基于Matlab的光伏发电并网系统设计.docx

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要目前，光伏并网发电技术是新能源发电领域中的一个非常重要的研究方向。本文以小功率单相光伏发电并网系统为对象进行了研究设计，主要设计内容包括工程用光伏电池仿真模型、光伏发电最大功率跟踪模型、并网逆变器、并网滤波器和两级式光伏发电并网系统及其控制策略等，并基于理论指导进行了系统的仿真实验。首先，研究分析光伏电池的基本原理与等效数学模型，搭建其仿真模型，仿真分析其在不同光照强度与温度下的输出特性；对 DC/DC 变换电路原理及其优、缺点进行了研究分析，选择 Boost 升压电路实现最大功率点跟踪；对几种常用的最大功率点跟踪控制算法进行详细分析，最终确定使用自适应变

2、步长的电导增量法对本设计的最大功率跟踪进行控制。然后，研究并网逆变器的拓扑结构与控制策略，搭建并网逆变器仿真模型， 利用固定开关频率的电流闭环控制算法实现并网电流波形对电网电压波形的追踪和单 位功率因数并网。并采用带阻尼的 LCL 滤波器对并网电流进行谐波抑制，使得电流谐波含量满足电力系统规定的并网要求。最后，通过两级系统的协调控制，基于光伏发电， 经 Boost 电路的 MPPT 控制和 DC/AC 的逆变并网，成功实现了光伏发电并网系统的建模与仿真。采用电压外环电流内环的双闭环控制方法，使整个系统不但能快速地跟踪环境变化进行 MPPT 控制，而且能实现单位功率因数和低谐波含量并网，具有优良

3、的动态和稳态性能。本文还对孤岛效应产生的原因及其危害进行了详细阐述。关键词：最大功率跟踪； 并网逆变器； LCL 滤波； 光伏并网； 孤岛效应IAbstractCurrently, photovoltaic(PV) grid-connected generating technology becomes a very important research area in the field of new energy power generation.This paper focuses on the low power single-phase PV grid-connected syste

4、m and does a lot of design which involves PV cell simulation model, maximum power point tracking(MPPT) model for PV generating, grid-connected inerter, filter of grid-connected system, grid-connected system of two-stage PV generating and control strategies.Firstly, the simulation model of PV cell is

5、 established on the base of its fundamental theory and equivalent model, which is used to simulate its output characteristics in different illumination intensity and temperature. The paper analyzes strengthens and weaknesses of the DC/DC circuit and chooses the Boost circuit to realize MPPT. And a p

6、ower-detection adaptive variable size of the incremental conductance method isselected to control MPPT. Then, the grid-connected simulation model is established through its research of the topological structure and control method, and the current closed-loop control method of fixed switching frequen

7、cy is used to realize the network voltage of tracking and the grid-connecting in unity power factor. The LCL filter with damping reduces the harmonics interference of current efficiently, and the Total Harmonic Distortion(THD) can meet the request of power system. Finally, coordinated control system

8、 of two-stage makes the whole system work reliably. The power of PV arrays can be the maximum by MPPT based on Boost circuit, and the DC/AC circuit feeds the power into the electricity grid system. The whole system is modeled by Matlab, and the two-loop voltage and current control method is used to

9、this simulation system. Simulation results show that the whole system can realize a lower THD and unity power factor grid-connected operation with the maximum power of PV arrays. Besides, the system shows satisfactory dynamic and stationary performances. This paper also makes a detail statement on r

10、easons and harm of Islanding effect.Keywords: PV cell; MPPT; Inverter; LCL filter; PV grid-connected; Anti-islanding目录1 绪论11.1 光伏发电并网研究的目的及意义11.2 光伏发电系统的概述21.3 国内外光伏发电并网技术的发展21.4 本设计的主要任务32 系统总体结构设计53 光伏发电及最大功率跟踪建模与仿真63.1 太阳能光伏电池的建模与仿真63.1.1 光伏电池数学模型的建立73.1.2 光伏电池 Matlab 仿真模型的建立103.1.3 光伏电池输出特性仿真分析1

