基于simulink的带有MPPT功的光伏电池的仿真设计.doc

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1、 . . . . 本科毕业设计（论文）基于Simulink的带有MPPT功能的光伏电池的仿真学院 电力学院专业 电气工程与其自动化学生 郭子暄 学生学号 指导教师 荆朝霞提交日期 2012年5月20日I / 46 . . . . 摘 要如今，在全球经济与科技高速发展的背景下，能源消耗自然成为不可忽略的问题。在传统化石燃料，如煤、石油、天然气等面临枯竭之时，新能源的开发与利用成为当今的热点。在众多新能源中，光能由其高效、可持续以与无污染等特点进入了人们的视野。光伏电池也应运而生。本文首先通过对光伏电池单二极管等效电路的分析，以PV-MF165EB3光伏单元为例，基于高斯-赛德尔法提出了光伏电池等

2、效电路中未知参数的求取方法，并利用Matlab/Simulink建立相关数学模型以仿真其输出特性。经验证，该模型能够较为精确地仿真PV-MF165EB3单元的I-V以与P-V特性。应用于光伏系统的最大功功率跟踪控制系统（MPPT）是为了使得光伏电池在不同的温度、光照强度以与电力负荷情况下实现功率的最大化。在本文当中，在I-V以与P-V特性基础之上，通过对其非线性特性的分析提供了最大功率跟踪控制算法电导增值法，在本文中详细讲述了电导增量法的计算原理以与相关计算流程。为使输出端功率最大化，应用Boost升压电路跟踪最大功率点处电压，并经过逆变器完成其逆变，并分析逆变的效果。关键词：光伏系统；最大功

3、率跟踪；电导增量法AbstractRecently, with the rapid developing of economic and technology, the energy problem has grown into a great issue which cannot be ignored. Nowadays under the background that conventional fossil fuels are running out quickly, the exploitation of new resources became an outstanding rese

4、arch focus. Among new resources, solar power which has the characteristics of high efficiency, sustainability, non-pollution comes into peoples sight. Naturally, PV panel comes into being.In this paper, firstly we made an analysis for the single-diode equivalent circuit for PV system. Taking the PV-

5、MF165EB3 module as an example, we come up with the method for obtaining the unknown parameters based on GAUSSSEIDEL METHOD. After that with the applying of Matlab/Simulink, we can obtain the output characteristics of PV system. Through validating, the model can simulate the P-V and I-V characteristi

6、cs of PV-MF165EB3 module accurately. A maximum power point tracking control (MPPT) is used for a photovoltaic (PV)system in order to maximize the output power irrespective of the temperature and irradiation conditions and of the load electrical characteristics. In this paper,on the basis of the P-V

7、and I-V characteristics, through the research of the non-linear character, the Increase Conduct Algorithm is recommended to track the maximum power point. And here we will explain the flowchart of this method in detail.In order to maximize the output power, a boost converter is applied to obtain the

8、 voltage at MPP, through an inverter , the PV system is connected with the micro power grid to supply electric power .Based on the theory of inversion , we will build a model to analyze the output lead by SVPWM control method.Keyword:Photovoltaics, Maximum Power Point Tracking (MPPT), Increase Condu

9、ct Algorithm . . . . 目录摘要Abstract第一章绪论11.1 分布式发电的研究背景与发展意义11.2 光伏发电系统概述11.3 国外光伏系统的发展现状31.3.1 国光伏系统的发展现状31.3.2 国外光伏系统的发展现状31.4 本文的研究的容4第二章风光互补微电网简介42.1 微电网概述42.2 风能光伏混合微网52.2.1 风能光伏混合微电网结构52.2.2 混合微网的有功无功输出控制5第三章光伏系统的数学模型73.1 光伏系统的等效电路73.2 光伏系统参数的求取83.2.1 光伏系统的参数方程83.2.2 高斯赛德尔法103.2.3 高斯赛德尔法的初始化123.

