太阳能电池MPPT建模
太阳能电池系统中的MPPT算法研究与比较分析
太阳能电池系统中的MPPT算法研究与比较分析太阳能电池系统中的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法是一种重要的关键技术，用于提高太阳能电池组的发电效率。
在太阳能电池组中，由于存在温度和光照强度等因素的变化，太阳能电池组的输出电压和电流也在不断变化，而太阳能电池的输出功率是电压和电流的乘积，所以需要实时跟踪太阳能电池组的最大输出功率点，以确保太阳能电池组能够以最高效率工作。
目前常用的MPPT算法有众多种类，本文将对几种常见的MPPT算法进行研究与比较分析。
1. 常数加压步进变化（Constant Voltage Incremental Change，CVIC）算法CVIC算法是一种较为简单的MPPT算法，其原理是设定一个初始电压，通过改变电压的大小来搜索最大功率点。
具体步骤如下：首先确定一个初始电压值，在该电压下测量太阳能电池组的输出功率；然后根据当前输出功率与上一次测量功率的比较结果，调整电压值并重新测量功率；不断迭代，直到找到最大功率点。
CVIC算法的优点是实现简单，可以在较短的时间内找到最大功率点，但其缺点是其迭代速度较慢，不适用于功率变化较快的系统。
2. 全局定位（Global Maximum Power Point , GMPP）算法GMPP算法是一种基于搜索的MPPT算法，其原理是基于整个工作范围内最大功率点的特点，通过搜索寻找全局最大功率点。
具体步骤如下：首先检测输入电压和电流，并计算对应的输入功率；然后增加或减少输入功率，再次测量电流和功率，并计算新的输入功率；通过比较两次输入功率的大小，选择功率较大的一侧作为新的搜索方向，不断迭代，直到找到全局最大功率点。
GMPP算法的优点是可以找到全局最大功率点，适用于功率变化较快的系统，但其缺点是速度较慢，对计算资源要求较高。
3. 增量（Incremental Conductance, INC）算法INC算法是一种基于导数变化的MPPT算法，其原理是通过计算导数的变化来确定最大功率点。
太阳能光伏MPPT技术仿真研究与硬件电路设计
为 了 尽 可 能 提高 整 个 光 伏 系统 的发 电效 率 ，本 文 将 恒 定 电
压 控 制 法 与 扰 动 观 察 法结 合 在 一起 ，对 光伏 电池 最 大 功率 点进 行 快 速 、 确 地 跟 踪 ， 过 仿 真 研 究 进 行 了验 证 。 准 通
Ｕｌ Ｕ Ｚ Ｕ３ Ｕ ｘ ｍａ Ｕ４ Ｕ ５
１６ ０
太 阳 能光 伏 ＭＰ Ｔ技 术 仿 真 研 究 与硬 件 电路设 计 Ｐ
太阳能光伏 ＭＰ Ｔ技术仿真研究与硬件电路设计 Ｐ
ＭＰＰ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ｔ ｖ ｌ ｉ ｒ ｙ ａ ｄ Ｔ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｔ ｄ ｆ Ｐ ｏｏ ｏｔ ｃ Ａｒａ ｎ Ｈａ ｄ ａ ｒ ｗａ ｅ Ｃｉ ｕｔ Ｄｅ ｉ ｎ ｒ ｒ ｉ ｃ ｓｇ
率 点才 能 充 分 利 用 光 伏 电 池 的 容量 ， 高 整个 系统 的发 电效 率 。 提 因此 ，光 伏 发 电系 统 需 要 保 证 系 统 不 论 在 何 种 日照 及 温 度
条 件 下 ，始 终 使 光 伏 阵 列 工 作 在 最 大 功 率 点 处 ，并 且 是 动 态 跟 踪。 已有 的 ＭＰ Ｔ方 法 ， Ｐ 如恒 定 电压 控 制 法 、 动 观 察 法 、 扰 电导 增
吕 昌睿 曾 奕 宋 辉
（ 海 交通 大学 电气工程 系电力传 输与功 率 变换控 制教 育部 重点 实验 室 ， 上 上海 ２ ０ ４ ） ０ ２ ０
摘 要 最 大 功 率 点 跟 踪 （ Ｐ ） 术是 太 阳 能 光 伏 发 电 系统 的 核 心技 术 ， 何 进 行 快 速 、 确地 跟 踪 ， ＭＰ Ｔ 技 如 准 直接 影 响 到 整 个光 伏