11、13.2 最大功率跟踪算法的实现设计123.2.1 定电压跟踪法143.2.2 扰动观察法153.2.3 电导增量法163.2.4 其它 MPPT 方法173.2.5 最大功率跟踪算法的确定193.3 最大功率跟踪主电路的设计203.3.1 DC-DC 变换电路的选择213.3.2 Boost 变换电路主要参数的设计263.4 最大功率跟踪建模与仿真283.4.1 仿真模型的建立及参数的确定283.4.2 仿真结果分析294 光伏发电并网系统的实现设计314.1 并网逆变器主电路的设计314.1.1 并网逆变器输入输出方式的确定314.1.2 并网逆变器拓扑结构的确定334.1.3 并网逆变器

12、绝缘方式的确定344.2 并网逆变器控制策略设计354.2.1 并网逆变器控制目标354.2.2 输出电压型控制策略364.2.3 输出电流型控制策略364.3 输出滤波器设计384.3.1 不带阻尼的滤波器384.3.2 带阻尼环节的滤波器414.4 调制方式的确定434.5 并网逆变器的建模与仿真444.6 光伏发电并网系统的实现464.6.1 光伏发电并网系统结构设计464.6.2 光伏发电并网系统的建模与仿真474.7 光伏发电并网系统的孤岛现象494.7.1 孤岛效应产生的原因及其危害494.7.2 孤岛效应的检测标准505 总结与展望525.1 全文总结525.2 展望53致谢54

13、参考文献55附录57河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 光伏发电并网研究的目的及意义能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来，世界化石能源的有限性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出，已经成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈，清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国高度重视。太阳能作为一种巨量的可再生能源，以其清洁、安全的特点成为具有高度污染性化石能源的主要替代能源。太阳能的利用形式有很多种，其中光伏并网发电作为主要利用形式之一，受到人们的倍加关注。所以，在世界化石能源紧缺和环境污染严重的今天，深入开展太阳能光伏并网发电技术的研究，对于缓解能源危机和加强环境维护、促进经

14、济的可持续发展都具有深远而重大的理论和现实意义1。并网发电作为太阳能发电的主要方式，受到了世界各国极力推崇与大力发展。并网光伏发电具有许多优点2，概括如下：1) 利用取之不尽用之不竭的太阳能发电，不用消耗化石能源，无温室气体和污染物排放，符合经济社会和谐、可持续发展的战略。2) 并网发电不用中间蓄能装置，所发出的电能直接送入电网，相当于把电网作为储能装置，与独立光伏发电系统的比较，减少25%-30%投资成本。此外，省掉蓄电装置还 可以提高系统的平均无故障时间，避免蓄电装置二次污染。3) 分布式建设，发供电就近就地分散，进退电网灵活方便，不仅有利于增强整个电力系统承担风险的能力，还能对电力系统的

15、负荷平衡起到调节作用，并降低线路损耗。4) 并网光伏发电系统还可以起到电网调峰作用。但是并网光伏发电也存在一些缺点2，比如同火电相比，目前并网光伏发电成本相对较高，在没有国家支持的情况下，难以得到普及；其次，并网光伏发电受地理位置、温度、光照强度等各种因素的制约相当严重；再者，光伏电池的光电转换的效率低下， 因此对并网光伏发电系统的效率要求较高；此外，并网光伏发电系统的设计较为复杂， 存在孤岛效应等问题，这也严重制约并网光伏发电的市场应用与发展。但不可否认的是， 并网光伏发电具有巨大的市场潜力与广阔的前景。因此，并网光伏发电系统的研究受到了学术界与工业界的极大重视，这也必将促使不断解决现如今并

16、网光伏发电产业所存在的问题，推动并网光伏发电向前发展。可以推测，并网太阳能光伏发电必将在人类未来51发中占重要地位。1.2 光伏发电系统的概述光伏发电系统(PV System)是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应3。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统4。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于

17、边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电 / 太阳能发电互补系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。目前对光伏并网系统的研究，大多是针对中小型光伏并网电站或是对小区成套光伏屋顶，一般以单相光伏发电并网系统为研究对象。此光伏并网系统也就是本文所称的单相光伏并网系统。这种系统应

