太阳能光伏电池工程用仿真模型及其MPPT控制算法研究

摘要

在当今全球经济快速发展不断加剧能源需求与环境保护矛盾的背景下，光伏发电技术得到了广泛关注。实用的光伏电池仿真模型和高效的最大功率点追踪（MPPT）控制算法对光伏发电的推广应用具有十分重要的意义。论文主要对光伏电池建模和MPPT控制算法进行了研究。
　　在当前实际工程广泛使用的光伏电池4参数行为模型及相应的电池性能参数修正公式中，补偿系数采用推荐典型值时，得到的仿真曲线与光伏电池温度特性不符。针对这一问题，论文基于实际光伏电池数据手册中相关系数实测值和相关研究文献对补偿系数的调整结果，结合实际的仿真情况，提出了温度补偿系数的设置建议。针对现有电池仿真模型普遍存在移植难度大和参数设置不便等不足，论文基于Matlab/Simulink平台开发了封装成精装子系统的光伏电池工程用仿真模型，模型具有很好的可移植性和便捷性，满足工程应用需求。相应的仿真结果表明：按照论文所提的温度补偿系数设置建议对相应的系数进行设置，所开发的仿真模型对不同环境条件下的实际电池输出特性均能够较好地进行模拟。
　　在外界光照辐射强度快速连续变化情况下进行MPPT，功率预测法虽然能够成功避免误判现象的发生，但其追踪至系统最大功率点（MPP）附近时，因其单一的逻辑判断机制会使得系统功率在MPP两侧发生不必要的往返振荡现象，降低了系统的追踪效率，同时还使得追踪过程中系统的工作点与MPP发生较大的偏离，增加了不必要的功率损失。针对这一问题，论文对功率预测法进行了改进，引入了外界光照辐射强度变化剧烈程度判据和系统工作点位置判据，在原有算法的基础上增加了新的逻辑判断机制，依据外界光照辐射强度的变化剧烈程度和系统工作点位置选择合适的算法及相应的逻辑判断机制，通过多种逻辑判断机制的联合应用，在外界光照辐射强度快速连续变化情况下对系统的MPP进行快速准确地追踪。在系统工作点位置判据中，改进功率预测法通过设置功率阈值的方式将系统工作点位置划分为“MPP附近”和“远离MPP”两个区域，为了便于改进算法的推广应用，论文推导了功率阈值的计算公式。论文所提的改进功率预测法并没有增加算法的实现困难程度，便于工程实现，有较高的工程化应用优势。相应的仿真结果表明：所提的改进功率预测法能够很好地消除功率预测法的功率振荡现象，提高了整个MPPT控制系统的追踪效率，提升了整个光伏系统的经济效益。

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1 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 光伏电池仿真模型及其MPPT控制算法的研究现状

1.3 本文完成的主要工作

2 光伏电池工作机理及其MPPT控制机理分析

2.1 光伏电池的基本工作原理

2.2 光伏电池的特性

2.3 光伏电池MPPT控制机理分析

2.4 本章小结

3 光伏电池工程用仿真模型

3.1 光伏电池4参数行为模型

3.2 光伏电池性能参数对环境影响因素的修正

3.3 温度补偿系数的设置建议

3.4 仿真模型的开发

3.5 模型的可行性验证

3.6 本章小结

4 改进功率预测法在光伏系统MPPT中的应用

4.1 扰动观察法的误判现象

4.2 功率预测法的防误判原理及其功率振荡现象

4.3 功率预测法的改进

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目