基于MatlabSimulink的光伏电池最大功率跟踪...

摘要

随着当前世界能源短缺以及环境污染问题日益严重，可再生清洁能源的利用越来越受到重视，作为清洁能源的太阳能受到越来越多的重视，其中光伏发电作为利用太阳能的一种有效方式得到了迅速的发展。在目前，太阳能电池所面临的最大问题是转换效率较低。国内外许多文献对此问题提出实现太阳能最大功率点跟踪的方法，通过在太阳能光伏电池和负载间加入最大功率点跟踪控制器可解决这一问题，以达到充分利用太阳能的目的。

本文首先介绍了太阳能发电的背景，意义以及当今国内外的现状，然后介绍了太阳能电池的原理，接着重点介绍了最大功率点跟踪的原理，这其中包括开路电压法，固定电压法，扰动观察法以及电导增量法这几种常用的算法。最后通过Matlab/Simulink仿真对太阳能电池模型进行了仿真分析，以及对恒压控制法，扰动观察法以及电导增量法这几种常用的MPPT（Maximum Power Point Tracking）算法进行了仿真分析。

关键词：太阳能电池最大功率点跟踪Matlab/Simulink仿真

The Maximum Power Point Tracing comparative study of photovoltaic cells

based on Matlab/Simulink

Zhang Weiming

（College of Science, South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）Abstract:Nowadays, the world's energy shortage and environment pollution problem are becoming increasingly serious.So the renewable and new energy development has been gaining attention .The technology of photovoltaic conversion is developing quickly,which is an effective way to use solar power. However, at present one of the major problems that the photovoltaic system faced is the low transfer efficiency. The domestic and foreign many literature in view of this question proposed realizing the solar cell maximum power point tracking methods. In order to solve this problem, adding the maximum power point tracking controller between the solar cell, and load was widely adopted, which led to receiving the purpose of making full use of solar energy.

This paper firstly introduces the background, significance and the present situation of domestic and abroad of solar power. Then introduces the principle of solar cell. And then focuses on the principle of the maximum power point tracking which including Open Circuit V oltage , Constant V oltage Tracking Method, Perturbation and Observation Method and Incremental Conductance Method. Finally, completing the simulation analysis of the solar cell model and the maximum power point tracking which including Constant V oltage Tracking Method, Perturbation and Observation Method and Incremental Conductance Method through the Matlab/Simulink.

Key words:solar cell MPPT the simulation of matlab/simulink

1.Solar cell modeling(simpowersystems, simulink blocks, s-function, embedded matlab function)

2.mppt simulation(开路电压法，扰动观察

法，恒压控制法)

目录

1 前言 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 太阳能发电概述 (1)

1.3 国内外光伏发电现状以及发展趋势 (2)

1.4 光伏发电系统 (3)

1.4.1 光伏发电系统构成 (3)

1.4.2 光伏发电系统的常见问题 (3)

2 总体方案确定 (4)

2.1 太阳能电池的种类 (4)

2.2 太阳能电池的工作原理 (5)

2.3 太阳能电池物理模型 (6)

2.4 太阳能电池的输出特性 (8)

2.5最大功率点跟踪原理及算法 (10)

2.5.1 最大功率点跟踪的意义 (10)

2.5.2 最大功率点跟踪的原理 (10)

2.5.3 开路电压法 (11)

2.5.4 固定电压法（恒压控制法） (12)

2.5.5 扰动观察法 (12)

2.5.6 电导增量法 (14)

3 理论分析及设计 (16)

3.1 太阳能电池模型的仿真 (16)

3.2 特性曲线 (20)

4. 测试与试验分析 (26)

4.1 算法的总体模型 (26)

4.2 固定电压法仿真模型以及跟踪曲线 (27)

4.3 扰动观察法的仿真模型以及跟踪曲线 (28)

4.4 电导增量法的仿真模型跟跟踪曲线 (30)

5. 结论 (31)

参考文献 (35)

致谢 (36)

毕业论文成绩评定表

1 前言

1.1 课题研究背景

太阳每时每刻都在向地球发送能量，并且这种能量是取之不尽，用之不竭的。如果将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可高达1.77*10KW，比目前全世界平均消费电力还要大数亿倍。在中国，太阳能资源较好的地区占国土面积2/3以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照时间在2200小时以上，中国陆地每年接受的太阳辐射量约合24000亿吨标准煤，可见太阳能资源数量巨大，只要有太阳的存在，能源就将源源不断。太阳能的利用有很多种，有光-热转换、光-电转换和光-化学转换等三种方式。其中光-热转换是利用光的热效应，将太阳辐射转化成热能；光-电转换是利用光的伏特效应，将太阳辐射直接转化成电能；而光-化学转换则是利用光能分解化学物质产生化学能，但尚处于研究试验阶段。在这三种太阳能的有效利用中，太阳能的光-电转换就是俗称的光伏发电以其独特的优势与便捷的应用成为近年来发展最快、最具活力的研究领域。

太阳能发电是由太阳能电池实现的。太阳能电池是利用光和材料的相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对于改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。因此，太阳能电池是21世纪的重要的新能源之一。

1.2 太阳能发电概述

随着社会的发展，石油、煤炭等不可再生资源日益减少，寻找新能源成为人类面临的迫切课题。而太阳能作为一种清洁、高效和永不枯竭的新能源越来越受到人们的关注。太阳能的应用研究的一个重点是太阳能发电。太阳能发电简称光伏发电，是直接将光能转换成电能的一种发电形式，使用过程不仅清洁、无污染，而且安装维护方便，使用寿命长，可以实现无人值守，因此近年来的应用范围越来越广。

1.3 国内外光伏发电现状以及发展趋势

自20世纪70年代光伏发电开始在地面应用以来，在相当长时期内，主要是在无电地区离网应用，离网光伏系统应用规模和领域不断扩大，为解决工、农业特殊用电需要做出了贡献。日本新能源发展组织(NEDO)在2004年6月发表《面向2030光伏路线图的综述》中提出，日本国内累计安装太阳电池组件容量到2030年要达到100 GW，届时日本所有住宅消费的电力中将有50%由太阳能光伏发电提供，大约占全部电力供应的10%。