10、3 温度与光照对仿真参数的影响123.4 光伏模型仿真133.4.1 示例模型的提出133.4.2 光伏模型的串并联133.4.3 实例的提出143.4.4 仿真结果15第四章光伏电池的最大功率控制174.1 电导增量法概述174.2 定步长电导增量法184.3 变步长电导增量算法204.3.1 变步长电导增量法的优点204.3.2 变步长电导增量法算法214.4 最大功率控制电路234.4.1 MPPT控制电路原理234.4.2 仿真结果24第五章光伏系统的逆变265.1 SVPWM控制技术265.1.1 SVPWM概述265.1.2 SVPWM控制基本原理265.1.3 基于Simulin

11、k的SVPWM仿真295.2 光伏电池逆变的仿真32第六章结论346.1本文总结346.2 后续工作34参考文献35致36 . . . . . . . . 第一章绪论1.1 分布式发电的研究背景与发展意义自20世纪初以来，电力行业普便把以“大机组，大型集中式电厂和高压电网”为主要特征的集中式单一供电系统作为现代电力工业的发展方向。经过100多年的发展，这种集中式的单一供电系统已经具有相当大的规模，为世界经济的繁荣和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。从20世纪80年代末开始，世界电力工业出现了由传统的集中供电模式向集中式电网和分布式供电模式结合过渡的趋势。近年来，以可再生能源利用为主的新型发电

12、技术，主要是太阳能光伏发电和风力发电，还包括燃料电池发电等，凭借发电方式灵活，与环境兼容等优点得到了快速发展1。分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的。首先，对于电力系统的运行，分布式发电可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用。其次，对于供能方面，其可以作为备用发电容量、削峰容量，也可承当系统的基本负荷，还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。除此之外，分布式发电的应用对减少环境污染也起着重要的作用，如光伏发电的利用显著地轻了燃煤电厂产生的污染。由此可见分布式发电是相比于集中式来讲十分清洁的发电方式，安装地点也相对灵活，可置于居民与商业中心处2。当今，

13、传统化石燃料能源的紧缺成为了推动分布式能源发展的重要因素，由于经济的发展，人均用电量的不断增长，在负荷处于峰值时，例如在酷暑时节，较多的地区会受到短时停电的威胁。为保证不间断供电，当今很多大型企业与商业中心采取分布式发电技术以保证生产与经济的稳定性。而且在市场经济的推动之下，电力结构也作出相应调整，激励人们考虑新的发电技术。由此不难想象，分布式发电技术必将成为今后重要发展趋势。1.2 光伏发电系统概述太阳能是当今利用效率最高，价格低廉，无环境污染的新能源。目前太阳能的使用主要表达在两个方面太阳能供热制冷以与太阳能发电。对于后者，可以通过光伏阵列（PV array）的应用将太阳能转化为电能。近些

14、年来，光伏系统已经在电力系统中得到广泛认可和使用。在光伏阵列的基础之上，各种相关技术也得以发展，例如太阳能驱动汽车、光能充电系统、卫星电力系统等等。光伏发电系统可直接将太阳能转换为电能，不需要热力发动机驱动。光伏发电装置由固态电子器件组成，设计简单，坚固耐用，基本上不需要维护。光伏系统重量较轻、不需要燃料提供能量，故光伏系统适合于其他分布式发电技术不能实现的环境。除此以外，光伏系统并入电网之后既可以独立运行即孤岛运行，也可并网运行，其出力可达微瓦级到兆瓦级，可建立兆瓦级大型发电厂16。工作中的光伏阵列如图1-1所示。图 1-1 工作中光伏阵列然而，光伏系统也存在其固有的缺陷，这主要是由其较高的

15、建设费用以与相对较低的能量转换效率所导致的。以上两问题主要由于它们非线性的，由光照辐射强度和环境温度所决定的功率-电压、电流-电压曲线所引起。为解决以上这些问题，相关技术已得到一定程度的开发：1） 改进光伏阵列的制造工艺；2） 控制输入光伏阵列的光照强度使用光能收集器实现输入的最大化；3） 应用光伏阵列并追踪最大电能。光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、运行温度以与负荷运行特性。正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。为解决这一问题，通过使用上述方法3），光伏系统在对应环境下的最大功率工作点，可以通过在线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处