18、该是小功率，小体积，低噪声，性能可靠。研发这种系统的目的，是为了推广光伏技术产品进入千家万户。随着太阳能技术的发展，光伏电池的价格下降到适中位置，太阳能产品将以其节能环保的优势，成为一种广为普及的太阳能利用方式。根据其所接负荷的不同，可以进一步分为三相、单相系统，由于设计成三相系统时， 其整体效率不如单相，一般可通过三个单相逆变器组成三相逆变器，同时一般居民用电网络均为单相系统，因此设计小容量光伏发电系统均从单相系统着手。1.3 国内外光伏发电并网技术的发展目前生产光伏电池的原料硅的生产技术发展较为缓慢和落后成为了制约光伏发电 发展的一个瓶颈5。由于光伏电池的转换效率还比较低，往往单片的光伏组

19、件的输出电压和电流都比较小，为了达到系统的额定功率，需要串并联许多光伏组件成为一个光伏阵列。光伏发电并网系统的拓扑结构主要分为单级式和两级式。两级拓扑结构一般由DC/DC 变换器和 DC/AC 并网逆变器组成，前端的 DC/DC 变换器一般是比较常见的BOOST、BUCK-BOOST、CUK 或者是推挽电路等，用来实现光伏电池输出的最大功率跟踪控制；而 DC/AC 一般是单相或三相并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能。单级式拓扑结构只有一级 DC/AC 电路，它同时实现最大功率跟踪和并网控制。对于光伏电池的最大功率跟踪，国内外都进行了较为深入研究。目前对于 MPPT 的控

20、制方法有很多，其中的恒定电压跟踪法、导纳增量法、扰动观测法以及控制较为高级和复杂的滑模控制法、神经网络法等。其中很多方法控制精度非常高，但是控制器的设计难度很大，实际系统难以实现。而对于一般的光伏发电系统，采用常规的导纳增量法或者变步长的导纳增量法就能实现较高的精度，而且设计简单，实用性强。光伏并网逆变器的输出控制模式主要有电压输出控制和电流输出控制。电压输出控制型要求其输出电压与电网电压相位频率同步，而且要求等幅值并网；而电流输出控制型则只要求输出电流与电网电压同频同相。由于控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相不但较为简单，而且性能优良，所以目前国内外多是采用控制电流输出的并网模式。而控制

21、系统的调制方式在单相系统中往往采用SPWM 调制，三相系统中则多采用SVPWM 调制方式。光伏逆变器还必须具有较为准确可靠的反孤岛效应功能。孤岛效应的检测与防止策略必须实现在电网正常时，不对并网电流产生较大的谐波污染，还需要在电网脱离光伏系统后，及时检测出孤岛效应并加以防止。孤岛效应的检测方法较多的采用主动式检测法，主要针对频率、电压幅值、以及功率等信号进行扰动形成正反馈加以检测。在孤岛效应的检测与防止领域，相关权威机构制定了一个 IEEE Std.2000-929 标准6和 UL1741 标准7，系统必须应满足标准规定的要求。1.4 本设计的主要任务本文主要针对小功率单相光伏系统进行并网设计

22、，运用理论研究结合仿真分析的方法，对两级式光伏并网系统的 DC-DC 部分和 DC-AC 部分进行设计，并利用 Matlab 软件进行建模仿真。论文的主要设计工作如下：1、研究分析光伏电池的基本原理与等效模型，并选择其中一种适合工程研究分析所用的模型，仿真分析其在不同光照强度和不同温度下的输出特性。2、对直流电压变换电路原理与优缺点进行研究，选择 Boost 升压电路实现最大功率跟踪（MPPT）；详细分析几种常用的最大功率跟踪的控制算法，选择自适应变步长电导增量法实现最大功率跟踪的控制，并搭建仿真模型进行仿真实验。3、研究光伏并网逆变器的拓扑结构与控制方法，选择合适的拓扑电路，搭建并网逆变器的

23、仿真模型，并利用固定开频率的控制算法进行仿真实现并网电流对电网电压的单位功率因数追踪。4、建立 1KW 两级式光伏发电并网系统仿真模型，实现最大功率跟踪与逆变并网的协调控制。对光伏发电并网系统产生孤岛效应的原因及其危害进行分析研究。2 系统总体结构设计本设计主要针对小功率光伏发电系统，由于小功率光伏电池板输出的电压比较低， 达不到并网的要求，因此需要用到直流升压电路将电压升高；要想将光伏阵列发出的直流电并入工频交流电网，必须将直流电转换为与工频电网同频同相的交流电，因此需要使用逆变器进行直流电到交流电的转换；由于逆变器直接输出的交流电含有大量的谐波， 因此需要使用滤波电路将谐波滤除，滤除谐波后

