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1、基于Simulink的光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真学院：宣息学院专业：包动化姓名：张太杰学号：090104031042指导老师：许强强职称：一助教中国珠海二0一三年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于SimUlink的光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名：日期：年月日基于Simulink的光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真摘要当今社会都在提倡绿色环保的新能源，其中太阳能是被人类普遍认为的绿色能源。然而，阻碍太阳能快速开展的根源是光伏电池的转换效率
2、问题。实际投入应用的光伏电池转换效率都低于35队至今许多学者提出了各种各样方法，如恒压控制法、电导增量法、扰动观察法、模糊逻辑控制法和神经网络法等等，来提高光伏电池转换效率。基于此，本论文主要研究基于Simulink的光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真。首先对光伏电池特性进行了分析。其次确定了仿真的总体设计方案，该方案由光伏电池模块、BOOST电路模块、控制器模块和脉宽调制器模块组成。再次，对各个模块一一搭建仿真模型，其中BOOST电路模块需要设置好各个元器件的参数；对于控制器模块是根据成熟的扰动观察法的算法搭建，而这是最重要的一局部，它的优劣直接影响到快速跟踪的效果；脉宽调制主要使用占空比增量
3、DD与三角波进行比拟得出一定脉宽的信号，用来控制IGBT的导通和关断。最后，把各个模块连接起来进行仿真，仿真结果说明到达了跟踪最大功率点的目的。关键词：光伏电池BooST电路控制器脉宽调制器PhotovoltaiccellsbasedonsimulinksimulationofmaximumpowerpointtrackingtechnologyAbstractToday,ssocietyadvocatesgreennewenergyofCnvironmentalprotectionandthesolarenergyisconsideredbyuniversalhumanitisgreenen
4、ergy.However,(hebarrierofthesolarenergydevelopmentisthephotovoltaicbatteryconversionefficiency.Inthepracticalapplicationphotovoltaiccellconversionefficiencyislowerthan35%.Sincemanyscholarshaveputforwardvariousmethods,suchasconstantpressurecontrol,incrementalconductancemethod,disturbanceobservationme
5、thod,neuralnetworkandfuzzylogiccontrolandsoon,toimprovetheefficiencyofphotovoltaiccelsconversion.Basedonthis,thisthesismainlystudiesthemaximumpowerpointofphotovoltaiccelltrackingtechnologybasedonSIMULINKsimulation.Firstofall,thephotovoltaiccellcharacteristicsareanalyzed.Secondlydeterminetheoverallde
