基于simulink的光伏電池組件建模和MPPT仿真研究摘要近年來，隨著社會經濟的發(fā)展進步，常規(guī)石油能源的過度使用導致全球能源危機，也使環(huán)境污染越來越嚴重。因此各國紛紛把目標轉向可再生、無污染的新能源，而光伏發(fā)電技術是目前廣泛應用太陽能發(fā)電的成熟技術，但因光伏發(fā)電效率較低、發(fā)電成本高等因素導致其發(fā)展較慢，可以采用最大功率點跟蹤來提高光伏發(fā)電效率。本文先闡述了光伏發(fā)電的國內外發(fā)展現(xiàn)狀與光伏MPPT算法的研究現(xiàn)狀，并對光伏電池的原理進行了分析，繪制了光伏電池的等效電路圖，根據原理和等效電路搭建了光伏電池模型，并利用該模型分析不同光照強度和環(huán)境溫度下的輸出特性，闡述了恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法三種常用的MPPT算法的原理，結合對不同控制方法的優(yōu)劣分析，最后決定使用電導增量法對光伏電池進行仿真建模，結合Boost升壓電路來完成MPPT控制。分析了電導增量法在恒定溫度下固定光照強度和不同光照強度的輸出結果。關鍵詞：光伏電池；simulink；電導增量法；最大功率點目錄TOC\o"1-3"\h\u11003摘要 [4]。在2014年的時候我國光伏電池產量達到33.5GW,幾乎壟斷全球光伏電池市場的三分之二。圖1-2是我國近七年的光伏總裝機容量變化。圖1-22018-2022光伏裝機總容量從2017年開始我國光伏裝機容量開始大幅度上升，得益于2016年國家發(fā)布政策中提出降低光伏電池的價格，擴大光伏發(fā)電規(guī)模。據國家能源局發(fā)布的最新文章表示，在2023年的前十個月，光伏發(fā)電量為4898萬兆瓦時。1-11月我國光伏新增裝機163.88GW，全年光伏新增裝機或將突破210GW，總裝機容量約為560GW。光伏發(fā)電現(xiàn)如今已經是我國新能源的重要支柱。1.2.2光伏MPPT技術國內外研究現(xiàn)狀雖然對光伏電池的研究已經超過一百年，但是依舊存在著光伏電池的光電轉換效率低的問題。光伏電池的最大輸出功率受到光照、溫度和地理位置的影響，會在不同時段表現(xiàn)出不同的輸出特性。為了確保光伏系統(tǒng)能夠在不同環(huán)境條件下始終工作在MPP附近，提高發(fā)電效率通常需要采取MPPT技術REF_Ref21532\r\h[5]。MPPT技術是提升光伏轉換效率的主要技術之一，MPPT技術在國內外都有一定的研究基礎與成果，MPPT算法可以分為傳統(tǒng)算法跟智能算法，隨著光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展衍生出許多MPPT算法。（一）傳統(tǒng)光伏MPPT算法：傳統(tǒng)MPPT算法有恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法，很多改進的算法是在傳統(tǒng)算法的基礎上發(fā)展而來的。文獻REF_Ref21721\r\h[6]引入光照變化率對其進行優(yōu)化，有效解決了擾動觀察法在面臨光照突變時可能出現(xiàn)的功率點識別錯誤。文獻REF_Ref21914\r\h[7]提出了動態(tài)步長擾動觀察法隨著追蹤時間的增加，步長呈現(xiàn)線性化，這一改進不僅縮短了響應時間，而且相較于傳統(tǒng)算法更有優(yōu)越的性能。文獻REF_Ref22149\r\h[8]把電導增量法與單模糊控制結合起來，提高了輸出功率縮小了震蕩范圍，功率損耗大大降低，光伏系統(tǒng)的工作性能得到了優(yōu)化。文獻REF_Ref26406\r\h[9]引入三階段變步長的擾動觀察法，通過動態(tài)調整步長實現(xiàn)對最大功率的快速跟蹤，有效減少了功率波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并在環(huán)境變化時表現(xiàn)出更強的適應性。文獻REF_Ref26471\r\h[10]通過在擾動觀察法這引入自適應步長因子，在減緩了20%的追蹤速度的同時，成功實現(xiàn)了輸出功率在最大功率附近保持，并將系統(tǒng)的整體輸出功率提高了30%，從而優(yōu)化了光伏系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。（二）智能光伏MPPT算法研究現(xiàn)狀：目前應用最廣泛的光伏智能MPPT算法有量子粒子群算法、蟻群優(yōu)化算法和鯨魚優(yōu)化算法等。文獻REF_Ref22492\r\h[11]提出基于蝴蝶優(yōu)化算法的MPPT，在傳統(tǒng)蝴蝶算法的基礎上在加入幾種優(yōu)化策略，利用蝴蝶間距來提高切換概率，在早期階段提升了全局搜索的可能性，優(yōu)化算法的后期階段，注重局部的搜索提高精度穩(wěn)定性。跟傳統(tǒng)算法相比提升了收斂速度，減小了功率震蕩。