它 发 电形 式 的特 点 之 一 。 当 Ｅ照 强 度 和 环 境 温 度 变 化 时 ， ｌ 光伏 电池 的 输 出 电压 和 电 流 呈 非线 性 关 系 变 化 ，其输 出最 大 功 率点
光伏发电系统的MPPT控制算法研究
光伏发电系统的MPPT控制算法研究随着可再生能源的重要性日益凸显，太阳能光伏发电系统作为一种清洁、可持续的能源供应方式，受到了广泛关注。
然而，光伏发电系统中存在一个重要的问题，即太阳能电池组的最大功率点（Maximum Power Point，简称MPPT）跟踪控制。
本文将探讨不同的MPPT控制算法，并分析其优缺点。
一、传统的光伏发电系统MPPT控制算法传统的MPPT控制算法主要包括开环控制和闭环控制两种形式。
开环控制算法主要依赖于模糊控制、PID控制和全局搜索等方式，通过调整光伏电池组的电压和电流来实现最大功率点跟踪。
然而，开环控制算法具有很大的局限性，容易受环境变化和外界干扰的影响，难以保持稳定的跟踪效果。
闭环控制算法通过监测光伏电池组的电压和电流，并将其与期望值进行比较，然后调整光伏电池组的工作状态，以实现最大功率点跟踪。
闭环控制算法具有更好的稳定性和鲁棒性，能够适应各种环境条件和外界干扰，但在一些特定情况下可能无法有效跟踪最大功率点。
二、改进的MPPT控制算法为了解决传统MPPT控制算法存在的问题，研究者们提出了许多改进的算法，如模型预测控制算法、人工智能算法和混合算法等。
模型预测控制算法通过建立光伏发电系统的动态数学模型，预测未来一段时间内的光照条件，并根据预测结果调整光伏电池组的工作状态，以实现最大功率点跟踪。
该算法具有较好的响应速度和适应性，但对模型的准确性要求较高，且计算量大。
人工智能算法，如神经网络和遗传算法等，通过训练和优化模型来实现光伏发电系统的MPPT控制。
这些算法具有较强的自学习和优化能力，能够适应光照条件和光伏电池组参数的变化，但其计算复杂度较高，运行速度慢。
混合算法结合了不同的MPPT控制算法，旨在克服各自算法的局限性，提高最大功率点跟踪效果。
例如，将模型预测控制算法和人工智能算法相结合，利用神经网络预测光照条件，然后通过遗传算法优化控制策略，可以提高系统的鲁棒性和精确性。
第二章光伏电池模型及MPPT技术原理
第二章光伏电池模型及MPPT技术原理光伏电池是能够将太阳光能转化为电能的电子器件，其输出功率尤其受光照强度、电子器件温度的阻碍。
为了将太阳能最大限度地转化为电能，提高光伏电池的光电转化效率，对光伏电池的最大功率点跟踪那么是光伏发电系统的关键技术之一。
为了进行最大功率点跟踪，必需对光伏电池的工作原理和特性进行详尽的研究，了解其是如何将太阳光能转化为电能，其转化进程受哪些因素的阻碍，和如何提高光电转化的效率。
基于此，研究光伏电池的工作特性势在必行。
一、太阳能光伏电池模型一、光伏电池的工作原理光伏电池的大体结构是PN结，当受到外界光照时，PN结会产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。
当太阳光照射到光伏电池表面时，一部份光子被反射归去，如光子1；一部份光子会在离PN结较远的地址被吸收，如光子2，它们在复合还原的进程中无法产生电动势；一部份光子因其本身动能较小，在刚进入PN结时，就被吸收，无法产生电动势，而且会使光伏电池本身的温度升高，如光子3；还有一部份光子在射入光伏电池没有被吸收，如光子4；而真正产生电动势的是那些在PN结周围被吸收的光子，如光子5；在PN结内部原子的价电子受到太阳光子的激发产生处于非平稳状态的空穴-电子对，在PN结内部形成势垒电场，现在，咱们能够把空穴明白得为正电荷，电子明白得为负电荷，当空穴-电子对处在势垒电场时，会受到电场力的作用，使得空穴向P区漂移，而电子那么向N区漂移，至此，在PN结周围会形成一个与势垒电场相反的光生电场。
光生电场的一部份与势垒电场相抵消，另一部份那么使得P区带正电，N 区带负电，而在P区和N区之间，就产生了电动势，只要在外部接上负载，即能够向负载输出直流电，形成一个小小的直流电源，使负载取得电能。
