太阳能光伏发电系统最大功率跟踪(MPPT)技术研究

摘要

随着现代社会的快速发展，人们对能源的需求与日俱增，同时，化石燃料的不断使用，对环境的污染日益严重，可再生能源的开发和利用，是解决能源需求、降低对环境的污染和提高人们的生活质量的必要的方法。太阳能光伏发电技术是一种主要的可再生能源利用技术，但是，受光照强度和温度的影响，光伏发电技术对太阳能的利用率较低，因此通过追踪光伏发电系统最大功率点（MPPT）使得功率达到最大显得尤为重要。虽然太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，但是由于太阳能发电系统制造成本较高，而且能量转换效率偏低，这极大地限制了太阳能发电系统的广泛应用。因此，如何提高光伏电池的转换效率成了研究的热点。根据光伏电池 U-P输出特性曲线可知，光伏电池的输出功率受环境温度和太阳能辐照度的影响较大，输出最大功率点随着温度和辐照度的变化而时刻变化。但某一时刻，温度和太阳辐照强度一定时，光伏电池有唯一的最大功率输出点；当温度和辐照强度变化会导致光伏电池的最大功率输出点发生变化， MPPT技术就是通过最大功率控制器，使光伏电池时刻工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。
　　目前，应用较成熟的 MPPT算法主要有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、爬山法、模糊控制法以及基于这些算法的改进算法。其中固定电压法控制简单、可靠性高、稳定性好、跟踪速度快、系统不易出现震荡等优点，但是该方法忽略了温度对太阳能电池输出功率的影响，控制精度差、难以实现自动跟踪；扰动观察法结构简单、容易实现，但是难以同时满足跟踪速度和稳定性，且容易产生误判现象；电导增量法最大功率跟踪性能较好，但其步长的选择较难，系统稳定性欠佳；模糊控制法稳态性能较好，但其在外界环境变化时，动态性较差。因此针对传统单一 MPPT算法无法兼顾动态性能和稳态性能的问题，人们开始将目光转向组合算法的研究上来。
　　本文采用Matlab/Simulink建立太阳能光伏电池模型，并以环境温度和太阳辐照强度作为输入参数，输出光伏电池工作电压和电流、电压和功率的关系曲线。根据光伏电池模型输出特性曲线可知，当表面温度和光照强度一定时，太阳能光伏电池的输出功率随着输出电压的增大呈先增大后降低趋势，且呈非线性关系，并且具有唯一的最大功率输出点。因此，通过调节光伏电池的输出电压，时刻保持系统负载工作在最大功率点上，使得光伏电池的转换效率大大提高。
　　最后，本文分析介绍了常见太阳能光伏发电系统最大功率跟踪技术，并通过MATLAB/Simulink仿真分析，分别对比研究了扰动观察法、电导增量法、模糊控制法跟踪光伏发电系统最大功率的输出特性。研究结果表明：与扰动观察法相比，组合算法跟踪稳定，控制精确度高；与电导增量法相比，组合算法响应速度快；与模糊控制法相比，组合算法跟踪效率高、响应时间快。综上所述，组合法较传统的MPPT控制方法具有响应速度快，控制精度高，稳定性良好等优点。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 光伏产业发展概述

1.3 MPPT技术国内外研究现状

1.4 研究内容及目标

第2章 光伏发电系统的数学模型及仿真分析

2.1 系统组成

2.2光伏并网发电系统

2.3光伏电池工作原理及特性

2.4光伏阵列仿真模型及输出特性分析

2.5 本章小结

第3章 MPPT技术及仿真分析

3.1 常见MPPT技术

3.2 遗传算法与模式搜索组合算法

3.3 本章小结

第4章 结论与展望

4.1结 论

4.2展 望

参考文献

致谢

附件A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附件B Matlab部分程序

附件C: 部分Simulink 模型