文獻REF_Ref22616\r\h[12]把旗魚優(yōu)化算法進行了雙種群的優(yōu)化改良，先用魚群快速追蹤到最大功率點，再利用步長擾動觀察法來對最大功率進行精確定位，該算法提升了跟蹤精度和響應速度。文獻REF_Ref24265\r\h[13]減少群體規(guī)模跟迭代次數來優(yōu)化傳統(tǒng)的PSO算法，迅速實現(xiàn)最大功率點追蹤。跟傳統(tǒng)算法相比提升系統(tǒng)工作效率，減少計算工作量。文獻REF_Ref26687\r\h[14]提出一種基于改進海鷗優(yōu)化算法的智能算法，但算法比較復雜，可以在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下，精確跟蹤全局最大功率點。文獻REF_Ref26808\r\h[15]利用鯨魚粒子群融合算法實現(xiàn)多峰MPPT，該算法結合了多種算法，提高了鯨魚算法在后期的收斂效率，有效克服了粒子群法容易陷入局部極值的弊端。文獻REF_Ref27467\r\h[16]綜合了Pso算法和P&O算法的優(yōu)勢，針對Pso算法采取了不同的改進措施，改善了智能算法的性能，在算法的后續(xù)階段使用P&O進行替代時，依然采用固定步長。1.3本文研究的主要內容及章節(jié)安排光伏電池是一種將太陽能轉化為電能的裝置，外界因素如光照和溫度對光伏電池的輸出功率產生負面影響，導致光伏系統(tǒng)未能實現(xiàn)最大功率輸出，進而影響了系統(tǒng)的轉換效率和發(fā)電效率。先基于光伏電池的物理模型和工作原理在MATLAB仿真軟件建立起光伏電池模型，對電池模型的輸出特性進行理論分析。闡述三種傳統(tǒng)的MPPT算法的優(yōu)劣后使用電導增量法的MPPT跟蹤策略，該算法具有控制精確、響應速度較快的優(yōu)點，在實際應用中得到了廣泛的應用。通過調整光照強度、溫度等參數，觀察光伏電池組件的輸出功率、效率等性能指標的變化，并評估MPPT算法對光伏電池組件性能的影響。第一章：緒論。綜合國內外相關書籍與文獻，闡述MPPT技術在光伏發(fā)電領域的研究現(xiàn)狀，同時概括了光伏發(fā)電的發(fā)展。第二章：光伏電池的輸出特性及仿真建模。介紹光伏電池的分類，搭建光伏電池模型，通過分析在不同環(huán)境條件下輸出曲線與標準環(huán)境條件下的輸出特性。第三章：光伏電池MPPT研究和分析。研究最大功率跟蹤技術的原理，同時對DC/DC電路中的升壓電路工作原理進行介紹，對比了恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法這三種代表性的MPPT算法，分析了它們的應有優(yōu)勢和不足。第四章：基于電導增量法的仿真建模及分析。以Boost電路為基礎，搭建電導增量法仿真模型，其中包含了光伏陣列模型、負載、DC/DC轉換器四個部分，分析標準環(huán)境時的曲線變化和光照強度變化時的曲線變化。總結與展望。對本章論文進行工作總結。第二章光伏電池的輸出特性及仿真建模2.1光伏電池的分類不同種類的光伏電池也會存在著轉換效率也有所不同。隨著光伏技術的發(fā)展，根據光伏電池所采用制造材料的不同，可以將光伏電池分為多個不同類型REF_Ref156655541\r\h[17]。如圖2-1。圖2-1電池分類根據當前全球各大企業(yè)研究和生產應用，光伏電池主要分為以下幾種：（1）單晶硅光伏電池是利用單晶硅材料制造的太陽能電池REF_Ref14017\r\h[18]。因此具有高效的轉換效率（22%左右）與穩(wěn)定性。單晶硅的壽命時間相對較長，通常可達25年甚至更長時間。單晶硅的制造過程相對復雜，增加了系統(tǒng)的總成本，隨著技術的進步與下降，成為了光伏市場上廣泛采用的一種太陽能電池。（2）多晶硅光伏電池是由提純的冶金級硅制成的太陽能電池REF_Ref14125\r\h[19]。多晶硅電池由于制造工藝相對簡單，造成其成本較低，但相應地轉換效率較單晶硅電池較低，通常在15%到18%之間。（3）非晶體硅光伏電池是利用非晶態(tài)硅材料制造的一種薄膜光伏電池，是一種具有不定形晶體結構的半導體。相較于單晶硅和多晶硅，其制造工藝更為簡化，所需求的硅材料量減少，同時單位電耗也顯著減低。非晶硅生產成本低、制造工藝簡單、材料用量少等優(yōu)勢。但是轉換效率低（約8%）、穩(wěn)定性差等缺點導致非晶體硅應用極少。2.2光伏電池的基本原理2.2.1光伏電池的工作原理光伏電池是利用光電效應直接將太陽能轉換為電能的裝置，目前廣泛采用的光伏電池類型為P-N結光伏電池。通過特定工藝，當在同一塊硅片上制作P型半導體和N型半導體時，在它們的交界面處就會形成一個PN結。當太陽光照射到半導體設備表面時，光子會激發(fā)半導體內部的電子和空穴，使他們進入不穩(wěn)定且非平衡狀態(tài)。在這種情況下，這些電子和空穴分別被帶正電的N區(qū)和帶負電的P區(qū)吸引，當這些電子和空穴分別受到內部電場的吸引，進入對面的區(qū)域時，就會形成由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流。