6、signschemeofsimulation,thesolutionismadeofthephotovoltaicbatterymodule,theBOOSTcircuitmodule,controllermoduleandpulsewidthmodulatormodule.Again,foreachmoduleonebyonetobuildsimulationmodel,theBOOSTcircuitmoduleneedtosetuptheparameterofallcomponents,andcontrollermoduleisbasedonmaturedisturbanceobserva
7、tionalgorithmtobuildandthisisthemostimportantpartofthatitdirectlyaffectstheeffectofthefasttrack,PWMusesmainlyconductionthanincrementalDDcomparedwithtriangularwaveobtainedcertainpulsewidthsignal,tocontroltheIGBTturn-onandturn-off.Finally,connectthevariousmodulesofthesimulation,thesimulationresultssho
8、wthatitachievethegoalofthemaximumpowerpointtracking.KeywordsrphotovoltaicCellsTheBOOSTcircuitTheControllerPBI目录1引言o1.l课题研究背景O1. 2本课题的目的和意义O选题的目的O选题的意义O1.3 光伏发电的开展和现状I国内的光伏发电的开展和现状1国外的光伏发电的开展和现状11.4 本课题主要研究内容和创新点21-5研究的根本思路和技术路线31. 6本章小结32光伏电池分析32. 1光伏电池工作原理32.2光伏电池物理模型42. 3光伏电池输出特性62. 4本章小靖63光伏电池最大功
9、率点跟踪技术的算法63. I光伏电池最大功率跟踪(MPPT)概念和根本原理64. 2BOOST电路设计73. 2.IBOOST电路模型建立7参数设置83.3脉宽调制器设计103. 3.IPWM模型搭建103. 4常用的最大功率跟踪控制方法的分析10恒压跟踪法103. 4.2电导增量法114. 4.3扰动观察法113.5 控制器设计错误!未定义书签.3. 5.I控制器模型搭建123.6 本章小结134光伏电池最大功率点跟踪技术的Simulink仿真134.1 仿真模型134.2 仿真结果134.3 仿真结果的总结145结论14参考文献15谢辞16附录161引言1.1 课题研究背景人类的生存和开展
10、始终离不开能源。从原始社会的用火石生火，从而获得光能和热能；当瓦特制造出了人类第一台蒸汽机之后，人类就从此步入蒸汽机的时代；当班杰明.富兰克林通过风筝拴上钥匙的实验，发现了电，从此电能把人类推上了电气时代。人类生存和开展功不可没的是能源。人类通过自身的劳动和智慧开发了化石能源、核能、地热能、风能及太阳能等。但是，随着人类不断的快速开展经济，人类对能源的需求永无止境，传统的化石能源用一点少一点，难于维持高速开展的经济，能源危机己迫在眉睫。经过对全球能源的调查说明：石油在未来39.9年后会枯竭，天然气在36年后可以用光,煤炭是污染的罪魁祸首却在227年后可以采完。可见，化石能源的可开采不久后难于维
11、持人类的正常开展。我们应该合理开发有限的资源，让我们的子孙后代能有资源可用。并且我们应该积极研究和开发可替代能源，是人类可持续生存开展。由于近几年来我国经济开展迅速，国内对能源的需求大幅增长。从1993年起，中国进入了石油净进口国之列,三年之后，中国成为了原油净进口国成员之一，又到2000年，原油净进口量上升到6960万吨，然而，这种趋势在悄然中上升。大概至2023年，中国的石油进口量即净进口量将到达30%,到2023年将会到达40%左右。预计到2023年和2023年，中国对天然气进口的依赖程度将分别到达15%和25%。到那时中国的能源平安很有可能会受到一定威胁。大量的化石能源的开发和利用在逐
