位居世界第二，仅次于德国。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020 年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW，到2050年将达到600GW。预计，到2050年，我国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%[3]。

1.3 本文研究的主要内容

本文主要针对光伏发电系统中的光伏电池建模以及最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）方面进行了研究。首先概述了太阳能光伏发电的背景及意义和太阳能发电的概况，对光伏发电历史以及国内外光伏发电发展现状进行了综述，其次概述了光伏并网发电系统及其原理，通过Matlab对光伏电池进行了建模、仿真，并对其结果进行分析，得出了不同环境温度及不同光照强度下太阳能电池输出特性曲线图，以此证明了太阳能电池输出的非线性特性；最后介绍了最大功率点跟踪技术（MPPT）的原理以及BOOST电路实现MPPT的理论依据，对常见的MPPT方法进行了概述及建模仿真分析，并根据文献[6]详细描述了一种改进的基于最优梯度的滞环比较法的原理，最后对改进的基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，验证了改进算法的优越性。

2 光伏并网发电系统及基本原理

2.1 光伏发电系统的分类

光伏发电系统可以分为两大类：独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统是指不与电网连接而直接带负载的系统，如图2-1所示，并网光伏发电系统是与电网并联运行的系统，如图2-2所示，光伏并网系统与公共电网并列运行，当系统发出的功率大于负载时将多余的功率送入电网，而当系统发出的功率小于负载时公共电网对所缺的功率进行补充。

图2-1 独立光伏发电系统基本结构

图2-2 并网光伏发电系统基本结构

光伏并网发电系统按照系统功能可以分为两类：一种是不含储能装置的“不可调度式光伏并网发电系统”，另一种是含储能装置的“可调度式光伏并网发电系统”[4]。

不可调度式光伏并网发电系统仅能够并网运行，运行控制方式单一；而可调度式光伏并网发电系统能够在系统发生故障时兼具不间断电源（UPS），以保障重要负荷的供电，然而由于增加了储能环节，虽然与不可调度式系统功能齐全，但是也带来了严重的问题：储能装置的设置必须增加充电系统，不仅增加了成本而且还会降低系统可靠性；储能系统寿命较短且体积大；使用的同时还要对报废的储能装置进行专门处理，防止腐蚀性液体泄漏。基于以上原因，目前一般采用的是不可调度式发电系统，其集成度高、可靠性高、安装调试也相对方便[5,6]。

2.2光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统的典型结构应该包括光伏阵列、最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）装置、储能系统、并网逆变器以及并网变压器[7]。

变压器

电网

图2.3 光伏并网发电系统的典型结构

光伏阵列是由多块光伏电池单体串、并联后封装而成的太阳能电池方阵，是太阳能发电系统的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分，其作用是将太阳能装换为电能；最大功率点跟踪装置是光伏发电系统中的必要控制环节，光伏阵列模块输出具有非线性特性，受环境温度、光照强度、负载等因素影响，最大功率点跟踪控制可以实时调整光伏阵列模块工作点，经过比较寻优，找到光伏阵列在确定光照强度和环境温度条件下输出与最大功率对应的工作电压[8]，使之在任何条件下输出相应的最大功率，保障了光伏能源充分利用；储能系统能够在光照充足的情况下储存多余的电能，再根据需要在光照不足的情况下释放电能，起到调节供电平

衡、稳定光伏电源的作用；并网变压器和逆变器则是将光伏阵列发出的低压直流电经升压后转化为标准的交流电，并入电网。

2.3光伏电池

2.3.1光伏电池的工作原理

太阳能光伏发电的基本原理是利用利用光伏电池P-N结的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，就会在半导体内产生电子-空穴对，在P-N结内建静电场的作用下，电子、空穴相互运动，如下图2-4所示，P区的电子向N 区移动，N区的空穴向P区移动，使得太阳电池的受光面N型区有大量电子积累，电势降低，而在电池背光面P型区有大量空穴积累，电势升高，P-N结两端形成光生伏打电动势，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流SC

I。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生伏打电势差OC

V，这就是开路电压。如果P-N结两端接上负载，负载上就有电流通过，只要光照不停止，负载上将源源不断地有电流通过[9]。这就是太阳能发电光伏阵列的基本工作原理。

图2-4光伏电池的工作原理图

2.3.2 光伏电池的种类

从1954年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，到1959年的第一个单晶硅光伏电池的问世，再到1975年的非晶硅及带硅光伏电池的问世，到现在光伏电池的种类越来越多，技术也越来越成熟，据预测，到了2020年全球的光伏发电的总装机可能到达2.88亿千瓦[10]。

按照不同的分类方式光伏电池可分为以下几类：

1、按照结构的不同光伏电池可分为：肖特基光伏电池、同质结光伏电池、异质结光伏电池。

2、按光电转换机理的不同光伏电池可分为：传统光伏电池和激子光伏电池。

3、按照所用材料的不同光伏电池还可分为：硅光伏电池、有机型光伏电池、化合物薄膜电池、聚合物电极型以及纳米晶光伏电池。到目前为止，在市场所占份额最大，技术发展历史最悠久的光伏电池要数硅电池。高效晶硅电池其转换效率已经超过20%了，按照目前的发展趋势来看，在未来几年里其在市场的占有量将会不断扩大。

3 光伏电池建模与仿真分析

3.1光伏电池数学模型

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟，图3-1为太阳能电池的实际等效电路[5]。

图3-1 太阳能电池的等效电路

由光伏电池等效电路和电子学理论，可以得出光伏电池的I-V 方程为：

sh

s s o ph R IR V AKT IR V q I I I +--+-=}1])({exp[ （3.1） 式中：I ——太阳能电池输出电流，A ；

ph I ——光生电流，A ；

o I ——二极管的反向饱和电流（一般对于光伏单元量级而言，其量级为10

4-A ），A ；

q ——电子电荷常数，为1.6×1019-C ； V ——太阳能电池输出电压，V ；

s R ——太阳能电池的等效串联电阻，Ω；