在亚洲，除日本外，韩国的光伏市场发展也很迅速，在2003年光伏系统安装量为6 MW，到2006年末已累计安装34MW，其中包括3座商业电站，容量总共为10MW，3年中增长了将近6倍。韩国计划到2012年可再生能源发电要占总发电量的8.4%，其中有10万套户用屋顶光伏系统，每套容量为3 KW，共计300 MW；4万套公共建筑屋顶光伏系统，共计400MW；3万座分布式电站，每座大约20 KW，这样，光伏系统累计安装量将达到1.3 GW。

2004年3月欧盟联合研究中心发表了《欧洲光伏研发路线图》，提出到2030年，可再生能源在总能源结构中将占30%以上，太阳能发电提供的电力将占发电量的10%以上；到2040年太阳能发电提供的电力将占总发电量的20%以上；到21世纪末，太阳能发电提供的电力将占总发电量的60%以上。据欧盟在2008年4月发表的Photovoltaic Energy Barometer 统计，由于德国、西班牙和意大利的努力，2007年欧盟安装了1541.2MW，其中并网光伏系统占绝大多数，达到了99.5%。

美国能源部制定了从2000年1月开始的新五年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。

中国的太阳能资源总量仅次于美国，为世界第二位，人口密度高的大城市多，太阳能资源丰富的沙漠和高原面积广。我国从1958年开始进行太阳能光伏发电的研究开发，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生，1971年首次应用太阳能电池作为科学实验卫星电源，1973年首次在天津港航标灯上进行应用太阳能电池供电的试验。2002年开始，国家启动了“送电到乡”工程，在西部建成了721座光伏或风光互补电站和268座小型水电站，其中，安装了光伏和风光互补电站15.5 MW，工程投资达到16亿元。中国光伏产业发展迅猛，太阳能电池产量已经跃居世界第一。2008年3月中国国家发展和改革委员会发布了《可再生能源发展“十一五”规划》，提出到2010年可再生能源在能源消费比例要达到10%，太阳能发电总容量达到30万KW，年产能量5.4亿KWH，折合标准煤19万吨。然而，相对太阳能电池产量的飞速发展，中国的光伏市场发展却十分的缓慢，

尽管2007年中国光伏系统的安装量已经达到20MW，但与世界光伏产业的发展相比，累计太阳能电池安装量还不到世界总量的1%，而且太阳能光伏发电并网应用较少，发电成本较高，整个光伏产业发展任重道远（徐义鑫，2011）。

1.4 光伏发电系统

光伏发电系统分为直流与交流两种供电方式，直流供电系统由太阳电池板，蓄电池和电源控制单元组成，交流供电系统还要增加逆变器单元。光伏发电系统在光照充足时，通过光伏效应将太阳光能转换为电能，给负载供电同时将多余的能量给蓄电池组充电。当太阳光照不足时，蓄电池为负载提供电能。针对太阳能电池在不同日照强度下输出能量的变化以及负载的变化，电源控制电源要适时对太阳能电池与蓄电池组进行功率调节，使系统达到最优效率。

1.4.1 光伏发电系统构成

光伏发电系统由太阳能电池组件、控制器与蓄电池组构成，若输出为交流则需要配置逆变器。

1.太阳能电池是光伏发电系统中的核心部分。它的作用是将太阳的辐射能量转换成电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

2.控制器的作用是控制系统的工作状态，它可以实现最大功率跟踪，以实现太阳能电池的最高使用效率。同时，能够对蓄电池起过充电与过放电保护作用。

3.蓄电池部分一般为铅酸蓄电池。它的作用是在有光照时将太阳能电池组件所提供的电能存储起来，到需要的时候再释放出来。

4.逆变器是用来将太阳能电池输出的直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。

1.4.2 光伏发电系统的常见问题

目前光伏发电系统主要存在着下面四大问题：

1.太阳能电池组件效率低：这指的是太阳能转换成电能的比值。由于光电转换效率低，从而使得光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。

2.系统造价成本高。由于太阳能电池效率低，要发出足够的电能则需要许多太阳能电池板，这导致光伏发电系统造价居高不下，成本高是制约着光伏发电市场快速发展的主要原因。

3.发电运行受气候环境因素影响大，会导致系统不稳定，随环境条件的变化而变化。

4.制造单晶硅和多晶硅电池需要消耗相当多的能源。在从硅元素的存在形式沙子变成

单晶硅和多晶硅需要经过多道化学和物理工序，期间需要消耗相当多的能量。

综上所述，成本是制约光伏发电系统的主要原因，造成光伏系统的高成本因素包括光伏电池的转换效率低，电池制造过程的能量损耗等，此外光伏发电系统还存在着系统工作不稳定，随环境而变化。上述问题的解决方案除了寻找更优材料以产生更高效率的光伏电池外，还可以在光伏系统中使用控制器，一方面尽可能使光伏电池的所有输出电能都能够传送给输出负载，另一方面保证在外界环境变化时，光伏系统也能稳定工作，这两方面要求引出的就是太阳能电池最大功率点跟踪控制技术，也就是MPPT技术。

2 总体方案确定

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能，这种把光能转换成电能的器件就是太阳能电池。迄今为止，人们已经研究了100 多种不同材料、不同结构、不同形式的太阳能电池，常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

2.1 太阳能电池的种类

太阳能电池种类繁多，形式各样，多用半导体材料制造而成，按照制造材料的不同可以分成以下几种类型：

单晶硅太阳能电池是采用单晶硅片来制造的太阳能电池，与其他种类的电池相比，单晶硅太阳能电池的性能稳定，转换效率高，目前规模化生产的商品电池效率已达16%～18%。但近年来太阳能电池产业高速发展，导致高纯多晶硅原料紧缺，单晶硅太阳能电池的生产成本比较高，限制了其高速发展。

多晶硅太阳能电池的硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，其电池转换效率要比单晶硅太阳能电池低，规模化生产的商品电池效率为15%～17%，但当制作多晶硅太阳能电池时作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是融化后浇注成正方形的硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池，因而它的成本比单晶硅太阳能电池低，产量和市场占有率较高。