12、步的威胁人类的生存环境。目前由于大量使用矿物能源，排出的温室气体和有毒气体已经造成非常严重的大气污染。当前人类的开展面临着环境受到严重的污染和能源短缺的问题，这个问题的解决需要全世界科学界共同努力寻找清洁环保能源。庆幸的是该问题有了方向，科学家瞄准了取之不尽用之不竭的太阳能。1.2 本课题的目的和意义1.2.1 选题的目的学习如何查阅文献，获得科研最新进展，本报告与光伏电池有关，因此要多了解这方面的动态。光伏发电是当今非常看重的能源的来源，他是非常清洁的能源。当今对他的研究还是在初级阶段，尤其中国这方面的研究远没有西方国家走的更远、更深入。在能源危机加速的情况下，己促使我国在这方研究的投入不断
13、地加大。我选择这个课题，希望在这领域能够奉献自己的一份力量。1.2. 2选题的意义当前，随着经济的高速开展，人类对资源的需求量日益加大，为此给环境造成巨大的破坏。在环境保护与有限的自然资源的双重矛盾下，因此，各国不得不从新考虑开发和使用新能源。世界各国都在积极开发太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物能、核能等清洁能源L其中太阳能是一种非常洁净能源，其来自遥远的恒星一太阳，可以说这是人类永恒开展的不绝动力，对太阳能的开发和利用时几乎不产生任何污染。使得其越来越受到科学家的广泛关注，它是人类理想的替代能源。在进十来年许多研究员对太阳能发电和并网进行潜心的研究，研究出了不少的结果，为太阳能发电的推广和
14、应用做到巨大奉献。但是当今世界，火力发电的比重还是很高，尤其在开展中国家。开展中国家太阳能等新兴能源没有得到有力的推广，主要是因为缺乏资金和技术并且火力发电投资效益好，建设周期短，技术相当的成熟。例如我国火力发电所占比重超过70%。火力发电对环境的破坏和污染非常严重。为了改善坏境，人类应该努力淘汰高能耗、高污染的火力发电，积极寻求环境友好型的能源。1.3光伏发电的开展和现状1. 3.1国内的光伏发电的开展和现状从1985年起，我国开始了光伏电池的研究工程，并且在20世纪70年代的时候制造出自己的光伏电源，到了80年代，我国还渐渐引进了美国单硅光伏电池和非晶体硅光伏电池。经过十来年的努力，光伏电
15、池在我国己走向了快速开展的道路。在开展政策制度方面，中央制定了关于“金太阳工程的工程，该工程的实行使光伏产业得到了极大的开展。据统计，截止到1997年，我国安装了各类光伏系统的总量（其中包括进口光伏系统）己到达大约IlMW,并且还建立了20KW以上光伏电站7座。比方，在1998年我国在海拔450Om处，建成了0.IMW光伏发电站，使之跻身于世界上海拔最高的光伏发电站。2023年1月16日，采用光伏电源大型并网逆变器技术的3个大功率光伏发电站在宁夏成功并网发电，这是我国最大规模的光伏电站首次成功并网。这次顺利并网给我国在荒漠光伏电站的推广和应用树立了良好的典范，同时也给日后的并网工作起到借鉴作用
16、。在中国新能源开展行业和低碳经济领域具有划时代意义。在我国76%的国土面积有着充足的光照，全年照射总量大约为917到2333KWm2,理论总储量为15876Gwh/a,光照资源分布较为平均，资源优势得天独厚，所以我国光伏发电应用前景十分广阔。我国能源供给中以煤碳为主，其消耗量非常之大，同时也带来了众多严重的环境问题，从能源和环境两方面来考虑，我国政府己经开始方案并采取有力的措施以开展可再生能源技术。由2007年我国制定的能源规划可知，到2023年光伏发电总容量将达18GW,并且根据在该方面有一定研究的专家的预测，这一数字有望到达IOGW。从市场方面考虑，我国还有不少地区处于缺电甚至无电的状态，
17、百姓急需正常生活用电，再加上我国的经济迅速开展，为光伏市场提供了更好的开展契机，可以预测并网型光伏发电站很快就会进入电力市场，一定会为提高人民生活水平做出巨大的奉献。2. 3.2国外的光伏发电的开展和现状在全球，光伏发电行业一直处于快速开展的状态，国际光伏发电行业在过去10年中的年均增长率大约为20%,1998年世界光伏电池组件生产量为155MW,到2000年增长了133MW,而到2002年增长达385MW0目前全球光伏电池产业的出售收入超过20亿美元。随着新技术的不断开展，并网发电在发电市场中所占的比例逐步开始加大并慢慢占据主导地位，并网光伏系统在光伏发电中的比例不断加大，光伏发电己经开始逐