24、的交流电才能达到并网的要求。光伏并网系统主要有六大部分组成，分别为：光伏电池阵列、 DC/DC 升压电路、DC/AC 逆变电路、并网滤波电路、最大功率跟踪控制器和并网逆变控制器。其中 DC/DC 升压电路和 DC/AC 逆变电路为主电路，最大功率跟踪控制器和并网逆变控制器属于控制电路。系统总体拓扑结构如图 2-1 所示。光伏电池阵列DC/DC升压DC/AC逆变滤波电路工频交流电网MPPT控制器并网控制器图 2-1 光伏发电并网系统拓扑结构光伏电池陈列是由若干个太阳能电池单元通过串并联组成的，是用来将太阳能转换为电能的装置。DC/DC 升压电路由 Boost 升压电路构成，通过直流斩波技术将光伏

25、阵列两端的低电压升高到满足并网条件的高电压。MPPT 控制器通过对 DC/DC 升压电路的控制实现光伏电池阵列的最大功率跟踪，使光伏电池阵列始终工作在最大功率点处。DC/AC 逆变电路由单相全桥逆变器构成，属于电压型逆变电路，用来将升压电路输出的直流电逆变成交流电。并网控制器通过电压电流双闭环对逆变电路进行控制，电压外环实现直流母线电压的稳定，电流内环实现逆变器输出的电流对工频电网频率和相位的跟踪，使其输出的电流接近与工频电网同频同相的正弦波。滤波电路通过对逆变器输出电流中谐波的滤除，得到与工频电压同频同相的电流，实现单位功率因数并网。本文通过 Matlab/Simulink 平台对并网系统的

26、各个部分建立模型进行仿真。首先对光伏电池阵列建立仿真模型，并对其输出特性进行仿真分析；再对 DC/DC 变换电路和最大功率控制电路进行设计，并建立模型进行仿真；然后对 DC/AC 变换电路、逆变器控制电路和滤波电路进行设计，并建立模型进行仿真；最后将各个部分按图 2-1 所示的结构进行连接，使各部分协调控制实现光伏发电并网。3 光伏发电及最大功率跟踪建模与仿真3.1 太阳能光伏电池的建模与仿真P + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -N-+-+- +-+- - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + +-+- +-

27、太阳电池(solar cell)通常由半导体材料制成，其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元，由于单个太阳能电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串联或者并联组合， 并进行封装后构成太阳电池组件使用，所以我们实际应用中的最小单元是太阳电池组件， 光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。从以上分析可知，掌握光伏阵列的原理和工作特性应该从太阳电池开始。P区光生电PN区动势N区a) 电池平衡时b) 光照时图 3-1 光伏电池工作原理太阳能光伏电池的基本工作原理是利用光生伏特效应使太阳辐射能在电池板上的 能量转换

28、为电能，光伏电池工作原理如图 3-1 所示8。太阳能电池是有若干个 PN 结构成的，在晶体中 P 型硅和 N 型硅对电路是呈电中性的。当太阳光照射到电池板上的PN 结时，有一部分光线会被反射，而剩下的光则会被 PN 结吸收，被吸收的能量除了转换为热能外，其余部分是以光子的形式存在，P 型硅和 N 型硅在具有足够能量的光子作用下能够将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。在 PN 结区附近，由于电子和空穴之间的相互扩散作用，会在结区形成一个内电场，其方向是由 N 区指向 P 区的。由于内电场的存在，电子将流向 N 区，空穴将流向 P 区，最后 N 区会有多余的电子，P 区会有多余的空穴，少数载

29、流子运动到 PN 结区，就会受到 PN 结对它们的牵引作用，进而漂移到对方的区域，这样就会对外形成一个与 PN 结内电场方向相反的光生电场。光生电场抵消部分内电场后，由于 P 区还是带正电，N 区带负电，在 P、N 区之间产生光生电动势，一旦电路形成通路，电路中就会有电流通过，输出电能。太阳能电池元件根据一定的方式组合在一起，就可以形成一个大的太阳能光伏电池组件，从而在足够光强的太阳光作用下产生一定的电压和电流，实现光电能量转换。目前用于光伏发电系统的太阳电池多为硅材料太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。3.1.1 光伏电池数学模型的建立太阳电池的等效电路如图3-2所示9。通过分