以上的整个进程确实是光生伏特效应，而这一样也是光伏电池的大体工作原理。
图2-1 PN结受光照激发空穴-电子对图图2-2 光伏电池的光生伏特效应图二、光伏电池模型光伏电池模型有两类，一类是物理模型，另一类是外部特性模型。
太阳能电池接Boost电路MPPT控制仿真分析
苏
电
机
丁
程
第 ３ 巷 第 ３明 １
Ｊａ ｇ ｕ Ｅ ｅ ｔｉａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｉｎ ｓ ｌ ｃｒｃ ｌ ｇ ｎ ｅ ｉ Ｅ ｎ
太 阳能 电池接 Ｂ ｏｔ ｏ ｓ电路 ＭＰ Ｔ控制仿真分析 Ｐ
任立平 ， 祁 ， 朱 于跃 海 ， 云 胡
（ 网电力科 学研究 院 ， 国 江苏 南京 ２ ０ ０ ） １ ０ ３
电容 Ｃ值 也很 大 当开关 管 处于 通态 时 ． 电感 ｆ中 Ｊ
的充 电电流基 本恒 定 ． 同时 电容 Ｃ向负载 供 电 ， 保持 输 出电压 基 本 恒定 ， 开关 管 处 于 断态 时 ， 阳 当 太 能 电池 阵列 与电感 ，共 同 向 电容 Ｃ充 电 ， 向负载 Ｊ 并 提 供 能量 一个周 期 内电感 ，储 能与 释能 相等 。 义 Ｊ 定
图 １ Ｓ Ａ 中 太 阳 能 电池 模 型 Ｒ Ｃ Ｄ
开关 管 通 态 时 间 为 ｔ 断 态 时 间 为 ｔ 开 关 周期 为 ， ｍ
，
陔模 型 巾 ，基 本 参数 如 下 ： 一 为单 个 组 件 开
路 电压值 ； 为单 个组 件短 路 电流值 ； 为 单 个
开关频 率为
阻 尺 是 定值 ． 这就 需 要控 制 其他 变量 来 调 节外 接 电
阻值 ． 到 功 率为 ：
Ｐ Ｕｌ ・ ： ｖ ｌ ０） 、
太 阳能 电池 阵列 Ｔ作
外接 等效 电阻 为 ：
Ｒ ＝ ＵＩ （） ２
Ｂ ｏｔ ｏ ｓ 变换 电路 中 ． 假设 电路 中 电感 Ｌ值 很 大 ．
＝ ／ ， 占李 比 Ｄ＝ Ｔ 。则 ： ｌ Ｔ） 设 ｔ ／
（） ３
（ ４）
光伏发电MPPT的模糊逻辑控制及仿真
光伏发电MPPT的模糊逻辑控制及仿真郭海霞【摘要】[目的]为提高光伏发电效率,使光伏电池迅速工作在最大功率点.[方法]本文结合光伏电池的等效模型,分析其输出特性,采用模糊逻辑控制方法对光伏电池最大功率点进行跟踪控制,基于Matlab/Simulink建立光伏电池最大功率点跟踪的模糊控制仿真模型.[结果]仿真结果显示模糊逻辑控制法能瞬间实现光伏电池最大功率点跟踪.[结论]模糊逻辑控制法能显著改善最大功率点振荡,使系统有良好的稳态和动态性能.%[Objective]In order to improve the efficiency of Photovoltaic Power Generation,it is necessary to make the photovoltaic battery work quickly at the maximum power point through the Maximum Power Point Tracking control. [Methods]The equivalent model of photovoltaic battery was introduced,its output characteristic was analyzed,and fuzzy logic controlmethod was applied to maximum power point tracking control of photovoltaic battery.The simulation model of fuzzy controlmethod was established based on the Matlab/Simulink.