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摘 要
放眼世界，伴随着能源危机和环境问题的不断加剧，清洁能源的发展进程正被大大推进。太阳能作为一种新能源以其无污染、安全可靠、易获取等优点越来越受到人们的青睐。无论从近期或远期、从能源环境角度或从边远地区和特殊应用领域需求的角度考虑，太阳能发电都极具有吸引力。未来十年，发展中国家能源需求增量占全球增量的85%左右，消费重心逐步东移。又及国家能源发展“十二五”规划，光伏发电系统的研究领域可谓炙手可热。
本文通过对光伏发电系统的理论研究学习，建立了完整的光伏发电系统体系，清晰说明了光伏电池在不同光照强度、不同温度下的电压、功率输出特性，并对光伏发电中最大功率跟踪做出了详细分析与实现。研究的重点是光伏发电系统的控制技术以及在MATLAB/SIMULINK仿真环境下的仿真结果，分别对光伏电池进行了数学和物理建模来讨论温度和光照对发电情况的影响，详细分析了最大功率点跟踪方法，且对电导增量控制提出改进，得到变步长扰动控制法，配合DC-DC电路讨论了在独立发电系统下MPPT的控制，并建立了仿真模型，展现了具体的控制策略。
独立光伏发电系统能满足偏僻地区的供电要求，应用前景很广阔，本文对离网光伏发电系统的理论研究具备可行性与实用性于一身，具有极大的实际价值。
关键词：光伏电池；MPPT算法；DC-DC电路； MATLAB仿真
目录
第1章 绪论 1
1.1设计目标及意义（含国内外研究现状分析） 1
1.2基本内容与技术方案 2
1.2.1光伏电池板种类及工作原理 2
1.2.2计算电池板块数及组合方式 2
1.2.3 系统模型的建立 2
1.2.4研究MPPT算法 3
第2章 光伏发电系统概述 4
2.1光伏电池基本原理概述 4
2.1.1 光伏电池的定义 4
2.1.2 光伏电池的分类 4
2.1.3 光伏电池的工作原理 4
2.2光伏电池的等效电路及数学模型 5
2.3光伏发电系统的组成 6
2.4光伏发电系统的分类 7
2.4.1独立光伏发电系统 7
2.4.2 并网光伏发电系统 7
2.4.3风/光互补型发电系统 9
第3章 光伏电池建模与仿真 10
3.1 基于等效电路图的光伏电池建模 10
3.1.1光伏电池原件建模 10
3.1.2试模拟等效可变电阻建模A 11
3.1.3试模拟等效可变电阻建模B 12
3.1.4试模拟等效可变电阻建模C 13
3.2 基于数学模型的光伏电池建模 15
3.3 光伏电池模块仿真结果分析 17
3.4 温度和光照强度对光伏电池输出的影响 18
第4章 光伏发电系统的控制技术 20
4.1 MPPT算法概述 20
4.2 电导增量法 20
4.2.1电导增量法原理 20
4.2.2电导增量法改进 21
4.3 最大功率跟踪系统建模 22
4.3.1电导增量法建模 22
4.3.2PWM脉宽调制建模 23
4.3.3Boost升压变换器建模 23
4.3.4光伏发电系统整体建模 24
4.4 系统建模原理分析 25
第五章 结论 27
致谢 29
参考文献 30
附录 31
基本内容与技术方案
1.2.1光伏电池板种类及工作原理
太阳能电池通过光化学效应或者光电效应把光能转化成电能，其中太阳能光伏电池（简称光伏电池）大多数都是直接以硅为基底，主要可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅这三种，在使用寿命和能量转换效率等等一些综合性能方面，多晶硅和单晶硅电池要优于非晶硅电池，而单晶硅电池转换效率比多晶硅更高。当光线照射在光伏电池表面时，一部分光子会被硅材料所吸收，部分光子的能量会传递给硅原子，使电子跃迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，在外部接通电路后，将会有电流通过外电路产生一定的输出功率。这个过程的实质就是部分光子的能量转换成电能，即为光伏电池板的工作原理。
1.2.2计算电池板块数及组合方式
单块的光伏电池发电功率主要取决于日照强度、温度、负载阻抗、阴影等因素，而光伏电池板发电总功率还与光伏电池的串、并联组合有关。当光伏电池不当串联时，接收光照较弱的光伏电池温度较低，发电功率较小，可能会影响到整条串联电池组的发电功率；同样，当光伏电池不当并联时，发电功率不同的并联电池组两端存在的电压差可能会在电池板内部产生环流，也不利于电池板的最大功率输出。根据用户所需电量，考虑到每天有效日照时间、电池板铺设面积、电池充电效率、充电过程中的损耗等一些因素，可以计算出太阳能电池板的实际输出功率，得出所需电池板的块数。由于住宅表面各部分每天接收的日照强度与日照时间都不同，故除了需对单个光伏电池进行功率分析外，还需要根据数据统计和相关函数关系设计光伏电池板的组合方式以及在住宅表面的铺设情况，以达到最大的光能利用率，输出最大的发电功率。
以上为根据设计任务书要求做出的分析，实际情况上用户住宅每一面各个点的温度与其接受到的光照强度基本可认为是一致，不需要考虑不当串并联对整体输出功率的影响，只需在仿真阶段对整个系统进行最大功率跟踪即可。
1.2.3 系统模型的建立
基于Matlab软件建立光伏电池模型，对各项输出性能进行了仿真模拟后，在其基础上搭建包含MPPT算法在内的整个最大功率跟踪系统。由于对住宅的供电来源于日照，故必须加入蓄电池环节以保障在晚上无日照时对用户的供电稳定，系统由于增加了储能环节，在调度配合上更优秀，可以做到用电量低时储存电量，在用电高峰期释放储能为用户提供稳定供电的功能。该蓄电池环节在DCDC变换环节之后。最后结合最大功率跟踪环境建立含电堆、蓄电池、DCDC在内的系统级模型。
1.2.4研究MPPT算法
光伏电池发出的电需要经过DCDC变换后才能供给蓄电池与用户使用。将光伏发电领域中的“最大功率点跟踪”，即MPPT算法（Maximum Power Point Tracking）引入到DCDC转换环节中，它能够在系统中起到协调光伏电池板、蓄电池、负载的作用，更可以实时侦测光伏电池板的发电电压并且追踪到最高电压电流值，使系统一直以最大功率输出对蓄电池充电和对用户供电，从而提高输电的效率。理论上讲，加入了MPPT算法的太阳能发电系统会比传统系统的效率提高50%，即便有周围环境的影响与各种能量损失，最终效率也可以提高20%-30%。在系统建模中，MPPT算法被融入到PWM环节和DCDC环节中加以实现。