如圖2-2所示。此時如果在外部接通電路便能產生電流用于對負載供電，從而輸出電能。圖2-2光伏電池工作原理圖2.2.2光伏電池的等效電路光伏電池的電路模型基于其物理原理建立，等效電路圖如圖2-3。圖2-3光伏電池電路等效圖基于光伏電池的工作原理可以把該等效模型視為由電流源Iph、二極管D、并聯(lián)電阻Rsh、串聯(lián)電阻Rs組成的電路REF_Ref14236\r\h[20]。在理想條件下，可以把RS看成為0、Rsh看成是無窮大的REF_Ref14402\r\h[21]。由圖2-2可知，光伏電池的輸出電流公式為(2-1):I=Ip??I在公式（2-1）中Iph為光生電流，即當太陽光照射在電池板上時，光伏電池內部會產生電流；ID為暗電流，即P-N結在反偏壓條件下，沒有入射光時產生的的反向直流電流；Rsh為旁路電阻，表示電池的消耗。根據KCL可知公式（2-3）、（2-4）：(2-2)(2-3)把公式（2-2）、（2-3）代入公式（2-1）得到光伏電流電壓表達公式：（2-4）在公式（2-4）中的各物理參數如表2-1所示。表2-1物理模型參數表參數含義取值I輸出電流AIo二極管反向飽和電流的數值AA二極管特性因子1-2k玻爾茲曼常數1.38×10-23J/KT電池的實際溫度°Cq電子電荷1.6×10-19CU電池的輸出電壓V在理想條件下，并聯(lián)電阻Rsh的阻值很大，而串聯(lián)電阻Rs的阻值卻遠遠小于二極管的導通電阻，為了便于電路計算，需要對對電路模型進行簡化，因此這兩個阻抗值可以忽略不計REF_Ref157282869\r\h[22]。公式（2-4）可以簡化成：（2-5）2.2.3光伏電池的數學模型從公式（2-5）可知，參數Iph、IO、A、Rs是受光照強度與溫度的的變化而發(fā)生變化的，因此在計算過程將會十分麻煩，在實際工程應用中會存在一定的局限性。可以利用電池廠家提供的技術參數來構建適用于工程應用的模型REF_Ref157370333\r\h[23]。設置Iph=Isc，在開路時，輸出電流I=0，輸出電壓U=Uoc，并且在最大功率點時有I=Im，U=Um，為了簡化公式推導，我們引入兩個中間變量C1和C2。把上述條件代入公式（2-5）可以表示為：（2-6）通過公式（2-6）我們可以獲得未知參數C1、C2的表達式：（2-7）（2-8）可通過公式（2-8）中的四個參數ISC、Um、Im、Uoc來制定C1、C2的數學模型，但在實際的光伏電站工程中，光伏電池所處的環(huán)境條件多種多樣、變化萬千的，因此在考慮外部環(huán)境時，需要綜合考慮到客觀因素的影響REF_Ref8544\r\h[24]。為了更精確的描述光伏電池在各種環(huán)境條件下的輸出特性，需要對上述光伏電池模型進行修正與優(yōu)化。本文所采用的修正方案如下所示：（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）（2-14）上式參數的取值與含義如表2-2所示。表2-2模型修正參數參數含義取值Tref標準環(huán)境條件下的溫度25°CSref標準環(huán)境條件下的光照強度1000W/m2a修正參數0.0025/°Cb修正參數0.5c修正參數0.00288/°C通過上述的公式可以確定的數學模型中只有Im、Isc、Um、Uoc這四個未知參數，通常在生產過程中由制造商進行標準，不會出現(xiàn)A、Iph、Io、Rs、和Rsh的參數。根據上述參數更容易在Matlab軟件中建立模型。2.2.4光伏電池的模型建立利用表2-2與表2-3的相關參數和2.2.3小節(jié)中的數學模型，在仿真軟件中建立起光伏電池的仿真模型。如圖2-4所示。圖2-4光伏電池仿真模型在標準的測試環(huán)境下（S=1000W/m2、T=25°C）采用的單個光伏電池參數如表2-3所示：表2-3單個光伏電池參數光伏電池參數數值開路電壓Uoc36.3V最大功率點電壓Um29V短路電流Isc最大功率點電流Im最大功率Pm7.84A7.35A213.15W依據上述的數學模型搭建了太陽能電池的仿真模型（圖2-1），并對其進行了封裝，如圖2-5所示。在不同條件和環(huán)境下對特性曲線進行分析，可以更好的了解光伏電池的輸出特性。圖中S是太陽光照強度端口，T是溫度變化端口。三個示波器分別輸出的是光伏電池的功率、電壓、電流。圖2-5光伏電池封裝模型2.3光伏電池的輸出特性分析2.3.1標準測試條件下光伏電池的輸出特性設定溫度T=25°C，光照強度S=1000W/m2時，在滿足標準環(huán)境要求的情況下，通過圖2-4和圖2-5的光伏電池數學仿真模型進行仿真，得到相應的P-U特性曲線與U-I特性曲線如下圖2-6（a）、（b）所示。（a）P-U特性曲線（b）I-U特性曲線圖2-6標準測試條件下的光伏輸出特性曲線從圖2-6圖中可以觀察到，在標準測試環(huán)境條件下，光伏電池的輸出特性曲線均呈現(xiàn)非線性特性。圖2-6（a）中隨著電壓緩慢上升功率也會逐漸增加，直到唯一峰值點。峰值過后，電壓與功率的值就急劇下降至0。