独立光伏发电系统及其MPPT的研究
摘 要
太阳能作为一种新兴的绿色能源，,以其取之不竭、用之不尽、无污染等优点，受到人们越来越多的重视。光伏发电是充分利用太阳能的一种有效方式之一。由于目前光伏电池板的价格比较高，转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。
作为光伏发电系统的核心部件，,光伏电池的输出功率的大小代表了光伏发电系统性能的优劣。但因受到外界条件影响，光伏电池输出功率并不是一直保持在最大状态下，所以当其产生变化时应进行实时准确的跟踪。影响最大功率输出的因素主要是光强和温度，当外界因素发生变化时，就必须利用最大功率点跟踪技术实时跟踪光伏电池阵列的输出，使得光伏电池阵列输出最大的功率。
本文在介绍光伏阵列输出特性及其仿真模型的基础上提出了最大功率点跟踪的方法和原理并介绍常见 MPPT 方法。建立了以 Boost 电路为核心实现独立光伏发电系统 MPPT 的仿真模型，在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。
关键词:光伏 并网发电 最大功率点跟踪 Boost MATLAB仿真
1. 光伏发电系统的基本原理及组成
光伏发电系统是指能够将太阳光能转化为高品位能源——电能的装置，根据光伏系统和电网的关系，又可以分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏系统的系统结构如图1.1所示。一套基本的独立光伏发电系统一般是由光伏阵列、DC/DC 变换电路、MPPT 控制器及其负载构成。
图1.1独立光伏发电系统的结构
1.1. 光伏阵列
由许多光伏电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百峰瓦，也可达数个兆峰瓦甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的光伏电池组成。一般来说，光伏阵列由于为半导体器件构成，其特性具有强烈的非线性。
1.2. DC/DC 变换电路
光伏阵列发出的电能为随天气、环境、负载等变化而不断变化的直流电能，其所发的电能的质量和性能很差，很难直接供给负荷使用，需要使用由电力电子器件构成的变换电路将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能，同时
光伏阵列的最大功率点跟踪技术也必须通过 DC/DC 变换电路来实现。
1.3. MPPT 控制器
由于光伏阵列具有强烈的非线性特性，通常都引入了光伏电池最大功率点跟踪(MPPT-Maximum Power Point Tracking)控制技术，在后面将予以进一步讨论。 2. 光伏阵列特性及其仿真模型的研究
光伏发电首先要解决的问题是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是利用 半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射直接转换为电能的转换器件。由 若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率 的光伏阵列。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响 较大，为了研究外界环境变化对其输出特性的影响，为后面研究光伏阵列的最大 功率跟踪技术奠定基础，这就需要建立光伏阵列的仿真模型。
Matlab/Simulink 仿真工具可用于复杂系统的仿真，由于其强大的功能和方便、快捷的模块化建模环境而日益受到人们的重视。本章重点讨论有关光伏电池以及光伏阵列的工作原理及数学模型，在此基础上建立了光伏阵列的 Matlab 仿真模型。
2.1. 光伏电池的工作原理
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能量转换器，就是光伏电池。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。
图2.1光生伏打效应简图
如图2.1所示，当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向 N 型区移动，使 N 型区带负电，同时空穴向 P 型区移动，使 P 型区带正电。这样，在 PN 结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。
2.2. 光伏电池等效电路分析
为了在光伏发电系统的设计中，更好的分析光伏阵列的电性能，更好的使其与
光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池之等效电路如图2.2所示：
图2.2光伏电池等效电路图
由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方程：
IL?Iph?ID?UDRsh 对光伏电池等效电路进行分析可以发现：串联电阻RS 越大，则短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻Rsh越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。由于为数千欧姆，因此,在下面的讨论中将忽略Rsh，得到简化的光伏电池输出特性方程：
2.3. 光伏阵列仿真模型的建立
光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其
I-V特性是日照强度、环境温度和光
伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统及其 MPPT 的仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源。
由于Matlab 在数学建模以及与其Simulink 仿真工具的无缝结合使得用户可以利用 Matlab 丰富的资源，建立仿真模型，本文选择 Matlab 软件建立光伏阵列基于其物理机制的仿真模型。
在以上公式中的未知量有Iph、I0以及Rs，下面对这三个未知量进行讨论，分别建立模型。
1. 求解光生电流Iph 根据公式
建立光生电流Iph子模块如图2.3所示。