非晶硅太阳能电池是市场占有量最大的薄膜太阳能电池，多应用于电子消费产品、户用电源和小型光伏电站等，但非晶硅太阳能电池转换效率低，稳定性不高，作为电力电源还没有大量推广。由于非晶硅太阳能电池生产成本低，便于大规模生产，易于实现与建筑一体化，有着巨大的市场潜力。

2.2 太阳能电池的工作原理

太阳能电池利用的是半导体PN结的光生伏特效应将太阳辐射能转换成电能。照到太阳能电池上的太阳光线，一部分被太阳能电池上表面反射掉，另一部分被太阳能电池吸收，还有少量透过太阳能电池。在被太阳能电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽带的光子，可以使半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子–空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子–空穴对由于热运动，向各个方向运动，光生电子–空穴对在空间电荷区产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。在N区，光生电子–空穴对产生后，光生空穴便向PN结边界扩散，一旦达到PN结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P 区，而光生电子(多数载流子)则被留在N区。P区中的光生电子也会向PN结边界扩散，并在到达PN结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入N区，而光生空穴(多数载流子)则被留在P区。因此，在PN结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应。当在有光照射时，上、下电极之间就有一定的电势差，用导线连接负载，就能产生直流电。若把几十个、数百个太阳能电池单元进行串并联，封装后组成太阳能电池组件，功率一般在几瓦、几十瓦、数百瓦等，再将这些太阳能组件按照用户不同功率的需求组成太阳能电池阵列，就可以满足我们日常生产和工作的需要。下面图1是PN结结构图，图2是太阳能电池单元模型（崔岩，等，2006）。

图1 PN结结构

图2 太阳能电池单元模型

2.3 太阳能电池物理模型

下图图3是太阳能电池的等效电路图，它是由由光生电流源及一系列电阻组成

(Koutroulis E Kalaitzakis K ，等，2001)。

图3 太阳能电池等效电路图

在图3中，L R 是太阳能电池的外接负载电阻，当0=L R 时，此时所测得的电流是太阳能电池的短路电流sc I 。短路电流与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，sc I 的值也就越大，对于同一块电池sc I 与入射光的辐照强度成正比。当∞→L R 时，所测得的电压为太阳能电池的开路电压sc U ，它的大小与光照强度有关，与太阳能电池的面积大小无关。

s R 为串联电阻，它由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻

所组成。sh R 为旁路电阻，它由硅片边缘不清洁或者体内缺陷引起的（安伟，等，2009）。根据太阳能点的等效电路，它的输出特性方程如下：

sh s S ph sh D ph R IR V AKT IR V q I I I I I I )(1)(exp 0+-?

?????-??????--=--= 上面式子中：

???????????? ??-??????=T T KA qE T T I I r G r or 11exp 30 ，

()[]1000G T T K I I r t sc ph -+= 下面表1是太阳能电池输出特性方程参数。

表1 太阳能电池输出特性方程参数

参数名

物理意义 单位 数值 L I

太阳能电池输出电流 A —— oc U 太阳能电池输出电压 V

—— 0I 太阳能电池反向饱和电流 A

—— A 二极管品质因数 ——

1-5 T 太阳能电池表面温度 K

—— K 波尔兹曼常数 J/K

2310*38.1- G

日照强度 2/m W —— ph I 光生电流 A ——

q 电子电量 C

1910*6.1- or I

二极管反向饱和电流 A —— S R

串联等效电阻 Ω —— sh R 并联等小电阻

Ω —— r T 参考温度 K 301.18

G E 半导体材料禁带宽带 eV 1-3

t K

短路电流温度系数 A/K ——

sc I

参考条件下短路电流 A —— ocs

U 参考条件下开路电压 V ——

上面的表达式是基于太阳能电池的物理特性建立的，显然，太阳能电池的串联电阻

越小，旁路电阻越大，也就越接近理想的太阳能电池。在实际中，讨论太阳能电池的等

效电路时，它的内电阻s R 或sh R 可以忽略不计，因为它们是太阳能电池本身的固有电阻，与外界条件无关。

在下面图4，是简化的太阳能电池等效电路，为了更加准确的表达太阳能电池的物理

特性，它的内电阻没有被忽略（李炜，2006）。

图4 太阳能电池简化等效电路

它的输出特性表达式为：

1)(exp 0-????????? ?

?+-=AKT IR U q I I I s oc ph 当0=oc U 时，电路处于短路状态，此时光生电流ph I 全部流向负载，则光生电流与短

路电流的关系为：sc ph I I =；当0=I 时，电路处于开路状态，此时开路电压为：

???? ??-=1ln 0I I q AKT U ph oc 。

2.4 太阳能电池的输出特性

太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定温度和日照强度下，太阳能电池的输

出电压与输出电流之间的关系，简称I-V 特性。

太阳能电池既不是恒压源，也不是恒流源，具有很强的非线性，是一种非线性直流

电源。其输出电流在大部分工作电压内变化幅度小，可以近似认为恒定，当工作电压接近最大功率点电压时，电流的下降幅度很大。太阳能电池受环境因素的影响很大，其中最主要的因素是光照强度和电池表面温度。当光照强度越强，太阳能电池的输出功率也就越大，最大功率点电压和电流也越大；而当太阳能电池表面温度升高时，太阳能电池的开路电压就会减小，太阳能电池的输出功率也随之减小。

下面图5是太阳能电池在相同光照强度，不同温度下的I-V和P-V特性输出曲线，从曲线中可以看出，在固定的光照强度下，当温度上升时太阳能电池的开路电压就会降低，但其短路电流的变化却很小，总之，温度的上升会使太阳能电池的输出功率减小。

图5 光照强度不变时太阳能电池的I-V与P-V特性曲线

下面图6是太阳能电池在相同的温度，不同光照强度下的I-V和P-V特性曲线，从曲线中可以看出，在固定的温度下，光照强度的增加，太阳能电池的短路电流就会增加，最大功率点随之升高，但太阳能电池的开路电压变化却并不明显，太阳能电池的输出电流随着光照强度的增加有着较大的变化。

