基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真

基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真

摘要：近些年来，随着社会生产的发展,对新能源光伏产业的要求越来越大。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率,利用MATLAB建模仿真部分对最大功率点跟踪（MPPT）的控制器进行了研究。论文分析了常用的蓄电池充电控制方法、光伏电池的特性及其最大功率点跟踪的原理和方法。通过MATLAB软件对不同环境下的光伏电池输出特性进行了建模、仿真。分析了最大功率点跟踪的工作原理,介绍了常用的最大功率点跟踪方法,并在此基础上提出了一种新的扰动观察法。最后,通过比较三种常用的DC/DC变换器的工作原理,提出利用BOOST型DC-DC变换器实现转换,对参数进行分析后建立了BOOST型DC/DC变换器的仿真模型。

关键词:太阳能光伏发电MATLAB仿真最大功率点跟踪Boost型DC-DC变换器

目录

摘要 (Ⅰ)

1课题背景 (2)

1.1能源与环境危机 (2)

1.1.1能源 (2)

1.1.2环境 (2)

1.2太阳能光伏发电技术发展简介 (2)

1.3太阳能光伏发电利用的优势 (3)

1.4光伏发电系统的分类级组成 (4)

1.5国内外研究产业现状及规划 (6)

2光伏发电系统 (7)

2.1光伏发电系统介绍 (7)

2.2 太阳能光伏发电系统的应用 (8)

2.2.1屋顶光伏发电系统 (8)

2.2.2户用光伏发电系统、小型光伏电站 (8)

2.2.3大型并网光伏发电系统 (9)

2.3带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 (9)

3光伏阵列特性及其仿真模型的研究 (10)

3.1太阳能电池的等效电路分析 (10)

3.2电池板matlab仿真 (12)

3.3 蓄电池充电方法 (12)

4新型变步长MPPT控制方法研究 (15)

4.1 MPPT 原理研究 (15)

4.1.1MPPT (15)

4.1.2基于Boost拓扑的MPPT原理 (16)

4.2常见的两种MPPT控制技术 (18)

4.2.1扰动观察法 (19)

4.2.2电导增量法 (21)

5光伏充、放电控制器的硬、软件设计 (25)

5.1控制器的整体设计及预期技术指标 (25)

5.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 (26)

5.3软件设计 (26)

参考文献 (34)

致谢 (35)

1 课题背景

1.1能源与环境危机

1.1.1 能源

能源成为了新世纪发展的主要动力，他在经济发展中扮演着很重要的角色，能源的多少关系着一个国家的经济安全和国家安全。在上一个世纪中，煤、石油、天然气等成为最为普遍的传统能源，而在当时，人类还对能源影响环境之类问题的严重性没有给予足够的重视，由此导致了温室气体的急剧增加，气候异常，环境污染增多等，严重影响了人类的生存环境和日常生活质量。根据统计，我国在能源蕴藏量上位居世界前列，但同时也是目前世界第二大能源生产国和消费国。中国在能源开发利用方面呈现出一些主要特点：

（1）煤炭成为主要能源之一，他的可再性还有开发利用程度比较低。目前世界主要以煤炭还有石油为主要能源物质，并且正在由煤炭为主向汽油为主的的结构快速变化。然而，中国依然还是世界上即为少数几个国家依然以煤炭资源为主。

（2）我国的每年能源消耗总量处于递增状态，但是能源利用效率较低。伴随着中国经济规模的不断扩大，中国在能源消费跟开发方面呈持续上升趋势。

（3）我国的能源开发利用多数是以内供为主，由于设备科技质量跟不上世界发达国家的标准导致优质量的能源供应不足，再加上浪费严重导致环境污染变本加厉。随着社会发展，能源消费不断提高，石油、煤炭的废弃物给大气造成很大的污染，过度开发能源导致生态破坏，环境问题日益严重。

这几个环境问题是我国能源开发引起的主要问题，要实现中国的可持续发展就要提高能源的利用率，并加快步伐开发新的环保能源。

1.1.2环境

进入21世纪，世界经济突飞猛进，各国对能源的需求也日益增多，由于对煤炭石油等不可再生能源的过度开发利用，生态坏境日益严重。伴随着石油、煤炭等不可再生能源的濒危缺乏警告，新能源开发问题已经成为国际社会的共同话题，为了走能源的可持续发展道路并保护生态环境，很多新的环保能源相继开发，比如潮汐能、风能、沼气能还有太阳能，越来越多的国家开始开发新的环保能源并且实施“阳光计划”。由于太阳能作为可再生能源取之不尽用之不竭，而且对环境无污染等多种优势，各国正在加大力度开发太阳能资源，研发新的科技来开发太阳能资源，因此开发和利用太阳能对于减缓环境污染和替代不可再生能源有着重要意义。

