基于MATLAB SIMULINK 光伏电池最大功率点跟踪算概要.docx
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基于MATLABSIMULINK光伏电池最大功率点跟踪算概要
本科毕业设计(论文)题目基于MATLAB/SIMULINK光伏电池最大功率点跟踪算法的研究最大功率点学院年级班级电气与自动化工程学院4年级YZ*****专业学号邱孙亚新杰中级自动化YZ*******学生姓名指导教师职称2013-05-20论文提交日期
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基于MATLAB/SIMULINK光伏电池最大功率点跟踪算法的研究摘要太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点,正在发展成为世界能源组成中的重要部分。
太阳能电池作为太阳能光伏系统的重要组成部分,它的光电转换效率直接影响着整个系统的成本与性能。
而光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响呈现出非线性,为了使光伏电池工作在最大功率点,进而更有效地利用太阳能,对光伏电池的最大功率点进行跟踪就显得尤为重要。
本文基于光伏电池的数学模型公式,在MATLAB的SIMULINK仿真平台下建立光伏电池模型,并基于BOOST电路建立光伏电池最大功率点跟踪控制仿真模型。
本文重点对常见的三种最大功率点跟踪(MPPT)控制(扰动观察法,电导增量法,改进的电导增量法)进行了理论分析并进行仿真研究,仿真结果证明了这三种最大功率点跟踪算法的可行性,通过对三种MPPT算法的仿真比较得出各自的优缺点。
关键字:
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光伏电池最大功率点SIMULINKBOOSTI
ResearchofPhotovoltaicCellsMaximumPowerPointTrackingAlgorithmBasedonMATLAB/SIMULINKAbstractSolarphotovoltaicpowergenerationisbecominganimportantpartofthewordenergyduetoitsrenewable,cleanandinexhaustible.Thesolarcellisanimportantpartofthesolarphotovoltaic(PVsystem,whosephotoelectricconversionefficiencydirectlyaffectsthecostandperformanceofthewholesystem.Andtheoutputcharacteristicsofphotovoltaiccellsareaffectedbysunlightintensityandenvironmentshowingnonlinearbehaviors.TomakephotovoltaicsystemworkinginthemaximumpowerpointofPVcell,andmakebetteruseofsolarsystem,isparticularlyimportanttotrackthemaximumpowerpointofPV.thispaper,itInphotovoltaiccellmodelisestablishedinMATLAB/SIMULINKplatformbasedonthemathematicalformulaofphotovoltaiccells.AndbasedontheBOOSTcircuit,aphotovoltaicmaximumpowerpointtrackingcontrolmodelisdesigned.Thispaperfocusesonthreepopularmaximumpowerpointtracking(MPPTcontrolschemes(perturbationandobservationmethod,incrementalconductancemethod,theimprovedincrementalconductancemethod,thetheoreticalanalysisandsimulationresearcharepresented,correspondingly.Thesimulationresultsprovethefeasibilityofthethreemaximumpowerpointtrackingalgorithm,comparingBythesimulationresultsofthreeMPPTschemes,theadvantageanddisadvantageofeacharedemonstrated.Keywords:
photovoltaic;maximumpowerpoint;SIMULINK;BOOST:
II
目录1.绪论....................................................................................................................11.1当今世界能源问题...............................................................................................................11.2研究最大功率点跟踪的意义...............................................................................................21.3本文主要研究内容...............................................................................................................21.4本文概述...............................................................................................................................32.