30、析太阳电池的工作原理可知，光伏电池的输出特性不仅与电池自身的参数有关，还与光照强度和电池温度等外界环境有关，呈非线性。在光照强度不变时，由于光伏电池的光生电流I 不会随着电池工作状态的改变ph而发生变化，所以在光伏电池的等效电路中用恒流源来等效光伏电池。当光伏电池连通负载R ，其光电流流过负载电阻时，在负载的两端建立起端电压，而端电压又正偏于PNL结二极管，形成与光生电流方向相反的电流I ，削弱了光生电流。其中R 是构成光伏电ds池的半导体电阻和电极电阻等电阻的和；R 是漏电阻，指由于制作工艺原因导致电池边sh缘产生微裂痕等缺陷而引起金属桥漏电，形成了这个旁漏电阻；R 是电池与背面的电极s接触

31、及材料本身电阻的一个总等效阻值。Iph+RIs+IIshdLRURULsh-图 3-2 太阳能光电池等效电路根据光伏电池的等效电路可得：又由于：根据理想的 PN 结特性可得：𝐼 = 𝐼𝑝𝑕 𝑈𝐿 𝐼𝑑(3-1)𝑅𝑠𝑈𝐿 = 𝑈 + 𝐼𝑅𝑠(3-2)𝐼𝑑= 𝐼𝑜𝑒

32、𝑞(𝑈+𝐼𝑅 𝑠) 1(3-3)𝑛𝐾𝑇根据以上式子可得光伏电池的 I-U 特性方程：𝐼 = 𝐼 𝐼𝑒 𝑞(𝑈+𝐼𝑅 𝑠) 1 𝑈+𝐼𝑅𝑠(3-4)𝑝𝑕𝑜式中：I-光伏电池的工作电流（A）I -短路（光生）电流（A）p

33、hI -反向饱和电流（A）oq-单位电荷（1.6e-19C） T-绝对温度（K）𝑛𝐾𝑇𝑅𝑠U-光伏电池的输出电压（V）K-玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） n-二极管因子由公式(3-4)式可知太阳能电池的光伏特性方程为一超越方程，理论上能够准确得到光伏电池的 I-U 特性曲线，但电压和电流耦合在一起不便于工程实践的相关运算，并且公式(3-4)中的 I 、I 、R 、R 等这些参数不仅与电池自身有关，还与日照强度和温度等phossh外界环境也有关系，要确定这些参数十分困难。一般在工程上所用到的技术参数主要为光

34、伏电池生产厂商提供的数据，因此需要对公式(3-4)进行简化，获得适合工程应用的实用化表达式。工程用数学模型强调的是实用性与精确性的结合，因此对公式(3-4)化简的基本思想是在保证工程精度的前提下，对公式(3-4)所表达的光伏电池输出特性进行适当的简化和变形。光伏模块生产厂家只为用户提供标准测试条件下的开路电压 U 、短路电流 I 、ocsc最大功率点处的电流 I 、最大功率点处的电压 U 和最大功率点处的输出功率 P 等五个mmm产品参数。光伏电池工程用数学模型一般会要求电池生产厂家提供上述五个电池参数来复现光伏电池在任意日照和温度条件下的输出特性。在光伏电池中，并联电阻 R 阻值很大，而串联

35、电阻 R 阻值则非常小。由于 R 、shsshRs 是分别并联、串联在电路中的，因此在进行计算时则可以进行以下的近似10，即：(a) 由于 R 很大，使得(U+IR )/R 远小于光伏电池的电流，通常情况下可将该项忽shssh略，则：𝐼 = 𝐼𝑝𝑕 𝐼𝑜𝑒 𝑞(𝑈𝐼𝑅 𝑠) 1(3-5)𝑛𝐾𝑇(b) 考虑到 R 通常远小于二极管正向导通电阻，因此设定 I =

36、I ，则：sphsc𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 𝐼𝑜𝑒 𝑞(𝑈𝐼𝑅 𝑠) 1(3-6)𝑛𝐾𝑇此外，还需要考虑光伏电池处在最大功率点和开路状态条件下电压与电流的关系：(a) 光伏电池处于最大功率点时，U=U 、I=I ，则：mm𝐼𝑚= 𝐼𝑠𝑐 𝐼𝑜⻕