图6 温度不变时太阳能电池的I-V与P-V特性曲线

2.5最大功率点跟踪原理及算法

2.5.1 最大功率点跟踪的意义

最大功率点跟踪是指当外界温度、光照等条件发生变化时，太阳能发电系统通过控制光伏电池阵列的输出电压或电流大小的改变，使太阳能电池始终工作在最大功率点上，从而保证光伏阵列始终保持最大功率输出。因为太阳能电池的输出特性具有非线性的特点，光伏阵列的开路电压和短路电流受外界日照强度和温度的影响很大，当光照强度，温度等外界条件发生改变时，太阳能电池阵列的输出特性和输出功率也随之发生改变，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然导致整个系统工作效率低下，即使在同一光照强度和温度下，由于负载的不同则光伏阵列输出功率也是不同的，若将其与负载直接相连在一起的话，就不能保证光伏阵列工作在最大功率点上，从而造成功率的损失，因此光伏发电系统中必须有一个适配器，来协调电源和负载，使系统一直处于高效、稳定的工作状态，时刻为负载提供由光电转换所得到的最大功率，以提高太阳能电池的利用率。此外，太阳能电池本身转换效率不高且价格昂贵，初期投入较大，为最大程度的充分利用光伏电池所吸收的能量、提高光伏阵列的转换效率、降低光伏系统成本就必须使用最大功率点跟踪技术。因此通过采用合理的MPPT 控制算法来调节控制太阳能电池的输出，使得光伏阵列在任何情况下始终工作在最大功率点上，从而更有效地利用太阳能，提高光伏电池的转换效率，降低光伏发电系统的成本，进而为光伏发电系统的大规模推广使用提供条件和可能。

2.5.2 最大功率点跟踪的原理

从电路理论中的阻抗匹配原则可以知道，在线性电路中，当外部负载等效电阻与电源内阻相等时，外部负载就可以获得电源的最大输出功率。虽然太阳能电池具有非线性的输出特性，但是在极短的时间内我们可以将其看作是线性电路。因此，在一定的光照强度和温度下，光伏阵列是否在最大功率点处工作取决于太阳能电池的内阻和太阳能阵列的负载是否相匹配，也就是如果太阳能电池的内阻和光伏阵列的负载大小相等时，就可以实现最大功率点跟踪。

下图是光伏阵列的输出特性。

图7 光伏阵列输出特性

在上图中，曲线1和曲线2是光伏阵列在不同光照强度下的输出特性曲线。假设光

伏阵列所接负载是电阻型负载，图中曲线则是负载电阻的I-V 特性曲线。曲线和直线的交点就是光伏阵列的工作点，如A 、B 、C 。其中A 点和C 点分别为相应的光伏阵列最大功率点。假设某一时刻系统稳定运行在A 点，当光照强度发生变化时，即光伏阵列的输出特性曲线1降到曲线2。如果此刻负载的电阻保持不变，系统将在B 点稳定运行，可是系统的特性曲线2的最大功率点是C 点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点，也就是光伏阵列和负载处于失配状态。只有改变负载的大小，使其与光伏阵列的内阻相

等，让新的负载特性曲线与光伏阵列的输出特性曲线相较于C 点，实现负载与光伏阵列相匹配，使系统工作在光伏阵列的最大功率点。

2.5.3 开路电压法

由光伏阵列在不同光照强度和不同电池结温下的输出特性曲线特点，我们可以得出光伏阵列的最大功率点电压MPP U 和光伏阵列的开路电压oc U 之间存在着近似的线性关

系：oc MPP U k U 1≈。其中，1k 为比例常数。开路电压oc U 可以通过断开光伏阵列和负载来测得，这样就可以通过oc MPP U k U 1≈来计算最大功率点电压MPP U ，并且通过周期性循环操作来不断的调整最大功率点电压MPP U ，使光伏阵列保持最大功率的输出。虽然这个方法原理简单，但如何选择最佳的比例常数1k 却很困难，因为1k 是由光伏阵列的物理特性所决定的，随太阳能电池板日益老化而变化。开路电压法并不是一种真正的最大功率点跟

踪方法，最大功率点电压MPP U 的精确取值取决于1k ，而1k 的值却不是固定不变的。开路

电压法的优点是结构简单，价格低廉，仅仅有一个反馈回路，但是由于测量开路电压oc U 需要将负载断开，导致存在瞬时功率损失问题。而且系统的功率输出并不是基于对光伏阵列输出功率计算而得，而是假设一旦开路电压oc U 确定相应的最大功率点电压MPP U 也就确定了，其功率输出也就是最大。这样如果最大功率点的选取不准确，就会导致输出功率并不是最大的功率。

2.5.4 固定电压法（恒压控制法）

固定电压法是20世纪80年代中期由日本学者 Sakutaro Nonaka 提出的一种MPPT 控制算法。其原理是：通过大量实验证明，当温度恒定时，太阳能电池在不同光照强度下的最大功率点处的输出电压相差不大，可以看作是近似的恒定不变，约为其对应的开路电压的 76%，这样就大大简化了最大功率点跟踪控制器的设计，人们只需要从太阳能电池生产商处获得开路电压的数据并使阵列的输出电压控制在开路电压的 76%处即可。固定电压法比一般的直接耦合工作方式要有利的多，能多获得 20%的电能。但是由于太阳能电池并没有真正的工作在最大功率点处，而是近似的工作在最大功率点附近，因为这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，所以固定电压法只是一种近似的最大功率点跟踪方法并不是真正的最大功率点跟踪方法（时剑，2009）。当温度发生剧烈变化时，太阳能电池的输出特性也会随之发生改变，最大功率点处的输出电压也会发生较大改变，这样就会使太阳能电池的工作点很大的偏离最大功率点，从而造成更大的功率损失。它控制简单，易实现，可靠性高，系统不会出现振荡，有很好的稳定性，可以方便地通过硬件实现，然而控制精度差，特别是在在四季温差或日温差比较大的地区使用时，必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。随着光伏系统控制技术的微处理器化，该方法将逐渐被新的方法所取代（徐鹏威，2007）。