带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统..........................................................42.1光伏发电系统.......................................................................................................................42.2太阳能电池...........................................................................................................................42.3升压斩波(BOOST)电路...................................................................................................52.3.1升压斩波电路原理........................................................................................................52.3.2升压斩波电路仿真........................................................................................................62.4PWM信号发生器.................................................................................................................82.5最大功率点跟踪...................................................................................................................92.6本章小结...............................................................................................................................93.光伏电池的工作原理.......................................................................................113.1半导体的物理基础.............................................................................................................113.2光伏电池的基本工作原理.................................................................................................123.3光伏电池的等效电路.........................................................................................................123.4光伏电池模型仿真与分析.................................................................................................143.5本章小结.............................................................................................................................184.最大功率点跟踪...............................................................................................194.1扰动观察法MPPT控制.....................................................................................................194.1.1定步长占空比扰动观察法MPPT控制原理..............................................................194.1.2定步长占空比扰动观察法仿真与结果分析..............................................................214.2电导增量法(导纳法)MPPT控制..................................................................................234.2.1定步长电导增量法(导纳法)MPPT控制原理.......................................................234.2.2定步长电导增量法(导纳法)仿真结果与分析......................................................25III
4.3变步长电导增量法MPPT控制.........................................................................................274.3.1变步长电导增量法MPPT控制基本原理..................................................................274.3.2变步长电导增量法MPPT控制仿真结果与分析......................................................294.4本章小结.............................................................................................................................31总结.....................................................................................................................32参考文献..............................................................................................................33致谢.....................................................................................................................34
1.绪论
1.1当今世界
当今世界能源问题
能源问题
进入20世纪,世界的能源结构主要由一次能源构成,其重要组成部分为石油、煤、天然气等化石能源。
这些化石能源在本质上是远古时候的古生物或者动物中存储的太阳能辐射能,经过数万年或者更久的时间逐渐演变为今天共我们使用的能源矿藏。
在古人类活动的几千年中,已经开始消耗这些化石能源矿藏,而在近代,经过几次工业革命之后,这些化石能源的消耗更是极具的增长,随着世界经济的快速发展,世界人口的极速增长以及社会生活水平的提高,人们对能源的需求与消耗也在不断增长,那么这些宝贵的一次性化石能源总有一天会消耗殆尽。
下图是根据2000年世界一次能源的探明存储量的柱形图[3]。
图1-1一次能源的探明剩余储量比较
根据图1-1我们通过2000年时候的视角来看,世界石油的储量按照当时的发展状况与开采速度仅仅能够开采45年,而中国只能开采15年;世界天然气可开采年限为61年,而中国只有30年;世界煤储量还可开采230年,而中国可开采81年;作为核能源的铀储量,世界可开采71年,中国仅可开采50年。