16、。光伏阵列的理想工作点称为最大功率工作点（Maximum Power Point, MPP），其随着温度和光照辐射强度的变化而变化。为得到光伏阵列的最大工作点，最大功率跟踪法得以应用。现在比较流行的最大功率跟踪控制算法主要有查表法，扰动观察法，电导增值法，动态法8。本文将重点讲述电导增值法。1.3 国外光伏系统的发展现状1.3.1 国光伏系统的发展现状在中国，太阳能资源较为丰富并有着较大的开发潜力。目前中国太阳能产业主要集中在太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统，且技术较为成熟。如今经多年的发展，中国已成为全球重要的太阳能光伏电池生产国以与太阳能热水器生产使用量最大的国家。中国光伏发电产业于20

17、世纪70年代初起步，经过30多年的努力与快速发展，如今中国光伏企业已达到一个新阶段。在近些年，统计于2007年底，在太阳能电池方面生产的企业达50家，太阳能电池的年电产量达到1188MW，逐渐接近并超过了世界领先水平；在电力系统方向，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦。 2008年太阳能电池的产量继续提高，达到200万千瓦。如今，在国“送电到乡”工程等项目和“光明工程”先导项目与世界光伏市场的有力拉动下，光伏系统必将得到进一步地发展。1.3.2 国外光伏系统的发展现状进入21世纪以来，光伏产业一直迅速发展。在生产产量方面，2002年全球光伏电池产量为560mw，到2003年已增长了34，

18、高达750mw。2004年世界光伏电池年产量达到1256mw，年增长率高达68，2005年产量达1818mw，增长率略有下降，但仍有45。此外，各种政策更是有力地推动了光伏事业的发展，2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场的爆炸式发展，随之而来的是发达国家间纷纷对其进行效仿并取得成功。以美国为例，2006年，加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，也就是在未来10年建设3000mw光伏发电系统的提案，标志着美国关光伏系统的政策的新时代的到来。正是因为欧美等发达国家强有力的政策推动，加速了世界光伏系统的进程，使得太阳能光伏发电的前景无限光

19、明。综上所述，世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面17。(1)生产规模的断扩大。光伏产业的龙头企业光伏电量年产量已超过3000mw，在其推动之下，如今已有更多的企业提出了建设年产1000mw电池生产线的目标。 (2)光伏电池产量持续增长。近年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，19992007年间，光伏电池产量以年均增长率超过40的速度高速发展，太阳能电池的年产量从1999年的202mw增加到2007年的4000mw，增加了近20倍。 (3)光伏发展政策不断得以优化引发光伏市场飞速膨胀。在前文已经提出，2004年德国再生能源法的修订以与补贴法的修改，加速了德国光伏系统的发

20、展。随后在2005年，美国效仿德国，通过“百万个太阳能屋顶计划”促进美国光伏系统的建设。在此推动之下，世界大国光伏系统将纷纷加入改革行列，走向光伏系统发展的前沿，中国就加入了这一洪流，迅速发展。(4)新技术不断出现，电池效率不断提高。随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平向更高水平发展。少数公司采用最先进的生产工艺，已经率先到达了效率20的目标，其他生产公司必定会纷纷效仿。1.4 微电网概述当今随着社会经济的发展，以集中式发电为主的大电网展现了其无法比拟的优势。首先，大电网模式的自动化程度较高，可以在一定程度上节省人力资源；其次，大电网远距离输电模式可实现高电网输电，减少了

21、线路的损耗；再次，在集中式发电中，大机组的应用也在一定程度上提高了其效率。如今，随着远距离输电电压等级的进一步提高，集中式发电仍将作为当今输电的主流方式。然而，随着电网的进一步发展，集中式发电的缺点也愈发显现出来。首先，随着电网复杂程度的不断提高，大电网的运行成本和运行难度也进一步增大；其次，随着负荷多样化的进一步发展，传统的发电模式也愈发难以适合各种不同的负荷特性；再次，大电网较为脆弱，其安全性与可靠性较差。近年来世界各地多次发生大面积重大停电事故，造成了巨大经济损失。2008初，中国南方地区发生大面积冰灾，给南方电网造成了巨大的不利影响，进一步暴露了传统大电网模式的脆弱性。微电网是相对传统