18、渐从偏远地区的特殊用电转向城市的生活平常用电。进入21世纪以来，全球光伏并网发电装机容量增长快速，从2000年的187MW递增到2023年的12.95GW,年均增长率大约为60.99%,同比2007年增长了72.76机全球光伏并网发电并网累计总量增长为11倍左右，从2000年的L4GW增长到2023年的L8GW,年增长率35.6%,和2007年相比增长60.78%,据统计，到2023年，全球累计并网将会接近30GW。在世界各国中，日本因为资源十分短缺，很早便重视开展光伏发电，并且从1999年起光伏电池组件的生产就超过了美国而位居全球第一。日本提出的面向2030光伏路线图的概述中明确说明，到20
19、30年，全国累计安装光伏电池组件容量要到达ITW印。在美国，1999年前，其光伏电池研究与开展一直处于世界领头地位，但随后因为种种原因，逐渐落后于日本和欧洲。2004年9月，美国提出了“我们太阳电力的未来：2030及更久远的美国光伏工业线路图，明确说明要把恢复美国在光伏领域上领先地位作为目标。此后，美国安装光伏电池组件的增长率每年大约都在30%以上，同时美国预计，到2023年时累计安装太阳能电池组件容量将到达36GW,平均每年安装7.2GW,预计十年后光伏电池组件安装容量将到达0.2TW,光伏发电总量将达3699亿KWh。全球光伏技术的飞速开展，具体表现在以下几点：(1)大型光伏发电站越来越多
20、；(2)累计安装光伏电池组件容量增加；(3)光伏电池组件的价钱不断下降；(4)光伏电池组件的使用寿命不断增长；(5)屋顶并网光伏系统增多。1.4本课题主要研究内容和创新点本课题的主要研究内容分为以下几点：第一、查阅国内外常用最大功率跟踪技术的开展现状熟悉新能源的种类和特点：第二、理解光伏电池最大功率点跟踪技术的原理；第三、利用MATLAB/Simulink搭建基于BOOST电路的最大功率跟踪技术模型。第四、制作一款光伏系统的总参数为:VOC=Io0V,Vm=78V,Isc=8A,Im=7.2A的光伏发电系统。本课题的创新点分为以下几点：第一、根据扰动观察法搭建控制器模块和模块中参数的设置；第二
21、、IGBT驱动脉冲控制信号的产生，PWM模型及参数的设置；第三、通过对各个模块的连接和调试，再一次把个模块的参数匹配合理，最终能够有效的进行仿真，得到满意的结果。1. 5研究的根本思路和技术路线研究根本思路：了解光伏发电开展现状，应用前景和学术界在光伏发电的研究情况。对光伏电池的工作原理及输出特性进行介绍，详细分析光伏电池工作的等效电路和数学模型o搭建BOOST电路仿真模型，然后，对BOOST电路的电容、电感和IGBT的参数进行设置。介绍光伏电池最大功率点跟踪的概念和根本原理，分析恒压控制法、电导增量法、扰动观察法跟踪最大功率点的原理。利用MATLAB中Simulink的模块结合扰动观察法搭建
22、控制器和脉宽调制器。把光伏电池模型、BoOST电路模型、控制器和脉宽调制器组成最大功率跟踪仿真系统。利用该仿真模型，实现光伏电池最大功率点跟踪。最后分析仿真结果,说明模型的可行性。研究的技术路线：PV:光伏电池特性分析;BooST:利用一个电感、一个电容、一个二极管、一个电阻和一个IGBT构建仿真模型；控制器:根据扰动观察法的算法构建仿真模型；PWM：利用Simuink模块中三角波发生器和比拟器组成脉宽调制器，通过控制器改变PWM输出的脉冲宽度。1. 6本章小结本章介绍了课题研究背景、意义和目的，分析了光伏发电的国内外的开展和现状；说明了本课题主要研究内容和创新点；细述了研究的根本思路和技术路