然而世界经济的发展速度日新月异,现在已经过去13年,也就是说中国的石油还可开采2年,天然气还可开采17年,即使煤储量较大也只可开采68年,世界能源危机早已迫在眉睫,只是我们一直没有真正的重视起来。
在一次化石能源的可开采量日趋耗尽的时候,我们发现作为可再生能源的太阳能资源
具有无穷大的可利用年限,只要太阳存在一天,我们就可以利用太阳能能源一天。
经过研
究和实践表明,太阳能具有能量丰富,分布广泛,可再生,无污染,无噪声等优点,是世界公认的理想的替代能源。
在日趋枯竭的能源危机和日渐破坏的环境形势之下,可再生无污染的太阳能等新能源终将代替传统的化石能源,给人类带来新的“篇章”。
1.2研究最大功率点跟踪的意义
太阳能电池是太阳能光伏发电的能量转换器,太阳能电池发电原理是基于半导体的光伏效应。
当太阳光照射在太阳能电池表面时,电池吸收光能,产生不平衡的电子-空穴对。
不平衡的电子-空穴对在电池的内建电场下,电子和空穴被分离在电池两端,那么电池两端就出现异性电荷的积累,产生光生电压,如果在电池两端接上负载,,负载上就会流过光生电流,进而获得功率输出。
太阳能电池直接把光能转换成电能[2]。
太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点,逐渐发展成为世界能源结构的重要组成部分。
人们通过研究,发明创造了把太阳能直接转换为电能的太阳能电池,在社会各行各业中得到广泛的使用。
无疑的太阳能给迫在眉睫的能源危机带来了一线生机,但是看似完美无缺的太阳能光伏发电也存在着其自生的一些缺点。
太阳能电池工作在不同的光照强度和环境温度下,其端电压会发生变化,导致其输出功率不稳定,产生很大的变化,所以太阳能是一种极不稳定的能源。
为了使太阳能电池在不同的光照强度和环境温度下输出尽可能多的电能,提高太阳能电池的工作效率就显得尤为重要,这就在太阳能电池研究的理论和实践中提出了太阳能电池最大功率点跟踪的问题。
本文就是对如何提高太阳能电池工作效率做研究。
就太阳能电池最大功率点跟踪问题查阅了相关资料,总结前人的研究成果,对太阳能电池最大功率点跟踪控制进行仿真设计研究。
1.3本文主要研究内容
由于太阳能电池的输出特性受光照、温度、负载等状态的影响,使得不同工作条件下太阳能电池最大功率点的位置也不同,为了更好的利用太阳能电池,使其在各种条件下都能发出最大的功率,人们根据其受外界环境温度和光照强度对太阳能电池输出特性的影响研究出了太阳能电池最大功率跟踪算法,通过对太阳能电池最大功率点跟踪控制,实现太阳能电池在各种环境下最大功率的输出,从而提高太阳能电池的工作效率。
本文利用MATLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池仿真模型,通过对太阳能电池进
行建模仿真,研究太阳能电池受不同光照强度和环境温度的影响,为了使太阳能电池工作在最大功率点,本文在详细分析太阳能电池最大功率点跟踪技术的理论基础上,针对当今社会运用比较广泛的扰动观察法最大功率点跟踪控制算法、电导增量法最大功率点跟踪控制算法和改进的电导增量法最大功率点跟踪控制算法进行建模仿真。
通过运用SIMULINK将整个带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统建立仿真模型,本文根据仿真分析了太阳能电池在外界光照强度、温度发生突变时的最大功率点跟踪情况,并根据仿真得出的太阳能电池输出功率波形分析三种太阳能电池最大功率点跟踪算法的优缺点。
1.4本文概述
本文共包括五个章节,具体安排如下:
第一章为本文绪论,讲述当今世界能源问题,在日益匮乏的传统能源形势下,发展可再生的清洁无污染的太阳能是非常必要的。
并对本文研究意义研究内容作解要介绍。
本文第二章对带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统作整体分析介绍。
本章给出了太阳能电池发电系统结构框图,并对系统里的各个控制模块的基本的原理进行分析,进而阐述其在整个系统中的作用。
第三章对太阳能电池的工作原理进行详细的分析,建立太阳能电池等效电路图,得出太阳能电池的数学模型公式。
根据模型公式在MATLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池的仿真模型。
通过仿真,观察在不同光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响,总结太阳能电池的工作特性。
第四章对本文研究的三种最大功率点跟踪算法(扰动观察法、电导增量法、改进的电导增量法)做原理分析,建立算法流程图,并根据原理和流程图建立算法的仿真模型。
最后建立带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统整体模型,并对三种最大功率点跟踪算法实现仿真。
通过仿真,观察太阳能电池输出波形,总结三种最大功率点跟踪算法的优缺点。
2.带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统
为了在限定的条件下有效利用光伏电池,使它发出更多的电量,输出最大功率,常常要在光伏发电系统中施加一个最大功率跟踪(MPPT)控制策略或算法,来实现负载与光伏电池间达到最佳匹配,本章将介绍带最大功率点跟踪控制的太阳能光伏发电系统,并针对整个系统的框架图下图给出每一个模块的相关介绍。
2.1光伏发电系统
下图所示为带有最大功率点跟踪(MPPT)功能的光伏发电系统结构图。
图2-1太阳能电池系统结构图
如图2-1所示的太阳能电池系统结构图,它包括太阳能电池模块、最大功率点跟踪(MPPT)模块、脉宽调制(PWM)信号发生器模块、升压斩波(BOOST)电路模块和负载模块。
在整个系统中,太阳能电池模块的输出为太阳能电池光生电流,光生电流连接到BOOST电路,作为BOOST电路的恒流源电源,为整个系统提供能量。
MPPT模块以太阳能电池输出的光生电流和光生电压(BOOST电路的输入端电压)为输入,提供MPPT模块输入信号,输入信号经过MPPT模块获得一个仿真步长,此仿真步长作为PWM模块的输入,连接PWM模块。
PWM信号发生器把输入信号与固定频率的三角波进行比较,输出以MPPT模块中获得的步长为脉宽的脉宽调制信号,此脉冲信号连接BOOST电路中的全控器件的门极,控制全控器件的导通和关断,实现对太阳能电池最大功率点跟踪控制。
在BOOST电路的输出端接入一定阻值的电阻作为系统的负载模块。
下面分别对各个模块做详细的功能介绍。
2.2太阳能电池
在带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统中,太阳能电池模块是至关重要的一部
分。
目前太阳能电池可分为硅太阳能电池和化合物太阳能电池,而硅太阳能电池中又可分为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
尽管太阳能电池的种类繁多,但是其工作原理与工作特性是一样的。
太阳能电池能够利用光电效应把光能转变成电能,该模块输出的光生电流,为升压斩波电路提供能量,替代升压斩波电路中的电源,进而为整个系统提供能量。
关于太阳能电池的原理和外界环境对太阳能电池输出特性的影响,本文将在第三章中做详细的介绍。
2.3升压斩波升压斩波((BOOST)电路
在太阳能发电系统中,由于其发出的直流电能是不稳定的,因此直流变换电路在光伏发电系统中是不可或缺的。
在本文中太阳能电池系统的直流-直流(D
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