[Result]The simulation result showed that the fuzzy control,improved the oscillation of maximum power point and had good steady-state and dynamic per-formance method could track the photovoltaic battery maximum power pointrapidly.[Conclusion]The fuzzy control-method improved the oscillation of maximum power point,system had good steady-state and dynamic performance.【期刊名称】《山西农业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(037)011【总页数】6页(P825-830)【关键词】最大功率点跟踪;模糊控制;光伏电池;仿真【作者】郭海霞【作者单位】山西农业大学工学院,山西太谷 030801【正文语种】中文【中图分类】S214.9;TM615随着全球经济和商业的快速发展，能源供求出现失衡，能源资源紧张问题日益凸现[1,2]。
光伏MPPT仿真
1.2
1.2.1
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]。
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。
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。
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究随着全球气候变化的加剧，人们迫切需要寻找新能源替代传统能源，以达到能源安全和环保的目的。
光伏发电是一种新兴的能源技术，它可以将太阳能转换为电能，而且没有任何污染，十分环保。
但是，由于天气、季节、太阳角度等因素的影响，太阳能的输出不稳定，因此需要一种能够根据当前太阳能输出功率自动调节电压和电流的控制系统，以提高发电效率。
这就是MPPT算法。
一、MPPT算法简介MPPT（Maximum Power Point Tracking）是一种广泛应用于光伏发电领域的算法，它能追踪太阳能电池板的最大输出功率点，从而将太阳能的输出转化为最大的电能输出，提高光伏发电效率。
MPPT算法通常分为两种类型：模拟算法和数字算法。
模拟算法包括 Perturb and Observe 算法（简称 P&O 算法）和 Incremental Conductance 算法（简称 IC 算法）。
P&O 算法通过周期性地改变太阳能电池板电流和电压来找到最大功率点，但是由于其存在震荡，对最大功率点的跟踪速度较慢，精度也较低。
IC 算法根据太阳能电池板的导电率，快速跟踪最大功率点，但是其算法复杂度较高，难以实现。
数字算法包括 Perturb and Observe 算法和 Incremental Conductance 算法的改进方法，如 Hill Climbing 算法、Gradient Descent 算法、Adaptive Perturb and Observe算法等。
这些算法通过使用数学模型来代替硬件电路来优化太阳能电池板输出功率，能够达到更高的跟踪速度和精确度，但是相对复杂，需要较高的计算能力。
二、MPPT算法优化在实际的光伏发电系统中，MPPT算法的优化是非常重要的，它能够提高发电效率，减少能源浪费，变相地提高光伏发电的经济效益和环保效益。
以下是几种MPPT算法的优化方法。
1、遗传算法优化遗传算法是一种基于自然选择和遗传进化理论的全局寻优算法，它通过模拟生物进化过程来搜索最佳解，具有强大的优化能力。
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2.22扰动观察法仿真結果其及分析