23、线。2光伏电池分析1.1 光伏电池工作原理光伏电池主要是用硅材料做成的，这个硅包括多晶硅、单晶硅和非晶硅。硅材料在地球中储量非常丰富，经过无尘加工可以制成晶体硅。当前光伏电池大多用单晶硅和多晶硅为材料,现在以单晶硅光伏电池为例进行介绍。单晶硅光伏电池外形结构如图2.1所示：图2.1光伏电池结构这是一种N+/P型光伏电池,它的基体材料为P型单晶硅,该层参杂了微量三价元素，厚度在O.04mm以下,上外表层为N型层,是受光层,该层参杂了重量的五价元素。它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上外表上加有栅状负极,可提高转换效率，而在最底层是金属正极；此外,在光伏电池朝光面上,加有一层可以减少对阳光反射
24、的物质，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜,从而，可以使光伏电池在一定面积内接受更多的阳光，在一定程度上可以提高光伏电池的输出功率。光伏电池的工作原理:对于半导体材料而言，当其中的P-N结处于平衡状态的时,在P-N结处会形成一个空间电荷区也即耗尽层或阻挡层，构成由N区指向P区的内电场。当射光子的能量大于禁带宽度Q即入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候,太阳光子射入半导体内部,把电子从价带激发到导带,在价带中留卜一个空穴,产生了一个电子和空穴。因此，当能量大于禁带宽度的光子进入电池的空间电荷区时,会激发产生一定数量的电子和空穴。在空间电荷区中产生的电子和空穴,立即被内电场排斥到P区和N区，激发的电子
25、被推向N区,激发的空穴被推向P区。最终使N区中获得了许多的电子,在P区中获得了许多的空穴,从而在P-N结两侧形成了与内电场方向相反的光生电动势？当接上负载后，电流就从P区经过负载流向N区，负载即获得功率。2. 2光伏电池物理模型光伏电池是用半导体材料的光伏效应制成的，它的伏安特性主要随外界光照强度S(W/m?)和光伏电池外表温度T(C)的变化而变化，其特性呈非线性皿九可以用函数I=f(v,s,T)描述光伏电池输出电流。通过电子学理论和电路等效原理，可得光伏电池理想等效模型如图2.2。该模型的数学表达式：AKtRM式中光电流（八）：/。反向饱和电流（八）；q电子电荷(1.6X1019C)：K波尔
26、兹曼常数(1.38X10-23J/K);t绝对温度(K):A二极管因子：R,串联电阻():R并联电阻(Q)；/输出电流（八）；V输出电压。图2.2光伏电池等效电路图一个能带宽度，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。式（2-1）适合理论分析但不适合工程应用，工程应用公式实在此根底上进行修改，引进，（光伏电池短路电流）、乙（光伏电池最大功率点电流）、匕,（光伏电池开
27、路电压）、Vm（光伏电池最大功率点电压）四个技术参数。（27）式那么可表示：(2-2 )(2-3 )=Jl-Cllexp(-r)-其中G=(I)exp(缶)2=（-I）IlnU-L）（2-4）在电池温度和光照强度的变化下，心、乙、乙.、%,会按照一定规律变化，通过引入相应的补偿系数，近似推算出任意光照S和电池温度T下四个技术参数：Isc-lcnfO+aAT)(2-5)=心厘+必T)(2-6)1.=Vocrez111(1+S)(1-必T)(2-7)匕”=匕一啾1+M5)(l-cT)(2-8)AT=T-%(2-9)AS=1（2-10）T=Tair+S（2-11）其中几力、心、匕屯、%.为光伏电池在
28、Rr/=100（W,Tq=25。C技术参数。推算过程中假定光伏电池伏安特性曲线根本不变，那么系数0、6、c、k的典型取值分别为0.0025/C、0.5、0.0028为C、0.00125oCm2/Wo根据以上数学表达式可以在Matlabzsimulink中搭建光伏电池仿真模型如图2.3,该仿真模型标准参数/,W=84、=7.2A、匕.=78V、Vl,cnf=Va图2.3光伏电池仿真模型图2.3光伏电池仿真模型内部详细结构在附录中。2. 3光伏电池输出特性（1）在光伏电外表温度为T=25。C情况下，日照强度变化对光伏电池伏安特性的影响（横坐标为光伏电池输出电压U/V,纵坐标为光伏电池输出电流IA）