2.5.5 扰动观察法

扰动观察法是目前实现MPPT 最常用的方法之一。其基本思想是：分别测量当前阵

列的输出电压和输出电流，计算得出输出功率，然后在原输出电压上增加或者减少一个小电压分量，测量出改变后的功率，比较前后功率变化大小，如果小于上一次的值，则说明本次控制使功率输出降低，就需要控制光伏电池输出电压按原来相反的方向变化，如果大于则维持原来增大或者减小的方向，如此反复的扰动、测量和比较，使太阳能电池工作点始终位于最大功率点处，从而实现最大功率点跟踪（杨东华，2011）。

扰动观察法的流程图如下图。

开始 读取V （k ），I （k ） P(k)=V(k)*I(k) 延迟 P(k),V(k)(k-1) 即时 P(k-1),V(k-1) △P=P(k) -P(k-1) △V=V(k)-V(k-1) △P>0 D=D+△D △V<0 D=D-△D D=D-△D D=D+△D

△V>0 N Y Y N N Y

图8 扰动观察法流程图

由流程图可以知道：分别测量计算得到光伏电池的输出功率k P 和1-k P ，比较两者的大小，若差值大于零，则说明扰动电压的方向正确，可以在参考电压REF V 加一个扰动电

压V ?。若二者的差值小于零，则说明扰动电压调整的方向错误，需要改变调整方向，即在参考电压REF V 减少一个扰动电压V ?。当参考电压增大时，若输出功率也增大，则太阳能电池的工作点位于最大功率点左侧，需要继续增大参考电压；若输出功率减小，则工

作点位于最大功率点右侧，需要减小参考电压。当参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于最大功率点的左侧，需增大参考电压；若输出功率增大，则工作点位于最

大功率点的右侧，需继续减小参考电压。这样太阳能电池的实际工作点就能无限的接近

最大功率点，最终在其附近振荡，但无法稳定工作在最大功率点上，造成一定的功率损

失。

扰动观察法实际上是一个功率寻优过程，在寻优过程中不断的调整参考电压。其优

点是算法简单可靠，对传感器精度要求不高，易于硬件实现。主要缺点是系统始终在扰

动，太阳能电池的工作点一直在最大功率点附近来回振荡，有一定的功率损失。而且它

的扰动步长V ?不好确定，如果V ?的值过大，虽然可以快速的跟踪最大功率点提高系统的响应速度，但实际工作点在最大功率点附近的振荡就会比较大，也就是功率损失会相

应的大。但如果 V ?的值过小，虽然实际工作点在最大功率点附近振荡的功率损失会降低，提高系统的精度，但系统无法快速的达到最大功率点，造成系统响应速度低下，进

而损失输出功率，使系统在较低的功率处工作时间较长，影响整个系统的效率。

2.5.6 电导增量法

电导增量法(Incremental Conductance Method)是通过光伏阵列输出端的动态电导值

与此时的静态电导的负数相比较，以判断调节光伏阵列输出电压方向的一种最大功率点

跟踪方法。电导增量法通过调整太阳能电池工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电

压来实现最大功率点的跟踪。而电导增量法避免了扰动观测法的盲目性，它能够判断出

工作点电压与最大功率点电压之间的关系（方建钢，2011）。

由光伏电池的P-V 特性曲线可知在最大功率点max P 处，有0/=dV dP 的关系，因为

I V P ?=m ax ，将其两边对V 求导，有：

dV dI I dV VI d dV dP +==)(，

令0=dV dP ，则有V

I dV dI -=。 这就是要达到最大功率点的条件，即太阳能电池的输出电导变化量等于此时的静态电导的负数时，太阳能电池位于最大功率点处，太阳能电池的输出功率最大。

下面是电导增量法的流程图。

开始

测量k V ，k I 计算dI ，dV 0=dV 0=dI V I dV dI //-= V V V REF REF ?+= V V V REF REF ?-= V V V REF REF ?+= V V V REF REF ?-=

V I dV dI //-> 0>dI N Y Y Y Y N Y N N N

图9 电导增量法的流程图

从流程图跟太阳能电池的P-V 特性曲线可以看出：当V I dV dI //->，即0

/>dV dP 时，此时太阳能电池的工作点位于此刻最大功率点的左侧，没有到达最大功率点，需要

继续增大参考电压；当V I dV dI //-<，即0/

电导增量法避免了扰动观察法对工作电压调节的盲目性，而是通过测量和比较光伏

阵列输出端的动态电导值与此时的静态电导的负数值的大小，用以判断调节光伏阵列输

出电压方向，能够适应周边环境的快速变化，具有较高的控制精度，不会出现扰动观察

法工作点在最大功率点附近来回振荡而造成功率损失的情况。但是电导增量法要求硬件

精度高，需要借助微处理器来进行运算还需要很精确的传感器提供测量参数，因此整个

系统具有较大的复杂性和费用。

3 理论分析及设计

在这一章里面，主要对太阳电池的模型进行了仿真，然后对其特性曲线做分析。

3.1 太阳能电池模型的仿真

下面图10是太阳能电池的仿真模型，由于在Simulink 里面没有太阳能电池的部件，

因此，为了能够在Simulink 里面能够对MPPT 算法进行仿真，那么首先就必须建立太阳能电池的模型，以供调用(茆美琴，等，2005)。

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 2011年12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言 日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性 A. 物理数学模型 根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。 其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A；

n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻； 式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响 受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。 由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化可以看出。

光伏电池及其最大功率点跟踪讲解学习

光伏电池及其最大功率点跟踪 1光伏电池 1.1 光伏电池简介 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能即时转化为电能的器件。当太阳光照在半导体p-n结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子--空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，这使得相应区域的主载流子的浓度在靠近p-n结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得主载流子朝着外部接触面的方向扩散，导致外部端子上产生电压，接通电路后就形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有0.5V左右，常见的单体电池输出功率一般在1W左右，一般不能直接作为电源使用。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。因此在实际应用中，将若干光伏电池单体串并联并封装起来成为有比较大的输出功率（几瓦到几百瓦不等）的太阳能电池组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列，可以作为大型光伏并网逆变器的功率输入。 图2.1 太阳能电池单体、组件、方阵示意图