从图中的电压曲线、功率曲线和电流曲线可以看出 , 该系统实现了 对太阳能电池最大功率点的准确跟踪，但是在达到最大功率点后扰
动依然在进行，这会造成能量的损失。
第三章、扰动观察法的缺点及改进
缺点：跟踪稳定时，只能在最大功率点附近振荡运行。
改进方法:采用变步长扰动 首先设定参考电压 Ur和扰动步长step的初值 ;然后检测扰动后光伏电池的输出电压 U和电 流 I,计算出扰动前后的功率变化量 dP和电压变化量 dU;由dP的值决定是否改变扰动步长 ,
2.1扰动观察法原理
2.2 MPPT算法的总体模型
通过给定温度25℃，光照通过timer模块设定在200——1000之间进行扰动变化，
通过搭建boost电路来直接实现扰动法的算法。其中通过PWM脉冲调试来改变
电压，实现波动。
MPPT模块
PWM模块
如图 PWM模块基于占空比为升压式变换器产生脉冲信号。其中,零阶保持器的 采样周期与MPPT仿真模块周期相同,取在[0.01- 0.001]之间。
太阳能电池最大功率点跟踪仿真
组员： 指导教师： 答辩日期：2015.10.22
目 录 / contents
01
光伏电池模块的仿真 最大功率点跟踪技术
02
03
扰动观察法的缺点与改进 总结与展望
04
第一章、光伏电池模块仿真
1.1太阳能电池的等效电路图
(V DV )/(C2VOC ) 1) DI 光伏电池模组的输出特性方程： I Isc[1 C1 (e
名称 Im 单位 7.94A Um 17.7V Uoc 22V Isc 8.58A Sref Tref a b Rs
1000Kw/ 25℃ m²
0.5Amps/ 0.00288 2Ω ℃ V/℃ 在 参 考 输出串 温 度 下 ，联电阻 电压变 化温度
意义 最 大 最 大 开 路 短 路 太 阳 辐 太 阳 能 在 参 考 日 功 率 功 率 电压 电流 射 参 考 电 池 温 照下，电 电流 电压 值 度 流变化温 度系数
U oc
1.2 光伏电池仿真模型
1.3输出结果与分析
大气温度固定(25℃)，不同日照强度下，光伏模组对日照量变化的特性曲线图：
I-U曲线
P-U曲线
日照强度固定(750W／㎡)，不同大气温度下，光伏模组对温度变化的特性曲线图： I-U曲线
P-U曲线
从上图可以看出：
在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间具有
非线性的关系，并且具有唯一的最大功率点
当电池表面温度或日照强度等因素发生变化时，最大功率点也会发生漂
移
因此，在时刻变化外界环境下，使光伏电池维持在最大功率点处，成为 光伏系统中一个亟需解决的问题。
第二章、最大功率点跟踪算法
最大功率点跟踪算法有开路电压法、扰动观测法、恒电压控制法、电导 增量法等 由于扰动观察法的结构简单，跟踪精度较高，且需要测量的参数较少， 被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上,所以我们使用扰动观察法 作为仿真对象。
跟踪到最大功率点后扰动明显减少，有效地减少了能量损失
四.总结
本次科研训练取得以下成果：
1 ）研究了太阳能电池特性，对太阳能电池进行理论分析与
仿真建模工作；
2 ）研究了光伏发电中最大功率点跟踪技术，分析比较不同
方法的特点，并重点对扰动观察法进行仿真；
3 ）针对传统扰动观察法的缺点对其进行了改进：采用变步
若vP<0,将扰动步长减去一个常数c,否则步长保持不变;然后由dP/dU的值决定扰动的方向,
若dP/dU>0,保持原扰动方向,若dP/dU<0,将扰动方向变反;用求得的新步长和扰动方向修 正参考电压Ur的值,并更新输出功率的值;如是循环,直至step变为零。
3.1改进后的MPPT模块
3.2改进后的结果与分析
DI S / Sref DT S / Sref I sc
DV DT RS DI
DT T Tref
C1 (1 Im/ Isc)eVm /(C2VOC )
C2 (Vm / Voc 1) /{ln(1 Im/ Isc)}
由给定的光伏电池参数确定各仿真模块参数值
长扰动法。