29、o图2.4温度不变，光照强度变动的伏安特性分析：保持其他条件不变，光照强度由200到100OW/m2变化，那么光伏电池短路电流和开路电压相应的增大，尤其短路电流的增幅相对于开路电压变化更大，将近3倍与开路电压，与文献6的图3相比拟，仿真伏安特性有一定的误差。（2）在光伏电池S=100OW/m2情况下，光伏电池外表温度变化对光伏电池伏安特性的影响（横坐标为光伏电池输出电压U/V,纵坐标为光伏电池输出电流IA）o图2.5光照强度不变，电池温度变动的伏安特性分析：保持光照强度不变，电池温度有10到60度变化，那么光伏电池开路电压不断地减小，而短路电流不断的增大，光伏电池最大功率点随电池温度的升高而有
30、一定的下降，与文献14中图2.4比照，功率下降可能会到达2%。（3）在光伏电池S=100OW/m2情况下，光伏电池外表温度变化对光伏电池最大功率点的影响（横坐标为光伏电池输出电压U/V,纵坐标为光伏电池输出功率P/W）。图2.6光照强度不变，电池温度变动的功率特性分析：保持光照强度不变，电池温度由10到60度变化，那么最大功率点发生下降，最大降幅大约10瓦。（4）在光伏电外表温度为T=25C情况下，日照强度变化对光伏电池最大功率点的影响（横坐标为光伏电池输出电压U/V,纵坐标为光伏电池输出功率P/W）。图2.7电池温度不变，光照强度变动的功率特性分析：保持电池温度恒定，光照强度由200到Ioo
31、oW/m2变化，那么光光伏电池输出功率变化很大。2.4本章小结通过对以上对光伏电池工作原理介绍及特性的分析，影响光伏电池输出功率的因素-电池温度T和光照强度S,其中光照强度对光伏电池输出功率影响最大，而电池温度影响甚微。并且通过与文献6比照，该仿真模型PV输出特性与理论特性有一定的差距。但是这误差在实际工程误差范围内。因此该模型可以用于模拟实际光伏电池的工作情况。3光伏电池最大功率点跟踪技术的算法3.1 光伏电池最大功率跟踪（MPPT）概念和根本原理最大功率点跟踪控制技术是光伏电池的推广得以应用的重要技术。当前光伏电池的转换效率很低，一般低于35%,并且本钱高。而其输出功率主要受到光照强度、电
32、池温度等因素的影响。因此，为了提高光伏电池系统的转换效率，在光伏电池系统中，通常要求光伏电池的输出功率始终保持最大。由于光伏电池的输出功率受外部环境的影响，因此光伏电池系统普遍采用光伏电池最大功率跟踪（MPPT）控制方法提高对光伏电池的输出功率。假设光伏电池的外表温度保持不变，光伏电池的输出伏安特性曲线如图3.1所示：图3.1MPPT工作原理图图3.2光伏电池和负载等效电路图图3.1中曲线I、11分别对应不同光照下光伏电池的I-V特性曲线，A、B分别为不同光照下光伏电池的最大输出功率点，其中有两条负载曲线即负载1和负载2o当光伏电池工作在A点时，光照强度突然上升，而负载保持不变，光伏电池的工作
33、点转移到A点。从图3.1中可以看出，为了使光伏电池在特性曲线I仍能输出最大功率，就要使光伏电池工作在特性曲线I上的B点，也就是说必须对光伏电池的外部电路进行控制使其负载曲线1变为负载曲线2实现与光伏电池的功率匹配，从而使光伏电池输出最大功率。光伏电池和负载的等效电路图如图3.2所示，在微变时间dt内，非线性的光伏电池和负载可以近似用线性电路等效。图中匕为光伏电池在时间dt内输出电压，/为光伏电池在时间dt内输出电流，Ri为光伏电池在时间dt内的内阻，&为负载，那么光伏电池在时间dt内的输出功率为：将式3-1）对/求导可得：也=束及一/（3-2）凡%+%）2当=凡时，P=U-有最大值。对于线性电
34、路，当电源内阻和负载电阻相等时，电源4叫可以输出最大功率。因此最大功率点跟踪控制法的根本原理是控制负载阻抗与光伏电池的瞬时内阻相等，即可使光伏电池工作在最大功率点。3. 2BOOST电路设计BST电路既有升压作用，通过电感和电容的储能性能及可控开关可以把直流电压电源提高数倍。由于该特性可以用于作为光伏电池的升压变换电路，用来提高光伏电池的输出电压，以提高负载能力。4. 2.1BOOST电路模型建立BoOST电路工作原理：假设电路中电感L和电容C2足够大。当IGBT处于导通状态时，光伏电池PV向电感充电，充电电流根本恒定为，同时电容C2向负载R供电，因C2值足够大，根本保持输出电压为S,山。设I