22、大电网提出的概念，是由分布式电源（光伏电源、风力发电机、微燃汽轮机）、储能设备（蓄电池等）、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集、按照一定拓扑结构形成的发配电系统。是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与主网并列运行，也可以孤岛运行。微网能在一定程度上减轻负荷对大电网的依赖，缓解传统能源的危机。而分布式电源的多样性也能满足不能负荷的特性。微电网的安全性较高，且可以在小围将分布式发电单元、网络以与用户终端相连结，方便地实现冷热电的联产，优化和提高了能源的使用效率。1.5 风能光伏混合微网1.5.1 风能光伏混合微电网结构风力机组与光伏系统的混合微电网结构如图1-2所示。变速风

23、力发电机采用直驱型同步发电机与风力机直接耦合,无需风力发电系统的齿轮箱,减少发电机的维护量15。该机组经变流器和逆变器以与变压器T1接入微电网。对于光伏系统，经过较为稳定的单级逆变器再经变压器T2接入电网。这里选用蓄电池作为微电网的储能装置，通过逆变器接入配电网，进行有功与无功的调节。图1-2 风能与光伏混合微电网结构1.5.2 混合微网的有功无功输出控制对于风力发电系统，在风光互补优化中，采用PQ控制策略，为保证最大限度地利用可再生资源，根据13，其参考输出有功值按追踪最大输出功率： （1-1）式中，为最正确叶尖速比，即在风能利用系数Cp为最大值时对应的叶尖速比。对于固定桨距的风力发电机，取

24、桨距角为0。将风力机组的转速代入上式中，即可得出最大参考功率。对于风力发电机的出力控制，流程图如1-3所示。输入有功与无功功率的参考值，偏差信号通过PI调节器之后分别输出idref与iqref，利用Park变换将其转变为三相参考电压iaref 、ibref 和icref使用SVPWM控制法，实现有功无功的解耦控制。图1-3 风力机组有功无功的解耦控制对于光伏系统，前面已经介绍过，在不同的环境，可以应用最大功率控制法来获得最大功率时所对应的工作电压。将直流输出电压值与其比较并经过PI调节器输出idref，再将输出无功与参考无功比较输出iqref，同样根据SVPWM实现有功无功的解耦控制。如图2-

25、3所示。图1-4 光伏系统的有功无功解耦控制示意图对于储能设备，同样对其进行有功与无功的解耦控制，这里不详加介绍。当风光混合微电网并网运行时，配电网侧为分布式电源提供频率，蓄电池仅调节有功，以此来抑制由于有功输出的波动所引起的风机和光伏系的电压变化；当风光混合微网处于孤岛运行状态时，此时使用蓄电池作为主控单元，通过调整其有功与无功的输出，以维持电压和频率的稳定。保证分布式电源较高的供电质量。亦可实现风光混合微电网由并网运行平滑、快速地切换到孤岛运行状态。1.4 本文的研究的容基于上述基本理论，本次将重点对光伏电池进行相关研究，其主要容如下：1. 了解相关风光互补微电网的基本知识，明确光伏电池研

26、究方向。2. 深入了解光伏电池的工作原理，分析光伏电池单二极管等效电路，根据厂家已给参数求取未知参数，并建立光伏电池数学模型。3. 深入分析电导增值法的原理以与相关的计算流程，用Simulink建立其算法模块。4. 用Simulink建立MPPT控制电路，并分析当光照发生变化时输出电压、电流、功率的变化。5. 建立光伏逆变电路，分析逆变电路逆变效果。 . . . . . . . . 第二章光伏系统的数学模型2.1 光伏系统的等效电路为研究分析光伏系统的功率电压特性与电流电压特性并获取其最大功率工作点，需建立相应的光伏等效电路。在当今众多等效电路中，单二极管模型可以较为准确并简明地仿真光伏阵列的

27、输出特性。单二极管电路如图2-1所示：图2-1 光伏阵列单二极管等效电路单二极管等效电路中包含电流源、二极管以与等效串并联电阻，则电压电流（VI）关系式可以表示为： (2-1)其中V和I分别指代模型的电压和电流。和分别为光电流和二极管的暗饱和电流，为结热电压，和分别为等效电路的串联电阻和并联电阻。为模型中串联的光伏单元个数。其中二极管的结热电压与PN结温度有关，其关系式如下：（2-2）在式2-2中，K为玻尔兹曼常数，K=1.38 10-12 J/K ，T为PN结热力学温度，A为二极管的理想系数，q为电子所带电量。式2-1所表示的光伏电池等效模型中，存在五个未知参数、和。而光伏电池建模的主要目的