1.2 光伏电池数学模型 光伏电池的数学模型[12]可以由图2.2所示的单二极管等效电路[13]来描述。 图中L R 为光伏电池的外接负载，负载电压为L U ，负载电流为L I 。s R 和sh R 为光伏电池内阻。s R 为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻以及电极电阻等；sh R 为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层内的复合电流等。VD I 为通过p-n 结的总扩散电流。sc I 代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积和本体温度T 。 L I L 图2.2 光伏电池的单二极管等效电路 )1(0-=AKT qE D VD e I I (2.1) 式中0D I 为光伏电池在无光照时的饱和电流。 旁路电阻两端电压s L L sh R I U U +=，流过旁路电阻的电流为 ()sh s L L sh R R I U I /+=。 由以上各式可得负载电流为： sh s L L AKT R I U q D sc L R R I U e I I I s L L +-??? ? ??--=+1)(0 (2.2) 一般s R 很小，sh R 很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性：

光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计【文献综述】

毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计 1前言部分 随着社会生产的日益发展，人们对能源的需求每天都在增加，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，25年间增长了69.7%，到2020年，全世界对能源的消耗预计将达到195亿吨标准煤。如果人类对能源的需求以目前的速度增长，根据公式计算，全世界的石油将在40年后被消耗殆尽，天然气和煤业最多能维持60年和200年左右。由此可见，研究和开发新能源的需求十分迫切，采用新能源和可再生能源不仅能解决能源短缺的问题，还能保护生态环境，减少污染，是走经济社会可持续发展的重大措施。太阳能资源丰富、分布广发、可再生、无污染，是当今国际社会公认的理想能源替代品[1]。能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180到1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800到152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在60年内枯蝎;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济[2]。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发，它的爆发将具有爆炸性[3]! 当今世界太阳能光伏技术的利用，特别是在非洲、美洲、澳洲、亚洲各国，其增长幅度相当大，只要原因是近几年来太阳能电池、电力电子及微电子技术的快速发展，以及人们环保意识的不断增强[4]。太阳能发电与其他发电系统相比具有许多优点： 1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能量 的6000倍。

太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

第31卷 　第4期 2008年8月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31　No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨　帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜　燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨　帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.sodocs.net/doc/1717263912.html,. 摘　要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优 缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。 关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪 中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。 最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经 济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1　太阳能电池的伏安特性分析 太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言 日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，而且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常见的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性

A. 物理数学模型 根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。 其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，一般其数量级为10-4A； n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（ K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻；

式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响 受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。 由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化能够看出。

光伏发电系统中的最大功率点跟踪

光伏发电系统中的最大功率点跟踪 摘要：所谓MPPT(最大功率点跟踪)，即是指控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使得光伏组件工作在最大功率点输出状态下，实现光伏逆变器的最大功率输入，提高阳光的利用率。 光伏电池输出特性具有明显的非线性,受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪 (MaximumPowerPointTracking ，简称MPPT)显得非常重要。 太阳能光伏并网发电系统 太阳能电池原理 太阳能电池由硅半导体PN 结构成，在硅半寻体中从硅原子的价电子层中分离出一个电子需要一定的能量，该能量称为硅的禁带宽度（在室温下硅的禁带宽度为1.12eV ），当一定强度的光照射到硅半导体时，能量大于硅的禁带宽度的光子将使硅半导体中的价电子受到激发而成为自由电子，从而在半导体内形成光生电子－空穴对，这些电子－空穴对由于热运动会向各个方向扩散。当这些电子、空穴扩散到PN 结边界时在内建电场作用下，在N 区的电子－空穴会进入P 区，而在P 区的电子则在电场作用下进入N 区，从而在PN 结的两侧产生正负电荷的积累，使P 型层带正电，N 型层带负电，因此在PN 结上产生了电动势。这个现像被称为“光生伏特效应”。 R 光照 图错误!文档中没有指定样式的文字。.1光伏电池原理 太阳能电池特性 目前光伏系统中使用的电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜电池，这些硅电池的输出具有强烈的非线性特性，他们的输出受太阳光照强度、环境温度以及负载的影响，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2所示是在恒度温度下，不同光照强度时太阳能硅电池的输出特性。

太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

第31卷　第4期 2008年8月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31　No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨　帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜　燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨　帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.sodocs.net/doc/1717263912.html,. 摘　要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优 缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。 关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪 中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。 最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经 济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1　太阳能电池的伏安特性分析 太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一

最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用

最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用3X 赵庚申33,王庆章 (南开大学光电所,天津300071) 摘要:对最大功率跟踪控制中DC2DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC2DC转换电路和单片机控制系统实现最大功率点跟踪,使太阳电池始终保持最大功率输出;和普通的控制器相比增加输出功率5%～15%。 关键词:光伏(PV);最大功率点跟踪(MPPT);DC2DC变换器 中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0820813204 T racing and Control of Maximum Pow er Point in a PV System ZHAO G eng2shen33,WAN G Qing2zhang (Institute of Photoelectronics,Nankai University,Tianjin300071,China) Abstract:Principle and control method of DC2DC conversion for MPPT in a solar cell system experi2 mentally discussed.MPPT was implemented with a DC2DC conversion circuit and a MCU control system,and more output power of5to15percent than common control mathod was achieved. K ey w ords:photovoltaics system(PV);maximum power point tracking(MPPT);DC2DC conversion 1　引　言 独立光伏系统一般是由储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压,而对蓄电池的充放电控制则是通过监控蓄电池的电压实现,控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出。但太阳电池的最大功率点是变化的。当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时,就会浪费一部分能源。因此,为了有效利用太阳能,就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出;同时将蓄电充电电压限制在一定的范围,以保证蓄电池有稳定的电压。在并网发电光伏系统中,通过跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出,可以随时将系统富裕的电能馈送到常规电网,最大限度地利用太阳能。 DC2DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路,被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[1]。用DC2DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。实际使用中用DC2DC变换器实现MPPT有不同的方法,其中谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压,通过电感、电容产生谐振,电感上的电压通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流,实现MPPT,但线路较复杂,需用中间变压器,本文将DC2DC变换器接入太阳电池的输入回路,并将对DC2DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC2DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳电池的输出电流,从而使蓄电池电压保持恒定。同时通过控制开关管的占空比也可调节太阳电池输出。由于采用了升降压式(buck2boost)DC2DC转换电路[2]来实现MPPT,所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活。 2　MPPT原理和控制方法[3] 2.1　升降压式DC2DC变换电路 升降压式DC2DC转换电路原理如图1。在开关管Q1处于导通状态时,电源给电感L充电,L上的 光电子?激光 第14卷第8期　2003年8月 J ournal of Optoelectronics?L aser Vol.14No.8　Aug.2003 X收稿日期:2003203212 　3　基金项目:“十五”国家重大科技攻关资助项目(2002BA901A44) 　33E2m ail:zhaogs@https://www.sodocs.net/doc/1717263912.html,