35、GBT导通时间为蜀，此阶段电感L上积蓄的能量为U3,。当IGBT断开时，光伏电池PV和电感L共同向电容C2充电，并向负载R提供功率。假设IGBT断开时间为%,那么这时间断电感L释放的能量为(UiM-Uin)IL%。当电路到达稳定状态时，一个周期T中电感L积累的能量与放出的能量相等即UinljmI=(Unul-UJIJoff(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)化简为S占空比D=q由(3-4)和(3-5)联立可得UM=U而图3.3BOOST电路图5. 2.2参数设置6. 2.2.1控制开关的选择GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于其具有电导调制效应也即基区宽度调制效应,所以其电流吐纳能力很
36、强，但开关速度较慢，不利于高速变化的开关动作并且所需驱动功耗大又电路复杂7。电力MoSFET是单级型电压驱动器件，其开关速度非常快，输入导纳低，对温度不敏感，所需驱动功耗小而且电路简单。但是绝缘栅双极晶体管(IGBT)综合了GTR和MOSFET两者的特性。IGBT的特性和参数特点总结如下：(1) IGBT开关速度快，开关功耗小。(2) IGBT的通态压降比电力MOSFET低，这是IGBT功耗低的原因之一。(3) IGBT的输入导纳低，其输入特性与电力MOSFET相似。(4) IGBT与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和导流能力可以进一步提高，同时其高开关频率保持不变。综上所述最终选
37、择IGBT作为Boost电路开关器件，开关频率为IkllZo当集电结反向电压增大时，集电结的空间电荷区加宽，这就引起基区有效宽度变窄。因而载流子在基区复合的时机减小，所以基极电流Ib随集电极反偏电压增大而减小，也就是基区有效电导减小。3.2.2.2电感L值和电容Cl值设定BOOST电路中直流电感的设计指标为纹波电流不能超过要求值，这里以电感额定电流的20%作为纹波电流的上限，电感的设计目标是使纹波电流不超过该上限初九在开关管IGBT的控制下，可以使BOOST电路工作在不断流模式下，在不断流模式下可得如下公式：乙=夕DXT（3-7）由（3-6）和3-7）可得:九皿=%。（1一力）（3-8）（3-
38、8）式对D求导可得，当占空比D=O.5时纹波电流最大，得到电感量计算公式（3-10）。Lwb max(3-9)(3-10)由（3-9）可知只要电感L足够大，那么电感最大纹波电流就会变得足够小。根据光伏电池标准参数，选择额定电感电流为15A的电感，当D为0,0,9时，那么U。,取极限值100OVo所以1.=8.34X1O-27（3-11）4人J4l520%l000根据留有一定冗余量L设为4xlOT。另外，为了减少电感产生的纹波电流对光伏电池的反向充电，影响电池的正常工作。需在BOOST电路输入端参加电容Cl,如图3.3所示，设计指标为在电感纹波电流最大的情况下，电容上纹波电压不超过输入电压的1%
39、,在不断流模式最大峰峰值稳定运行情况下，电感和电容能量相互交换，得到计算公式（3-12）0C（Uin+0.005trJj-（Uin-0.005/.）11=IAdlf+三.（-三）23-12)所以ClLxULw maxLiM mux(fm + 0.005 J2-(fm-0.0051/J2(3-13)ILe通过电感L的额定电流，通过电感L的纹波电流，/HAmai通过电感L最大纹波电流，Um光伏电池输入电压，UnulBOOST电路输出电压。由(3-13)计算电容，取光伏电池输入电压值为80V,那么最终取为6.0xl0-2b3.2.2.3电容C2值设定BOOST电路中输出电容C2起到稳定输出电压和抑制