28、在于在标准试验条件（STC）以与不同环境条件下通过生产商给定的相关参数求取相应未知参数以仿真I-V输出特性。光伏系统模型的参数是随着温度和光照辐射强度变化而变化的，根据变化的参数可以通过单二极管等效电路求取对应的最大功率工作点。2.2光伏系统参数的求取2.2.1 光伏系统的参数方通常情况下，光伏电池制造者会给出以下的数据：开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点工作电压。除此之外，数据表通常还会给出光伏电池的短路电流与开路电压的温度因数，分别记为在V-I特性曲线中，(0,)、()、(,)被认为是重要标记点。在本文中，我们就重要利用这几点的数据来求取相关参数。为简化计算过程，在式2-1中，由于

29、自然底数指数项远大于1，故 “-1”项可以忽略不计，这样由重要标记点信息，我们可以得到以下三式：（2-3）（2-4）（2-5）为简化计算公式，更好地区别已知参数、未知参数，以与输出量，各变量的替换符号如下表所示：表2-1 参数变量的转换数据表给出量短路电流开路电压MPP工作电压MPP工作电流单元串级数等效电路未知参数光电流二极管饱和电流结热电压Rs等效串联电阻Rsh等效并联电阻显而易见，在MPP处，输出功率P对电压U的偏微分为0。（2-6）为求取五个等效电路中的未知参数，现已存在四个方程，现需列出第五个方程式。我们可以观察到，在V-I特性曲线中，由短路点处的斜率我们可以得到12：（2-7）在以

30、下式中，y1、y2、y3分别代表输出电流I，输出电压U以与输出功率P。对于式2-1，忽略了“-1”项之后，使用表2-1中的替换变量，可得：（2-8）对于式2-5，重新整理并转换变量后可得： （2-9）将式2-9中的代入2-8和2-3中，可得以下等式：（2-10）（2-11）同样为了简化计算，对于式2-11，在中括号项中，由于第二项远小于第一项，这里可以将其忽略。可得下式： (2-12)将式2-9中的和式2-12中的代入式2-4中，可得：（2-13）根据参考文献6，计算对偏微分，并进行变量替换，可得：（2-14）其中，。同样根据文献6，计算当等效电路处于短路时对的偏微分，利用式2-12中得到的的

31、表达式，代入式2-7中。同时由于RsRsh，可得RshoRsh。可得：（2-15）其中。以上我们得到了五个可求取未知参数的方程式，即式2-9以与2-122-15。不难看出，式2-13到式2-15为超越方程组，这也就需要采取相应的数学方法进行求解。同时可以看出，以上三式变量相对于x1和x2完全独立，这也就使得五变量的求解转换为三变量的求解问题即x3、x4和x5。以上三参数的求取可以采取高斯赛德尔法进行求取，进而根据式2-9与2-12求解x1和x2。2.2.2 高斯赛德尔法的计算流程高斯赛德尔法为一种非线性代数方程组的迭代解法。利用该迭代方法可以解出2.2.1中提到的超越方程组，其求解基本原理可如

32、下式所示：（2-16）其中xk为经过K次迭代计算之后求取出来的未知变量。xk+1是在旧变量xk基础上经第K+1次迭代计算的。该计算过程不断循环，直到xk+1和xk的差值小于误差允许的最小值（由计算者自己给定），此时的xk+1即为最终所求之解。对于光伏电池等效电路的未知参数，现应用高斯赛德尔法，重新整理式2-13到2-15，可得：（2-17）其中：。（2-18）其中：（2-19） 其中：。容易看出，式2-17为显式方程，而式2-18、式2-19为隐式方程。在2-18中，x3为未知量x4和x5的函数。所以在初始化未知量时，优先初始化x4和x5的值，进而得到x3的值。然后迭代求得x4与x5的值。其算