圖2-6（b）中電流值幾乎不會發(fā)生變化，等效于恒流源。當出現(xiàn)唯一拐點時（30.4V、7.225A），電流隨著電壓的升高而緩慢降低到0。2.3.2溫度和光照強度對光伏電池輸出特性的影響光伏電池的輸出特性呈現(xiàn)非線性關系。為分析溫度和光照強度的變化對輸出特性的影響。在保持光照強度不變的情況下改變溫度，或者在保持溫度不變的情況下的同時改變光照強度，并記錄輸出特性的變化。當溫度保持為25°C不變時，光照強度分別為250W/m2、500W/m2、750W/m2、1000W/m2得到的光照變化輸出特性曲線如圖2-7。（a）光照變化時P-U特性曲線（b）光照變化時I-U特性曲線圖2-7光照變化的光伏電池特性曲線從圖2-7a中可以看出在相同溫度下，隨著光照強度的增加，光伏電池的輸出特性明顯上移。最大功率點、開路電壓與短路電流也隨著變化，光照強度對光伏電池的輸出功率和開路電壓的具有顯著影響REF_Ref14644\r\h[25]。隨著光照強度的增加，峰值點會逐漸上移最大功率點出現(xiàn)較為明顯的變化。當在不同的光照強度時峰值分別為46.9V、99.33V、156.7V、213.5V，光照強度變化為250W/m2，對應的輸出功率峰值變化約為57V。在圖2-7b中看出光伏電池溫度固定于25°C時，I-U特性的唯一拐點和輸出電流會隨著光照強度的增加出現(xiàn)明顯的上移，當光照變化時，可以觀察到光伏電池的輸出電流隨著光照強度的變化，輸出電流分別為1.87A、3.82A、5.79A和7.78A。光伏電池的輸出電流受到光照強度的影響，呈現(xiàn)出明顯變化的變化趨勢。當光照強度保持為1000W/m2不變時，溫度分別為15°C、25°C、35°C和45°C，得到的溫度變化輸出特性曲線圖如圖2-8。（a）溫度變化時P-U特性曲線圖（b）溫度變化時I-U特性曲線圖圖2-8溫度變化的光伏特性曲線圖從圖2-8a中可以看出光照強度保持不變時溫度上升10°C，輸出特性曲線就會向下傾斜。最大功率點、開路電壓與短路電流也會隨之改變，最大功率點也因曲線下移而減小，峰值點也因溫度的增加而下移。當在不同溫度時峰值的變化分別為220.1V、219.6V、218.8V、217.7V，由此可知溫度變化對光伏輸出功率的影響有限。從圖2-8b中觀察到光伏電池的輸出電流隨著溫度的升高而略有增加，分別為7.51A、7.65A、7.78A、7.87A,改變溫度對光伏輸出電流的影響有限。得出結論光照強度對光伏輸出特性有顯著影響，而溫度變化對光伏輸出特性的影響可以被忽略。2.4本章小結本章首先對光伏電池進行了分類介紹，隨后分析了其工作原理。在此基礎上建立了光伏電池的模型。并分析了在標準測試條件下的P-U特性曲線與I-U特性曲線。設置了光照強度變化時和溫度條件變化時光伏輸出特性曲線分析。第三章光伏MPPT研究3.1光伏系統(tǒng)MPPT控制原理介紹當光伏陣列在正常工作時，光照強度跟溫度的變化都會導致光伏電池內阻的變化，同時也會使光伏陣列的P-V特性曲線發(fā)生偏移，這就意味著光伏陣列不能一直保持著最大功率輸出，所以需要對光伏電池進行最大功率點跟蹤控制REF_Ref14751\r\h[26]。圖3-1MPPT控制圖通過圖3-1MPPT控制原理圖可知，要確保負載可以獲得最大功率，需要輸出系統(tǒng)的電阻等于負載阻抗，即阻抗匹配。 然而這一理論只適用于輸出電路的內部阻抗保持恒定的情況。由于實際情況下無法直接調節(jié)光伏電池內部的電阻，需要借助中間的變換電路來完成。以確保系統(tǒng)能夠高效地運行并輸出最大功率。3.2Boost電路的結構與工作原理光伏系統(tǒng)中經常會使用DC-DC電路來調節(jié)光伏電池的內部電阻，可以通過調節(jié)占空比等參數來實現(xiàn)光伏電池與負載阻抗電阻的長期匹配，以最大化輸出功率。DC/DC電路的主要作用是將直流電源的電壓從一種水平轉換為另一種水平，可以實現(xiàn)電壓升壓、降壓和反向變換等功能。常用的三種DC/DC變換器和優(yōu)缺點如表3-1所示：表3-1常見的DC-DC變換器轉換器類型優(yōu)缺點Boost電路高轉換效率和穩(wěn)定性、適用范圍較廣、只能升壓、驅動電路簡單Buck電路Boost-Buck電路拓撲結構簡單、適用范圍單一、只能降壓可以升壓與降壓、輸出波動大、驅動電路復雜DC/DC技術是實現(xiàn)MPPT技術的基礎，本文選擇高轉換效率的Boost電路作為DC/DC的變換電路以實現(xiàn)MPPT,Boost電路是升壓電路，其功能是輸入電壓升高到較高的輸出電壓水平。圖3-1是Boost電路的拓撲圖。L是電感、C是電容、D是二極管、S是開關管、RL是負載，設周期為T、占空比為d。圖3-1Boost電路拓撲圖在Boost電路拓撲圖中，當開關導通時，電感L與地相連，二極管D停止導通，輸入電壓Uin開始對電感L進行充電，這會導致電感兩端的電壓逐漸增加，最終等于輸入電壓Uin。Uin與電感L形成一個回路，電容C與負載R也會形成一條回路。在開關變?yōu)椴粚〞r，由于電感L之前被充電并且有電流流過，這個電流會保持方向向右流動。