分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率

如何利用分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率 太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。 如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。 部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响： 当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。本文来自环球光伏网 光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。 当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。 当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。图 1 显示了具有集中式最大功率点跟踪系统( MPPT) 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配

最大功率跟踪原理及控制方法

最大功率跟踪原理及控制方法 2.1最大功率跟踪原理 太阳能电池的输出特性如图一所示，从图中的P/V特性曲线可以看出，随着端电压的增加输出功率先增加后减小，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率，因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称之为最大功率点跟踪-MPPT。 图一光伏电池的特性曲线 2.2 最大功率跟踪的控制方法 MPPT的控制方法：光伏系统中的最大功率点跟踪的控制方法很多，使用最多的是自寻优的方法，即系统不直接检测光照和温度，而是根据光伏电池本身的电压电流值来确定最大功率点。这种方法又叫做TMPPT(True Maximum Power Point Tracking)。在自寻优的算法中，最典型的是扰动观察法和增量电导法。本论文使用扰动观察法，扰动观察法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动端电压来寻找MPPT，其原理是周期性地扰动太阳能电池的工作电压值( ),再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向(+ )扰动；若输出功率值减小，则往相反(- )方向扰动。通过不断扰动使太阳能电池输出功率趋于最大，此时应有[8]。此过程是由微处理器即C8051F320控制完成的。 3、系统的总体结构 3.1系统的结构图 系统的结构图如图二所示。其中单片机要采集太阳能电池的输出电压和输出电流及蓄电池的充电电流和开路电压，通过一定的控制算法（即改变占空比），调节太阳能电池的输出电压和电流，从而实现太阳能电池在符合马斯曲线的条件下以最佳功率对蓄电池充电，系统的硬件主要由核心控制模块、采样模块、驱动模块、升压式DC/DC变换器模块组成。

最大功率点跟踪(MPPT)

电子知识 最大功率点(2)MPPT(14) MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。 要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压(Vpp)大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，(有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊)在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大

的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。 理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。 从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器 为什么要使用MPPT ? 太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率(U*I)就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。 如果没有最大功率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够在任何情况下都达到最佳(大)值，这样就降低了太阳能电池组件的利用率。 IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。 IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析

最大功率跟踪控制原理

最大功率跟踪的控制原理 最大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种： （1）恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低； （2）爬山法，通过周期性的不断的给太阳电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境； （3）导纳微分法(又称增量电导法)，认为太阳电池阵列的的最大功率点处，输出功率对输出电压的一阶倒数等于零。因此在环境光强发生改变时，根据dI/dV的计算结果是否等于－I/V，决定是否继续调整输出电压，既可实现最大功率点的跟踪。该方法相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性。 上述三种方法各有特点，但是都不同时具有低成本、高稳定性、快速追踪的特性。第一种方法只是粗略估计了最大功率点的位置，在光强变化到很大或较小时都会产生很大的误差。后两种方法本质上都是通过判断当前工作点是否处于最大工作点来决定是否继续调整及调整的方向，因此最终的结果是逆变器始终工作在最大功率点的左右，来回振荡，而不是真正的工作在最大功率点处，反应在太阳电池阵列的输出上就是，太阳电池阵列的输出电压或电流总是以一个直流电平为中心上下跳跃，波形很不稳定，而且在光强变化速度较快时，不能及时反应。 三、太阳能电池功率追踪访法及算法 扰动观察法是目前太阳能电池最大功率追踪技术中最为成熟以及被采用最多的方法，其系统方块图如图12所示。由图中可以很明显的看出此法的硬件需求较少，模拟／数字转换器节省得相当多，因此在制造的成本上将大为降低。扰动观察法之缺点在于最大功率追踪过程中，当大气条件迅速改变时，由于响应速度未能因应调整，会使追踪的速度变缓，造成功率的损失，不过此一缺点可以用软件技术来加以改善，赋予系统自我调整响应速度之功能，这也是本文的研究重点，亦即以软件算法来达到太阳能电池最大功率的追踪，并分析系统操作于较高频率下，其追踪的性能。 依电路理论而言，当太阳能电池的等效输出阻抗等于负载端的等效输入阻抗时，太阳能电池所送出的功率为最大，这就是最大功率转移定理。因此当太阳能电池模块串接直流－直流转换器之后如图13，若要得到太阳能电池的最大功率，则转换器的输入阻抗必须和太阳能电池的输出阻抗相等，但是太阳能电池的输出功率受到大气条件的影响，使得其等效输出阻抗并不会固定在某一定值。对转换器而言，其输入阻抗是随着工作周期的改变而有所不同，所以转换器若要维持太阳能电池于最大功率下操作，就必须随时地调整其工作周期。 图片附件: fig12.JPG (2006-3-23 23:42, 26.31 K)

(完整版)光伏阵列最大功率点跟踪毕业设计

二○一二届学生毕业论文（设计）存档编号： 毕业论文(设计) 论文题目光伏阵列最大功率点跟踪（英文）Maximum power point tracing in photovoltaic system 学院物理与信息工程学院 专业测控技术与仪器 姓名周豪 指导教师周荣政 2012年 5 月20号