33、法流程图如图2-2所示。初始化k=1以与x4和x5开始给定a1到a5，以与最大迭代次数和最大允许误差收敛失败kkmax?否误差小于最大允许误差？k=k + 1 计算error=，其中i = 3,4,5计算x3k+1、 x4k+1和 x5k+1是否完毕输出x1到x5计算x1和x2是图2-2 高斯塞德尔法计算流程图2.2.3 高斯赛德尔法的初始化根据2.2.2所述，只需初始化x4和x5两个值。对于大量的光伏模型的分析可知，通常来讲，x4的值一般为几毫欧，而x5的值一般为几千欧。因此，对于x4和x5，一般分别初始化0和1K。在绝大多情况之下，利用上述的初始化，高斯赛德尔法的计算都会收敛，但是也会在少

34、数情况下收敛失败。在这种情况，通常随机使得x5初始值远大于x4的值。初始值越接近真实值，收敛速度就会更快。在Matlab的仿真过程中，在调试过程中可以时刻关注误差变量error的数值，观察其变化的大小，如果error的值在不断变小，证明该初始化值以算相关的变化已趋于合理，算法有望收敛；反之，如果Tol的值不断变大，说明初始值的设定合理性较差，收敛失败，此时，对于等效串联电阻Rs ，可以适应增大其初始值，例如0.25左右，而等效并联电阻Rsh ，可以适量增大其值，然后不断进行仿真以尝试仿真的可收敛性。2.3 温度与光照对仿真参数的影响光电流和二极管饱和电流的数值与相应环境参数有关。而且光电流正是

35、由光照所产生的，故其大于正比于光照辐射强度，同时，光电流大小也与温度有关。当环境的相关参数发生变化时，光伏系统I-V特性曲线的重要标记点(0,)、()、(,)也会发生移动。其中短路电流的数值与光照辐射强度成正比，同时也与温度成一定的比例。 光电流与短路电流与光照辐射强度的关系如下式所示：（2-20） （2-21）在式2-20和2-21中，G和Gstc分别指代在当前环境以与STC的光照辐射强度。对于光伏电池的开路电压，其与光照辐射并不直接比例关系，但是它受环境温度的影响。在前面已经指出，在光伏电池的数据表中，给出了短路电流和开路电压的温度系数Ki和Kp。在不同的温度下，可得到当前开路电压和短路电

36、流分别为：（2-22）（2-23）光伏电池等效模型中二极管的饱和电流也是关于温度的函数，与光照强度无关。观察式2-12，并将其转换为只有温度相关的函数，可得下式：（2-24）同样，对于x1，利用相同的方法，可得出： (2-25)2.4 光伏模型仿真2.4.1实例光伏电池参数现在以光伏电池PV-MF165EB3为例对其进行研究分析，根据高斯赛德尔法使用Matlab/Simulink进行仿真，求取出各未知参数，各参数值如表2-2所示。如表中的值可以看出，Rs的值远小于Rsh的值，而且光电流的值极其接近短路电流的值。表2-2 光伏PV-MF165EB3的相关参数数据表参数等效电路参数短路电流7.36

37、A光电流7.36A开路电压30.4V二极饱和电流0.104AMPP电压24.2V结热电压0.034VMPP电流6.83A等效串联电阻0.251ohm单元串联级数50等效并联电阻1976ohm2.4.2 光伏模型的串并联 作为单个光伏电池，较小的输出电压以与较低输出功率使得其无法并网得到实际应用，在这种情况，为得到较高的输出电压，可以通过单元的串联得以实现。一定量串联的光伏单元称之为光伏串。同理，在获得要求的输出电压的前提下，为得出较大的输出功率，可以相应并联一定量的光伏单元，称其为光伏列。 对于光伏串，其示意图与等效电路图如图2-3所示。在图中显而易见一系列串联起来光伏单元串同样可以由一个单二

38、极管模型替代，电路由相同的元素组成。然而对于不同的单元串联个数，相应元件的参数有所不同。（a）光伏串示意图 （b）光伏串等效电路图2-3 考虑光伏单元串接的等效模型对于光伏串，等效电路中的二极管饱和电流、光电流以与质量因粗线条的值保持不变，与原值相同。但是，等效串联电阻和并联电阻是原值的串联数量对应的倍数。同样，对于一定数量的并联的光伏列，其示意图以与等效电路如图2-4所示。这里，二极管饱和电流以与光电流为原值相应的倍数。同时，质量因数、等效串联电阻与等效并联电阻的值保持不变。（a）光伏列示意图 （b）光伏列的等效电路图图2-4 考虑光伏电源并联的等效电路图2.4.3 光伏单元串并联实例现以一