因為電流改變時會產生感應電壓，這會導致右側的二極管導通，以確保電流得以繼續(xù)流動而不產生突變。在這種情況下，電感L開始放電，向負載R提供電能，并同時充電輸出濾波電容C。實現(xiàn)升壓效果，提升輸出電壓。當開關管S在閉合狀態(tài)和開斷狀態(tài)時的電路圖如圖3-2所示：（a）開關管閉合時（b）開關管開斷時圖3-2Boost電路兩種開關狀態(tài)下的等效電路假設導通時間為t1、關斷時間為t2。當開關S導通時，電容C就會向負載RL進行供電，此時電感L電流的增加變化公式（3-1）：（3-1）當開關S關斷時，電感L放電給負載RL進行供電，而電容C就會進行充電。電感L電流逐漸變小變化公式（3-2）：（3-2）在同一周期里，輸出與輸入電感的電流相同，所以△L1=△L2。聯(lián)立公式（3-1）與公式（3-2）得電源電壓與負載電壓關系公式為：（3-3）電源電流與負載電流的關系如公式（3-4）所示：（3-4）3.3傳統(tǒng)MPPT算法介紹3.3.1恒定電壓法恒定電壓法是一種簡單而有效的MPPT算法。這一通過把光伏電池的輸出電壓鎖定在最大功率點附近的特定電壓上，使得光伏陣列在此電壓下運行時產生的功率解決最大功率值。因此可以近似認為光伏電池陣列的輸出功率等同于最大功率輸出。恒定電壓法的原理圖如圖3-3所示。圖3-3恒定電壓法原理圖在圖3-3中可知，當環(huán)境溫度基本保持不變時，光照強度的變化，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，我們可以近似地假設最大功率點處的電壓保持恒定REF_Ref14905\r\h[27]。相當于光伏系統(tǒng)的最大功率點是在一條垂直線上，或者是分布在垂直線的兩側，如圖3-3的虛線上面。有學者在研究中指出在忽略最大功率點輕微變化的情況下，找到這條垂直線的工作電壓，即可以確認該點為光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點。經過學者研究發(fā)現(xiàn)，光伏陣列在最大功率點處的工作電壓Um與開路電壓Uoc之間的關系可以表述為公式（3-5）REF_Ref14967\r\h[28]。（3-5）式中，系數k的取值范圍通常為0.7-0.85之間，在工程中系數一般取值為0.8。恒定電壓法實質上是一種開環(huán)的MPPT控制算法，采用恒定電壓法的優(yōu)勢在于系統(tǒng)工作電壓穩(wěn)定非常溫度，控制方法簡單直接。然而該算法也會有明顯的劣勢，即在跟蹤光伏電池最大功率時精度較低，當外部環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)對最大功率點的調整反應較差，同時系統(tǒng)工作電壓的設置會影響系統(tǒng)的整體效率。隨著環(huán)境溫度的上升，光伏的開路電壓會下降，這是由于溫度變化導致的能量損耗。這是恒定電壓法面臨的一個挑戰(zhàn)，即無法有效應對溫度變化造成的影響。3.3.2擾動觀察法擾動觀察法（PerturbationandMethod，簡稱P&O法）是一種應用非常多的MPPT控制算法，在擾動觀察法的基礎上也衍生出十分多的改進型算法。擾動觀察法也被稱為爬山法，原理圖如圖3-4所示。光伏系統(tǒng)通過定期對輸出電壓進行短暫擾動，并及時測量電流和電壓來計算輸出功率，以找到唯一的最大功率點。在擾動后，系統(tǒng)會比較當前的功率和上一次的功率。如果當前功率大于上一次功率，則系統(tǒng)將繼續(xù)保持原有的擾動方向；如果當前功率小于上一次的功率，則系統(tǒng)會調整光伏電池的輸出電壓以減小功率損失。并持續(xù)觀察和比較，以確保最終光伏電池工作在最大功率點上，實現(xiàn)光伏電池的最近性能輸出REF_Ref15029\r\h[29]。圖3-4擾動觀察法原理圖擾動觀察法的具體工作過程：當△U>0、△P>0時，則從P0向P1移動，判斷最大功率點在左側，維持原來的擾動方向繼續(xù)向右側移動便可以找到最大功率點；當△U>0、△P<0時,則是P2向右移動，判斷最大功率點在右側，需要改變其擾動方向可以找到最大功率點。當△U<0、△P<0時,則從P2向P1移動，判斷最大功率點在左側，需要改變其擾動方向可以找到最大功率點。當△U<0、△P>0時，則從P2向Pm移動，判斷最大功率點在右側，需要向左側移動可以找到最大功率點。如此重復以上動作，當△P靠近0時，就已經找到最大功率點了。擾動觀察法的算法流程圖如圖3-5所示。圖3-5 擾動觀察法流程圖擾動觀察法存在著明顯的劣勢：當光伏電池在最大功率點附近震蕩調節(jié)時，可能會損失掉一定的功率；此外，跟蹤步長難以保證跟蹤精度又實現(xiàn)快速跟蹤。若步長設置過小，跟蹤的速度變慢，導致光伏電池長時間處于低功率輸出狀態(tài)；而步長設置過大則會增加最大功率點附近的震蕩，從而降低跟蹤精度；在外部環(huán)境突然間發(fā)生改變時可能會造成誤判現(xiàn)象。