南京理工大学科研训练结题报告项目名称：太阳能电池特性及最大功率点跟踪技术研究资助类别：校级普通项目指导教师： 项目成员：二零一五年十月二十一日摘 要在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析，建立了MATLAB 仿真模型，提出了相应的控制策略，并进行了实验验证。首先，本文对光伏发电系统的组成进行了分析，光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。根据光伏发电系统和电网的关系，还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。然后，本文对光伏电池的电气特性进行了分析，并建立了光伏电池的仿真模型。同时，本文对常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法：扰动观测法（P&O）进行了仔细的分析，并提出了改进的方法：通过变步长实现占空比跟踪的方法。关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；扰动观察法；变步长；MATLAB/SIMULINK仿真。目 录摘 要.I 第一章 绪论411 研究背景412 研究现状4121 光伏电源系统4122 最大功率点跟踪4123 电力电子仿真工具513 研究内容514 研究意义515 实现方法及预期目标5第二章 光伏电池特性的研究621光伏电池的分类622 光伏电池的工作原理72.2.1 P-N结简介72.2.2 光伏电池的工作原理723 光伏电池的电气特性8231 光伏电池输出特性方程8232 光伏电池模组与阵列1024光伏电池的仿真实现11241仿真模型11242 光伏电池的特性分析.1125 小结13第三章 电力电子转换器14 3.1直流斩波电路.14 3.1.1工作原理.15 3.1.2数量关系.15 3.2 boost斩波电路.16 3.2.1 boost斩波电路原理.16 3.2.2 boost斩波电路的应用.18 3.3 设计内容及要求.18 3.3.1 设计的要求.18 3.3.2输出值的计算.18 3.4 仿真.19 3.4.1 主电路工作原理.19 3.4.2脉冲、电感电流和负载电压仿真图.19第四章 最大功率点跟踪算法的研究21 41 光伏系统的最大功率点跟踪21 4. 2 MPPT算法的总体模型23 4. 2. 1开路电压法算法的具体模型23 4. 2. 2扰动观察法算法的具体模型24 4. 2. 3恒压控制法算法的具体模型24 4. 2. 4 波形比较24 4. 3各种方法的优缺点.25 431恒定电压法.25 432开路电压法.25 4.3.3 扰动观察法.26 44扰动观察法的详细分析.26 441扰动观察法的具体模型.27 4.4.2 仿真结果.28 5. 5改进.29第五章 总结30 参考文献 第一章 绪论11 研究背景随着全球经济的发展，能源问题日益尖锐，越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位，世界各国都投入大量的人力、物力、财力争相发展。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。因此我们可以看出光伏电池的设计有着广阔的前景和意义。限制光伏系统的主要因素有两点：初期投资比较大；太阳能光伏电池的转换效率低。目前我们通常使用的光伏电池效率在15%左右，即使世界上最先进技术的光伏电池在特殊的实验条件下也只能达到40%，因此光伏电池最大功率跟踪就变得十分重要，所以长期以来都是学术界研究的热点。 12 研究现状121 光伏电源系统常用光伏电源系统主要有直流系统和交流系统。光伏电池将吸收的光能转换成电能且通过供电控制器供给负载用电。光伏电源系统具有以下优点：(1) 用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式，光伏电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料；(2) 太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用：(3) 不包含任何运转部件，系统可连续工作，使用寿命超过数十年；(4) 具有良好的模块化特点，可根据负载当前需求具体定制，将来再扩容；(5) 太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定；(6) 无需为揍入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失，而太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。122 最大功率点跟踪光伏电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说都采用一个变换装置，使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态，再使它向负载供电，即所谓的最大功率跟踪器。目前，最大功率点跟踪算法主要有电压回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动观察法和增量电导法。根据不同的应用场合与性能要求可选择不同的方法。123 电力电子仿真工具MATLAB是美国MathWork公司自1984年开始推出的一种使用简便的工程计算语言，是当今最流行的科学技术软件，MATLAB仿真技术已渗透到工程技术及物理实验等各个领域，可以实现工程