1.2太阳能光伏发电技术发展简介

太阳能的开发和利用一共有四种主要的形式：光伏的利用、光热的利用、光化学的利用和光生物的利用。在应用领域里最重要的是以光伏电池技术为主要核

心的太阳能的光伏利用、直流-交流逆变器(DC/AC逆变器)和太阳能光伏

(DC/DC变换器)等。太阳能控制器是用来为蓄电池提供最佳充电电压和电流，然而其最主要的作用就便是最大功率跟踪(MPPT)的控制。MPPT通过控制调节负载的功率，从而改变光伏电池的输出电流和输出电压，光伏电池始终在受外界环境影响的最大功率点附近工作，从而实现输出功率的最大化。当直流输电的升降压变换器在光伏发电系统向配电房输送直流电时，我们需要使用的是升压变换器；当蓄电池或者太阳能电池往高压电的用电器输送电时，由于升压输出，所以也要选择升压变换器；控制光伏阵列的工作点、对蓄电池充电以及负载调节等，通常选用降压变压器。DC-AC逆变器分为无源式和有源式逆变器两类。在光伏发电系统中，逆变器就是将太阳能光伏阵列和蓄电池提供低压直流电。当逆变器向交流负载提供电能时，用光伏阵列把直流电转化为交流电来实现。在独立光伏发电系统中，通常把无源式逆变器为交流负载来供电。对于并网光伏发电系统，通常用有源式逆变器，通过开关电路，以PWM方式产生调制的正弦波交流电力。蓄能是光伏发电系统的重要组成部分，所以我们使用的蓄电池，便是独立光伏发电系统中必不可少的一部分。把光伏阵列发出多余的直流电储存起来，供负载使用。

1.3 太阳能光伏发电利用的优势

如今世界范围的能源危机和环境污染迫使我们去寻找新的可再生能源既能替代又能无污染。太阳能作为一种新能源，与煤炭、石油、天然气、核能等常规能源相比有如下优点：

(l)资源丰富。

太阳能是用之不竭，取之不尽的可再生能源，可供地球利用量巨大。根据统计，每年辐射到地球表面的能力大约相当于130万亿标保准煤炭。据估计，在之前漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的2%，相比较传统的化石能源相比，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。因此开发和利用太阳能是我们下一步开发研究的主要课题，也是人类解决能源污染与能源缺乏的重要途径。

(2)分布广泛。

虽然世界各地的太阳对地面辐射量存在着差异，每年地表辐射的太阳能力不等，这通常是由于地理位置还有时节的影响。但是与其他能源相比，太阳能可以被世界各地的人利用，分布极为广泛，对于某些交通不发达的地区更具有利用价值，而且没必要为能源运输问题考虑节省了很多花费。对于一些缺乏石油煤炭的国家来说，太阳能可以给他们解决能源问题。

(3)环保无污染。

太阳能的开发利用是对太阳辐射到地球表面的能力加以转换，变成电能储存起来，在这个转变过程中几乎不会产生任何污染，而且吸收太阳能的设备也很简洁不会影响环境的美观，对于日益加重的环境污染的今天来说，显得非常可贵。

(4)经济性。

在之前由于科技落后，太阳能设备昂贵，很多人宁可使用廉价的煤炭石油能源，然而随着世界对环境保护的意识还有科技的进步，太阳能技术得到进一步发展，太阳能利用的成本持续降低。很多研究表明，开发太阳能来代替石油、煤炭等不可再生能源具有一定的经济性，开发太阳能既可以减少能源的消费又可以节省改善被污染环境的费用，从长期的可持续发展道路来看，开发利用太阳能非常经济实惠。

1.4光伏发电系统的分类及组成

太阳能光伏发电系统按大类可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。其中，独立光伏发电系统也可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直混合光伏发电系统，而直流光伏发电系统又可分为有蓄电池的系统和无蓄电池的系统。并网光伏发电系统可以分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途可分为有蓄电池系统和无蓄电池系统等[8]。

（1）独立型光伏发电系统

独立型光伏发电系统是光伏发电的最基本的发电形式，主要用于远离市区的海上灯塔、山顶的无线继电台等一些偏远无电地区，整个独立供电系统由太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器等组成，太阳能电池板作为核心部分，作用是由将太阳能光伏阵列转换的直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量，根据负载要求，系统一般选铅酸蓄电池作为储能环节，供给直流负载，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电，当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电，控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率跟踪控制组成的，另外可以将直流电逆变为交流电供给交流负载使用，由于光伏发电受天气等多种因素的影响，供电不稳定，所以需要另加蓄电池和充放电控制器环节，作用是能量在夜间和阴雨天气供给负载[21]。

（2）并网光伏发电系统

并网光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能，目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节，带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调式并网发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可