如圖3-6所示當光照強度S=600W/m2、溫度T=25°C時，光伏電池工作在P3點上，溫度沒有發(fā)生改變光照強度從600W/m2突然劇增到1000W/m2，由于電壓擾動后計算出來的功率比上一次大，在繼續(xù)向左移動以減小電壓的情況下，光伏電池改變了工作點并最終停留在P2位置，事實上應該增大擾動方向，增加電壓使光伏電池的工作點調整到P0位置上。因此發(fā)生了誤判現(xiàn)象。主要優(yōu)勢是其簡單的結構、較少的被測參數以及易于實現(xiàn)。圖3-6擾動觀察法誤判示意圖3.3.3電導增量法電導增量法(IncrementalConducatance)是MPPT控制中常用的一種算法，其算法是利用P-U曲線的連續(xù)可導性和單峰特性來計算輸出電流和電壓的變化率。設光伏電池的輸出功率為：（3-6）把公式（3-6）兩邊進行微分得公式（3-7）（3-7）當dP/dv=0時，系統(tǒng)在最大功率點處（3-8）當dP/dU=0或dI/dU=-I/U時，在這種情況下系統(tǒng)正處于最大功率點運行。當dP/dU>0或dI/dU>-I/U時，系統(tǒng)在MPP左側運行。增加給定電壓，減小占空比。當dP/dU<0或dI/dU<-I/U時，時系統(tǒng)在MPP右側運行。減小給定電壓，增加占空比。電導增量法是根據公式的正負來決定占空比的增加還是減小的。電導增量法的控制流程圖如圖3-7所示。圖3-7電導增量法流程圖電導增量法的的優(yōu)勢在于其良好的控制效果和高穩(wěn)定性，在光照變化時，光伏電池的輸出電壓可以以平穩(wěn)的方式相應光照強度的變化，系統(tǒng)一旦穩(wěn)定，電壓波動較擾動觀察法較小。但是對光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要更高規(guī)格的硬件設備，需要系統(tǒng)各組件的響應速度更高，同時需要較高精度的傳感器來配合。為了便于概括和對比，對本章所分析的三個MPPT算法的原理、優(yōu)點和缺點現(xiàn)總結表3-2：表3-2常見的MPPT算法比較MPPT算法原理概要優(yōu)點缺點恒定電壓法某一電壓在最大功率點附近保持穩(wěn)定控制簡單、易于實現(xiàn)跟蹤誤差大、在環(huán)境變化時，誤差上升擾動觀察法改變輸出電壓進行擾動，根據功率來確定接下來的方向結構簡單、測量參數少很難同時考慮到精度和密度電導增量法利用光伏電池的瞬時電導和電導量來實現(xiàn)控制效果好、穩(wěn)定性高、電壓震蕩小較高成本設備、需要高精度傳感器根據三種常用的MPPT算法的原理、優(yōu)點和缺點來看，本文決定采用電導增量法來對光伏電池進行仿真分析。3.4本章小結本章從光伏MPPT控制系統(tǒng)開始討論。本章主要介紹了光伏系統(tǒng)MPPT控制原理，解釋了MPPT控制中常用Boost電路的結構和工作原理。對常用的三種MPPT算法進行分析并說明了優(yōu)劣。最后決定使用電導增量法對光伏電池進行仿真。第四章基于電導增量法的MPPT仿真與分析4.1電導增量法的仿真模型搭建4.1.1Boost電路建模此次建模仿真使用的是Matlab2018b版本中的Simulink模塊進行光伏系統(tǒng)的搭建，此次光伏系統(tǒng)主要是由光伏陣列、DC/DC轉換電路、MPPT控制器、負載模塊四部分組成的。光伏陣列用于將太陽能轉換為電能，DC/DC轉換電路用于調節(jié)電壓和電流，MPPT控制器確保系統(tǒng)運行在最佳工作點，負載模塊則用于接受系統(tǒng)輸出電能供給外部裝置。本文在第三章中介紹了Boost電路的工作原理和結構，所以這次仿真實驗中的DC/DC轉換電路使用具有較高的轉換效率和較高穩(wěn)定性的Boost電路，通過調節(jié)占空比d，可以控制Boost電路的輸入阻抗，使光伏電池的輸出功率達到最大。Boost電路仿真模型如圖4-1所示。圖4-1Boost電路仿真模型圖Boost電路的輸出電壓公式為Uo=Ui/1-d,其中，Ui是輸入，d是占空比。通過調整占空比的大小可以控制Boost電路的輸出電壓，進而控制光伏陣列電壓的大小。根據光伏電池的供應商提供的參數可知，在Boost電路中設置Boost的輸入電壓為200V-300V,其中PWM開關頻率為12000HZ,電容C1和C2的參數分別為1mF，設置電感L的參數為1mH,電阻為2Ω。4.1.2光伏電導增量法的MPPT建模這次仿真建模中，光伏陣列是使用Simulink系統(tǒng)內置的光伏陣列，是由40塊光伏電池并聯(lián)成10塊光伏電池串聯(lián)在一起的光伏陣列。這次仿真建模的光伏電池參數使用本文2.2.4節(jié)中的參數，在標準測試環(huán)境條件下的光伏電池在最大功率點處的電壓為290V?；陔妼г隽糠ǖ腗PPT仿真子模塊如圖4-2所示。圖4-2基于電導增量法MPPT子模塊把圖4-2電導增量法MPPT仿真子模塊在MPPT電路模塊中連接了圖4-1Boost升壓電路仿真、負載、PWM模塊、光伏電池陣列構成簡易的電導增量法模型如圖4-2所示。由本文第二章可知，溫度條件對光伏系統(tǒng)的輸出特性影響較小，所以把溫度設置為恒定溫度25°C。