37、0; 𝑞(𝑈𝑚𝐼 𝑚𝑅𝑠) 1(3-7)𝑛𝐾𝑇(b) 光伏电池处于开路状态下时，U=U 、I=0 则：oc0 = 𝐼𝑠𝑐 𝐼𝑜*𝑒𝑞𝑈𝑜𝑐 1(3-8)𝑛𝐾𝑇综合以上对光伏电池数学模型的分析，可将(3-4)式简化为(3-9)式，即：

38、𝐼 = 𝐼𝑠𝑐1 𝐶1 𝑒 𝑈 1(3-9)𝐶2𝑈𝑜𝑐𝐶2𝑈𝑜𝑐由于常温条件下𝑒 𝑈 1，因此可忽略公式(3-9)中的“-1”项，于是可得：𝐶1= 1 𝐼𝑚𝑒𝐼𝑠𝑐 𝑈𝑚 Ү

39、62;2𝑈𝑜𝑐(3-10)由开路条件下的公式(3-8)，并把公式(3-10)带入公式(3-9)，可得：𝐶 = 𝑈𝑚 1 *𝑙𝑛 1 𝐼𝑚+ 1(3-11)2𝑈𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐因此本模型只需太阳能电池通常的技术参数 I 、U 、U 、I 就可以根据公式(3-10)scocmm和公式(3-11)得出 C1 和 C2，最后的太阳能电池 I-U 曲线是由公

40、式(3-9)确定的。由于光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响比较大，一般情况下，标准参考光照强度和温度分别为：R =1000W/m2 和 T =25。当外界辐照强度和环境温度refref发生变化时，必须考虑外界因素的变化对光伏电池特性的影响，需要加以改动光伏电池的模型来描述其在新环境下的特性曲线。对大量实验数据进行拟合，可得到下面在工程应用中已经被证明具有足够的精度的表达式：T=T +kSair式中：T光伏电池 P-N 结的温度（）；T 外界环境温度（）；airS光伏电池阵列所接受的辐照强度（W/m2）；(3-12)k光伏电池陈列组件结构方式与支架构造的温度系数（m2/W），对于常见的

41、太阳电池阵列支架，可取k=0.03(m2/W)。根据在标准参考光照强度和温度下光伏电池的I 、U 、U 、I 推算出在新的光照强scocmm度和温度下光伏电池的I 、U 、U 、I ，再带入公式(3-9)、(3-10)、(3-11)即可得到在scocmm新的光照强度和温度下光伏电池的特性曲线。𝑇 = 𝑇𝑎𝑖𝑟 𝑇𝑟𝑒𝑓(3-13)S = 𝑆 1(3-14)𝑆𝑟𝑒𝑓w

42、868; = 𝐼 𝑆 1 + 𝑎𝑇(3-15)𝑈𝑜𝑐𝑠𝑐= 𝑈𝑜𝑐𝑠𝑐 𝑆𝑟𝑒𝑓1 𝑐𝑇 𝑙𝑛 𝑒 + 𝑏𝑆(3-16)𝐼 = 𝐼 𝑆 1 + 

43、9886;𝑇(3-17)𝑚𝑚 𝑆𝑟𝑒𝑓𝑈 = 𝑈1 𝑐𝑇 𝑙𝑛 𝑒 + 𝑏𝑆(3-18)𝑚𝑚其中：a=0.0025/、b=0.5、c=0.00288/。根据公式(3-9)-公式(3-18)可得到图 3-3 所示的光伏电池 I-U 特性曲线，简称为伏安特性曲线。由光伏电池伏安特性曲线可以看到，太阳能电池既非恒压源

44、，也非恒流源， 它不可能为负载提供无限大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在大于某一个电压之后，电流迅速下降至零。还可以看出，光伏电池的短路电流 I 即为伏安特性曲线与电流轴的交点；开路电压 U 即为伏安特性曲scoc线与电压轴的交点。IscAW/I/PU / VUocU / VIscV M + -vIsc UocUoc图 3-3 光伏电池 U-I 曲线图 3-4 光伏电池 P-U 特性曲线根据功率定义式 P=UI，可得到光伏电池的 P-U 输出特性曲线，如图 3-4 所示。由光伏电池的 P-U 特性曲线图可以看出，在随着光伏电池的输出电压不断增大的过程