39、个发电量为80KW的光伏阵列为例。现设定最大工作电压为380V，对于光伏PV-MF165EB3模型，在标准测试环境之下，其开路电压为30.4V。因此，在光伏串中，最多可以串联15个光伏单元。如果光伏阵列被控制在MPP处运行（有关控制方法会在后文提到），而且假定每个单元都工作在理想工作点处。则有在MPP处，工作电压为363V，其中每个单元的输出功率为165.29W，因此光伏串的输出功率为2.47kW。因此，为保证输出大约80kW的功率，需要并联32个光伏串以形成光伏阵列。光伏阵列的参数可由光伏电池的数据表以与光伏电池串并联个数获得。现设定光伏阵列的串联单元个数为Nss，并联单元个数为Npp。则光

40、伏阵列的参数特性由表2-3表示。表2-3 光伏阵列的参数特性光伏单元模型参数光伏阵列等效模型参数IscIsc NppVocVoc NssVmppVmpp NssImppImpp Nppnsns Nss应用表2-3给定的数值，并使用高斯赛德尔法计算出等效电路中的相应参数。对于上文提出的发电量为80kW光伏阵列，其相应参数如表2-4所示：表2-4 光伏阵列等效电路的相关参数参数电路参数与单元参数的关系Iph235.57ANpp IphIo4.551ANpp IoVt0.034VVtRs0.114Rs Nss / NppRsh926Rsh Nss / Npp2.4.4 仿真结果现以上述80kW光伏阵

41、列为例，采用Matlab中Simulink模块进行仿真。光伏封装后模型以与封装参数如图2-5所示：图 2-5 Simulink光伏阵列模型封装图与参数由图2-5可以看出，Simulink光伏阵列模型封装后共有三个输入端，分别是温度T、光照辐射强度S、输入电压U，一个输出端即输出电流I。封装参数共7个，分别是短路电流、开路电压、最工功率点电压、最大功率点电流、单元串级数、阵列串联数以与阵列并联个数。在PV system 封装模块中，利用fcn模块编写高斯赛德尔算法计算等效电路参数。其部结构如图2-6所示。之后在温度为25oC光照辐射度为1000W/m2，即标准测试条件下，运行模块得到其VI特性曲

42、线以与PV特性曲线，得到的曲线如图2-7所示，经观察可得，当电压处于360V以下时，电流几乎不发生变化，此时光伏阵列可视其为电流源；在电压大于360V时，电流变化较大，而电压变化较电流极为缓慢，此时可视光伏阵列为电压源。在2.4.2中已提出，光伏阵列此时的最大功率电点应为363V，观察PV曲线，可以看出，在0363V，功率随着电压的上升而上升；在363V到开路电压处，功率又随着电压的上升而下降。这就为最大功率的控制算法的提出提供了思路，有关MPPT控制将在第三章进行详细说明。图2-6 PV封装模型部结构图a) 光伏阵列I-V特性曲线 b) 光伏阵列的P-V曲线 图2-7 光伏阵列的I-V特性与

43、P-V特性曲线 . . . . . . . . 第三章 光伏电池的最大功率控制3.1 电导增量法概述绪论已指出光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、运行温度以与负荷运行特性。正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。为解决这一问题，必须控制光伏系统在对应环境下的最大功率工作点（MPP）运行，可以通过在线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处。现有多种MPPT控制的算法，而电导增量法由于其简易性与高效性得到了广泛的应用。在前面已经观察了光伏阵列的P-V特性曲线，可以容易的观察到光伏阵列的最大功率点所对应的电压，由控制单元计算出当前的电导与增值电导来决定增加或减少对应电力电子器件的占空比，最终确定MPP点处于的电压，该过程由图3-1所示。图3-1 光伏系统P-V特性示意图3.2 定步长电导增量法电导增量法的核心思想在于控制使得dP/dV=0，其核心数学表达方式可由下式表示 P=V I（3-1）（3-2）（3-3） （3-4）观察式3-4，其等式右侧由两部分组成，即电导以与增值电导，其中（3-5）将电导以与增值电导代入式3-5中，可得以下表达式（3-6）由式3-4可以得到，当电导的值大于增值电导绝对值时，光伏电池工作电压小于最大功