圖4-2電導增量法的MATLAB仿真模型4.2仿真結果分析根據上述參數，使用的仿真算法是ode23，仿真時間設置為1秒，當外界環(huán)境發(fā)生變化便于監(jiān)測輸出結果，使用自定義信號Timer來模擬光照強度和溫度的波動，設定起始光照強度S=1000W/m2，初始溫度T=25°C時，設置占空比的擾動步長為0.000001。通過對模型進行實際運行，得到了電導增量法的的功率波形圖、電壓波形圖和電流波形圖如圖4-3、圖4-4、4-5所示。圖4-3輸出功率仿真圖圖4-4輸出電壓仿真圖圖4-5輸出電流仿真圖從圖4-3輸出功率仿真圖中可以看出來，當系統(tǒng)啟動的0.03秒左右，功率曲線在經過了短暫的震蕩后逐漸趨向于穩(wěn)定的數值，由于工作量較大所以在0.1秒左右時電導增量法快速追蹤到光伏陣列的最大功率點，此時系統(tǒng)的最大功率輸出大約為85160W,系統(tǒng)達到了最佳功率輸出點。這表明電導增量法在根據電池輸出特性曲線的變化，在短時間內找到最佳功率點REF_Ref26754\r\h[30]。從圖4-4和圖4-5輸出電壓和電流仿真圖可以看出，當系統(tǒng)剛啟動的一瞬間時，電壓和電流在反復震蕩，最高時升至313V和314A超過了最大功率點的電壓和電流，然后迅速回調至最大功率點處290V和294A處小幅度震蕩穩(wěn)定地工作。恒定光照和溫度的情況下，實時系統(tǒng)輸出的實時功率、電壓和電流接近最大功率點，電導增量法對最大功率點追蹤速度和準確性都較高。為了驗證系統(tǒng)在外部光照強度發(fā)生變化時系統(tǒng)能夠迅速調整以實現(xiàn)最大功率輸出的效果。把仿真時間設定為1秒，設定光照強度的初始值為1000W/m2,溫度為25°C，當仿真時間在0.5S時，光照強度突然發(fā)生變化，分別為光照強度S從1000W/m2降到800W/m2，800W/m2降低至500W/m2。光照強度1000W/m2降到800W/m2變化功率輸出波形圖、電壓輸出波形圖、電流輸出波形圖如圖4-6、圖4-7、圖4-8所示。圖4-6外界光照變化1功率波形圖圖4-7外界光照變化1電壓波形圖圖4-8外界光照變化1電流波形圖從圖4-6可以看出，當仿真模型運行以后，大約經過0.02秒左右的震蕩運行后，系統(tǒng)才能成功的追蹤到最大功率點，然后就一直工作在最大功率點附近，波動較為平緩。隨著工作點逐漸接近最大功率點，在運行時間來到0.5秒時，光照突變從1000W/m2降低至800W/m2時，最大功率開始從85160W跌落至60000W左右震蕩0.05秒左右后開始尋找最大功率點，再經過0.05秒左右重新找到最大功率點，此時最大功率點的最大功率大約為68720W。系統(tǒng)能迅速的穩(wěn)定在新的最大功率輸出狀態(tài)，輸出功率也逐漸趨向于穩(wěn)定值。從圖4-7、圖4-8看出中，當仿真模型運行后，電壓和電流波形超過了最大功率點處電壓和電流后然后再回調至最大功率點處穩(wěn)定運行，隨著工作點逐漸接近最大功率點。在運行時間來到0.5秒時，光照強度突然發(fā)生變化，輸出電流與輸出電壓迅速下降，電壓和電流需經過0.05秒左右的時間來尋找最大功率點的電壓和電流，工作點電壓從最低電壓處246V緩慢升至292V，電流從248A緩慢震蕩到234A左右。經過短暫的震蕩，工作點逐漸接近最大功率點并且最終穩(wěn)定在一個靠近穩(wěn)態(tài)輸出功率的數值。在0.6秒左右找到了最大功率點處的電壓和電流，輸出電壓和輸出電流在最大功率點附近保持穩(wěn)定運行。當光照強度800W/m2降低至500W/m2時觀察到光照變化的功率輸出波形圖、電壓輸出波形圖、電流輸出波形圖如圖4-9、圖4-10、圖4-11所示。圖4-9外界光照變化2功率波形圖圖4-10外界光照變化2電壓波形圖圖4-11外界光照變化2電流波形圖在圖4-9可以看到仿真模型在運行的時候，尋找最大功率點的時間比在1000Wm2要增加在0.05s的時候才能尋找到最大功率點，最大功率點的功率為68670W，波動較為平緩。當光照強度發(fā)生變化時，功率從68670W降低至31880W左右開始震蕩0.1秒后找到最大功率點。系統(tǒng)能迅速的穩(wěn)定在新的最大功率輸出狀態(tài)，輸出功率也逐漸趨向于穩(wěn)定值。在圖4-10、4-11中可以看到在仿真模型剛運行時尋找最大功率點處的電壓和電流震蕩時間接近0.1秒，電流波形超過了最大功率點處電流后然后再回調至最大功率點處穩(wěn)定運行，電壓波形前期震蕩幅度較大。當光照強度發(fā)生變化時，電壓、電流迅速下降，在經過0.2秒左右的震蕩后尋找到最大功率點處的電壓和電流。經過短暫的震蕩，工作點逐漸接近最大功率點并且最終穩(wěn)定在一個靠近穩(wěn)態(tài)輸出功率的數值。仿真輸出表明，電導增量法可以實現(xiàn)快速跟蹤光伏陣列的最大功率輸出點，并且光伏陣列的輸出功率波動較小，控制效果良好。該方法對于光照發(fā)生變化時也可以快速的找到最大功率點，而且過程中不會產生劇烈震蕩，輸出電壓與輸出電流的變化趨勢一致31REF_Ref26754\r\h[25]。