45、中，光伏电池的输出功率并不是一直增大的，而是存在最大功率点 M(U ，P )。最大输出功mm率点 M 对应的电流为最佳输出电流 I ，对应的电压为最佳输出电压 U 。当达到最大功mm率点之后，随着电压的增大，输出功率就会快速下降。3.1.2 光伏电池 Matlab 仿真模型的建立TT S+S1Im+C C SIms-Umsfunction2UmS-Function图 3-5 光伏电池的 Matlab 仿真模型图 3-6 光伏电池的电气参数太阳能电池可以看成是一个电压控制的电流源，其输出电流与输出电压存在(9)式对应的关系，根据公式(3-9)-公式(3-18)，再利用 Matlab/Simuli

46、nk17里面的 S-function 模块， 可建立太阳能电池的 Matlab 仿真模型如图 3-5 所示。只要输入当前光照强度与环境温度，根据所接负载情况，图 3-5 所示仿真模型会在匹配的工作点下输出功率。为了验证太阳能电池输出功率与光照强度和环境温度的关系， 本文选用无锡尚德太阳能电力公司的一款 250W 单晶硅太阳能电池进行仿真模拟，其电气参数如图 3-6 所示。利用所建模型对不同光照强度和不同温度下的光伏电池进行仿真， 图 3-7 为环境温度为参考温度 25时，光伏电池在不同光照强度下的输出特性曲线；图3-8 为光照强度为参考光照强度 1000 W/m2 时，光伏电池在不同的环境温度

47、下的输出特性曲线。1000w/m2800w/m2600w/m2400w/m2200w/m2s=1000w/m2 s=800w/m2 s=600w/m2s=400w/m2s=200w/m210300200AW/P/5I100001020U / V3040001020U / V3040a) I-U 曲线b) P-U 曲线图 3-7 环境温度为 25时光伏电池的仿真特性曲线T=20T=0T=40 T=60T=80T=0 T=20T=40 T=60T=8030010200WA5/P 100I00510U / V152000510U / V1520a) I-U 曲线b) P-U 曲线图 3-8 光照强度

48、 S=1000W/m2时光伏电池的仿真特性曲线3.1.3 光伏电池输出特性仿真分析1、光伏阵列的输出特性由图 3-7 可以看出，光伏阵列的伏安特性近似为矩形，当工作点在最大功率点左侧波动时，光伏阵列类似于恒流源；当工作点在最大功率点右侧波动时，光伏阵列类似于一个恒流源。根据相关文献，恒压源和恒流源的部分所占区域的比值大致为4：1。光伏 阵列所提供的电源是直流电源，不是真正的恒压源和恒流源，而是需要追踪其最大功率点的非线性的电源。2、光照强度对光伏阵列输出特性的影响图 7 可以看出，相同温度条件下，光照强度变化时，开路电压的变化幅度较小，而短路电流的变化幅度较大，这与理论分析想符合，也验证了所建

49、立的光伏阵列仿真模型的正确性。从图中还可以看出光照强度越大，最大功率点处的电流越大，其最大功率点功率也越大，而其对应的最大功率点电压变化不大。当光伏阵列的工作点偏移到最大功率点的右侧时，如果工作电压继续增大，会出现光照强度越强发出的功率越小的现象， 这种情况下显然造成了相对更大的功率损失。因此，在实际应用中应该尽量避免这种情况发生，在相对较小的电压范围内进行最大功率点跟踪。3、温度对光伏阵列输出特性的影响由图 3-8 可以看出，随着温度的降低，短路电流略有下降，而开路电压的增加较大， 最大功率点功率也有较大的增加。显然，光伏阵列呈现出一种负温度系数。根据相关研究，光伏组件温度每升高 1，则短路电流会增加 0.04%，而开路电压会减小 0.4%，最大功率点的功率会减小 0.4%。而光伏阵列必须要接受太阳光的照射才能工作，同时其自身工作的过程也会发热，因此必须要注意控制光伏阵列的工作温度。3.2 最大功率跟踪算法的实现设计+RiU-iRo电源在通常的线性用电系统中，为了使负载获得最大的功率，通过对负载进行适当的匹配，使负载端电阻与供电系统中的等效内阻值相等，这样在负载端就可以获得最大的功率，如图3-9所示8。+Uo-图3-9 简单线性电路iio图中，U 为