摘要 随着世界各国经济社会的发展，绿色可持续利用的能源得到越来越多国家的重视，太阳能因为其独特的优势而得到世界各国的广泛青睐。但是因为广泛发电的核心光伏电池受外界环境因素影响较大，其次，光伏电池的光电转换效率普遍较低且价格昂贵，再者光伏发电系统的前期投入较大，为了提高太阳能的普及面，提高效率减少材料所造成的污染问题，必须对光伏发电系统加以有效的控制。本论文着重对光伏阵列常用的几种的最大功率点跟踪控制技术进行了简要的理论分析，并建立了MATLAB仿真模型，通过实验验证比较相应的控制策略的优缺点。 首先，本文简要的对光伏电池的电气特性进行了分析，建立了光伏电池的仿真模型。同时，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）进行了简要的分析，在实验的基础上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。总结这些方法各自优缺点，在实际应用中应根据具体环境选择合适的跟踪方法。 然后，本文对光伏发电系统进行了简要分析，光伏发电系统主要核心模块包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。本位分析重点侧重光伏电池和最大功率点跟踪，系统其它部分简要提及。 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；

最大功率点跟踪方法

3.5传统的最大功率点跟踪方法 3.5.1 定电压跟踪法 通过图3-10a 、3-10b 可知，当辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P -U 曲线上最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。定电压跟踪法正是利用这一特性。根据实际系统设定一个恒定不变的运行电压，使系统在设定的电压下运行，从而尽可能使系统输出的功率最大。在外界环境变化不大时，可以近似认为太阳能电池始终工作在最大功率点处[24]。mpp U 表示光伏阵列的最大功率点电压，oc U 表示光伏阵列的开路电压，经研究发现，mpp U 和oc U 有着近似的线性关系： mpp OC U k U ≈ (3.14) 式(3.14)中，k 为比例系数，取决于光伏电池的特性，一般其取值为0.8左右。 该算法结构简单，容易实现，但是由于该算法只是一种近似的MPPT 控制算法，在外界环境发生变化时，很容易偏离最大功率点。因此，电压跟踪法常用在控制要求低，成本低廉的简易系统中[25]。 3.5.2 电导增量法 根据光伏阵列的P-U 输出特性曲线可知，它是一条连续可导的单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零，也就是说，最大功率点的跟踪实质就是搜索满足0dP dU =条件的工作点。考虑光伏电池的瞬时输出功率为： P UI = (3.15) 将上式两边对光伏电池输出电压U 求导，则 dP dI I U dU dU =+ (3.16) 当0dP dU =时，光伏电池的输出功率达到最大。则可以推导出工作点位于最大功率点时需满足以下关系： d I I d U U =- (3.17) 即当光伏电池阵列工作在最大功率点时，需满足(3.17)式。 电导增量法的优点是与太阳能电池组件特性及参数无关，因而能够适应光照强度快速变化的情况，而且该方法的电压波动小，并具有较高的控制精度；其缺点是该方法实现起来复杂，并且容易受到其他信号的干扰而出现误动作。一般情况下dI 和dU 值取的很小，那么就需要光伏阵列输出电压、输出电流等参数的采

最大功率点跟踪(MPPT)基本原理

最大功率点跟踪（MPPT）基本原理 MPPT名词解释 MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。 MPPT 控制器 要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。 从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。 为什么要使用MPPT ？ 太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率（U*I）就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。

光伏系统最大功率点跟踪方法概要

由太阳电池的输出特性所决定，随着光照强度、温度等自然条件的改变，最大输出功率点也相应改变。为了提高光伏发电效率、降低成本，光伏发电系统必须考虑最大功率点的跟踪问题。 １太阳能电池的伏安特性 太阳能光伏阵列光照特性解析式如下［１］： Ｉ＝Ｉｇ－Ｉｄｅｘｐ ｑ（Ｖ０＋Ｉ０Ｒｓ" ）－#$ １－Ｖ０＋Ｉ０Ｒ ｓｓｈ （１）式中：Ｉ０，Ｖ分别为太阳能电池的输出电流和输出电压；Ｉｄ为二极管饱和电流；Ｉｇ为光生电流；ｑ为电子的电荷量（１×１０－１９Ｃ）；Ａ为二极管特性因子； Ｋ为波尔兹曼常量（１．３８×１０－２３Ｊ／ｋＷｈ）；Ｔ为太阳能 电池温度；Ｒｓ，Ｒｓｈ分别为太阳能电池的串联、并联 电阻。 对于太阳能电池来说，式（１）中的（Ｖ０＋Ｉ０Ｒｓ）／ Ｒｓｈ数值很小，可以忽略不计。Ｉ—Ｕ特性可近似表 达为 Ｉ＝Ｉｓ－Ｉｄｅｘｐ ｑ

（Ｖ０＋Ｉ０Ｒｓ" ）－#$ １（２） 开路状态时，Ｉ＝０，Ｕ＝Ｕｏｃ；短路状态时，Ｉ＝Ｉｓｃ， Ｕ＝０；在最大功率点，Ｉ＝Ｉｍ，Ｕ＝Ｕｍ，ｄＰ／ｄＵ＝０。 根据系统在最大功率点处和开路状态下的条件，最后可以求得太阳能电池阵列的体系模型。Ｉ－ Ｕ特性、 Ｐ－Ｕ特性都是温度和光强的函数，它们都随这２个因素的改变而变化，其中，温度主要影 响输出电压，光强主要影响输出电压。 ２最大功率点的跟踪方法 为追踪光伏系统的最大功率点，我们在参考 国内外经验和方法的基础上，依据太阳能电池的 Ｉ－Ｕ和Ｐ－Ｕ输出特性，得出下列最大功率点的追 踪方法。 ２．１恒定电压跟踪法 收稿日期：２００６－１１－０１。作者简介：李 玲（１９８０－），女，硕士研究生，从事光伏技术的应用和研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｎｇ１３８８８６３４６６０＠１２６．ｃｏｍ 光伏系统最大功率点跟踪方法