4.3本章小結本章首先對Boost電路建立仿真建模，包括搭建電導增量法的MPPT子系統(tǒng)模塊和電導增量法的MATLAB仿真模型，設置Boost電路中各元器件的參數。對電導增量法進行仿真分析，并分析在光照1000W/m2時和溫度25°C時的功率波形圖等，分析從光照1000W/m2降到800W/m2的功率波形圖等和800W/m2降到500W/m2的功率波形圖等，仿真結果表明電導增量法可以快速找到最大功率點，且造成的震蕩較小。結論本文介紹了光伏電池的輸出特性，并介紹了在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用的MPPT算法，并選取了電導增量法來對光伏電池進行仿真建模。所以本文主要完成的工作有：（1）首先從當前環(huán)境和能源問題出發(fā)，探討了新能源在發(fā)展中的前景和相關政策，然后分析了國內外光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和光伏電池的研究現(xiàn)狀。（2利用光伏電池的工作原理在MATLAB軟件中建立了仿真模型，并分析了在標準測試條件下的P-U特性曲線與I-U特性曲線、光照強度變化時和溫度條件變化時的特性曲線。（3）闡述了光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制原理，解釋了常用Boost電路在MPPT控制中結構和工作原理，并介紹了光伏系統(tǒng)MPPT的控制原理，同時說明了三種常用的MPPT算法的工作原理和優(yōu)劣，最后選擇電導增量法對光伏電池的仿真建模。（4）對Boost電路進行MATLAB仿真建模，并選取電感、電容的參數，對電導增量法的子系統(tǒng)模塊進行建模。對電導增量法進行建模與分析。在恒定溫度和光照強度的情況下分析和在恒定溫度的情況下光照強度變化的情況下進行分析。因為光伏技術已經廣泛應用到各個領域，并且受到外部因素影響較大，在光伏領域的研究與發(fā)展任重而道遠。本文還存在著許多不足之處：本文中許多的仿真模型與參數設置是在前人經驗的基礎上完成的，可能存在一定的局限性。接下來需要深入了解各個模型，以設定更詳盡、合理的參數；本文僅考慮了簡單外部環(huán)境因素（如溫度、光照強度），沒有考慮到大自然中的各種天氣災害問題；本文只對電導增量法進行了仿真實驗沒有對硬件與軟件的設計。參考文獻應棟善.基于太陽能的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[J].電氣技術與經濟,2023,(10):192-195.張永生,董舵,肖逸等.我國能源生產、消費、儲能現(xiàn)狀及碳中和條件下變化趨勢[J].科學通報,2021,66(34):4466-4476.張永生,董舵,肖逸等.我國能源生產、消費、儲能現(xiàn)狀及碳中和條件下變化趨勢[J].科學通報,2021,66(34):4466-4476.李美成,高中亮,王龍澤等.“雙碳”目標下我國太陽能利用技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].太陽能,2021,(11):13-18.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20211019.01時文.改進型電導增量與模糊控制相結合的MPPT算法的研究[D].河北科技大學,2019.袁臣虎,王坤,劉曉明等.功率預測的改進自適應變步長光伏MPPT算法[J].計算機仿真,2021,38(03):34-39.AliMY,MarzenaN.ModifiedMaximumPowerPointTrackingAlgorithmunderTime-VaryingSolarIrradiation[J].Energies,2020,13(24):6722-6722.李昂,李音柯,劉文鋒.基于模糊PI控制與電導增量法的光伏MPPT跟蹤技術[J].電氣開關,2022,60(06):19-24.HaiT,TaoH,YongjianC,etal.ResearchonMPPTtechnologybasedonthree-stagevariablestepsizedisturbanceobservationmethod[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2020,1650(2):022107-.周睿,徐良,劉文浩等.基于改進擾動觀察法的光伏MPPT控制算法研究[J].電源技術,2023,47(03):388-392.李紅巖,王磊,劉寶等.基于改進蝴蝶優(yōu)化算法的光伏MPPT方法[J].計算機仿真,2023,40(12):108-112.莫仕勛,蔣坤坪,楊皓等.基于旗魚優(yōu)化算法與擾動觀察法復合控制的最大功率點跟蹤策略[J/OL].電源學報,1-16TabishI,HasanBK,NidaK.FastandimprovedPSO(FIPSO)-baseddeterministicandadaptiveMPPT