40、谐波的作用。电容值的设定应根据以上两个指标，假设输出电压U.的交流分量(即纹波)全部通过电容C2,那么可以根据公式(3-14)计算电容值。2啾：2UEl=Ig)0-14)Ug,电容C2纹波电压，Q电容C2纹波电流。由光伏电池参数%w=100V可以选择耐压为120V电容，纹波电压设为光伏电池最大功率点电压匕w/=78V的3%而纹波电流为光伏电池最大功率点电流(5=7.2A的5%o因此C2 2-包7.2x5%78 X 3% X 2?TX 1000= 2.4210-4F根据留有一定的冗余量和工程实际电容C2=l.OxlO-3F3.3脉宽调制器设计脉宽调制器是用来给IGBT提供驱动脉冲，当脉冲宽度发生
41、变化时，可以控制IGBT的导通时间，在本论文中该模块与光伏电池负载电阻R等效为一个可变电阻，通过脉冲的变化可以改变等效电阻，使它可以与光伏电池内阻相匹配(即光伏电池内阻与等效电阻相等)，从而到达输出最大功率的目的。3.3.1PWM模型搭建占空比作为输入信号，三角波发生器作为载波利用比拟器和与逻辑从而获得相应占空比的连续脉冲信号。模型如图3.4所示。图3.4脉宽调制模型三角波发生器模块参数设置：3.4常用的最大功率跟踪控制方法的分析3.4.1恒压跟踪法从图2.4光伏电池输出曲线可知，在一定温度情况下，在100O到200W/m2的光照范围内光伏电池最大功率点可以近似认为在某固定电压值左右摆动，而恒
42、定电压跟踪法就是利用这一特性。其实现方式是在光伏电池和负载之间串接一个可调电阻器，通过其调节使光伏电池输出电压恒定在某个平均电压值(根据电池温度为25度，不同光照下,求所测最大功率点电压的平均值)，从而得到近似最大功率输出。恒定电压跟踪法的优点是控制电路简单方便，可靠性和稳定性高。该控制方法的缺乏之处是未考虑外界温度对光伏电池的影响，当环境温度变化较大时控制精度较差。这就需要根据光伏电池温度调整平均电压值，以适应该温度环境。3.4.2电导增量法电导增量法和下文将要介绍的扰动观察法都是比拟成熟并且很实用的方法。从图2.6和图2.7可以看出，光伏电池的P-U曲线只有一个波峰，在最大功率点必定有功率
43、对电压的导数等于零即dP/dU=O,其中P为光伏电池输出功率，U为输出电压。因此可以得到以下的判据：dP/dUX),在最大功率点左侧;(3-15)(3-16)dPdU=O,在最大功率点处；、dPdUO,在最大功率点右侧。可得：dPdU=dUIdll=I+UdIdu对式(3-16)两边同除以电压U,可得右侧为I/U+dl/dUo因此，可以通过判断I/U+dl/dU的符号可以确定光伏电池是否工作在最大功率点。电导增量法在电导增量和偏差值的选择需要经过反复试凑。电导增量的大小将决定系统的跟踪速度，当增量较小时系统调节时间会很长，系统会很好的工作在最大功率点，震荡小。在实际应用中增量电导法需要给一个适
44、宜的偏差值E,当光伏电池输出功率在偏差值dP/dU=E所设定的范围内可以认为系统工作在最大功率点。理论上偏差值越小越好，越小那么最后的工作点越接近最大功率点，但实际中偏差值设置太小的话系统永远收敛不到稳定状态，最后导致在一定的范围内振荡。这种跟踪方法的优势是当周围环境发生变化时，其能够快速跟踪环境的变化调整参数。从而适合于极端天气状况下控制光伏电池输出最大功率，但它做成实际系统相当复杂O3.4.3扰动观察法通过测量当前光伏电池输出的电压Ul和电流/,如图3.5所示，求得当前功率6,接着测量下一时刻电压力和电流八，求得下一时刻Pz，两时刻功率和电压分别相减的耳=-片，Aq=2-4,当a0和Aq0
45、时，那么输出电压加一个增量(/,直到输出功率接近最大值匕，当功率任在最大功率点左侧时电压会继续增加，可能会到大右侧的力对应的功率点%,与前一时刻相比拟曾0,此时输出电压减去增量AU,到达3点，把该点电压心与S相减的AUj0,该点功率m与E相减的年0,在接着与下一个采样点比拟，这样功率会再一次接近最大功率点片。如此循环下去，实际采样点会不断的在理论最大功率点左右徘徊。当设定的步长AU越小，那么波动的幅度越小，即更加接近理论最大功率点，但是会相应的延长调节时间，影响系统的实时性；当然，步长AU过大，波动自然加大，误差也会加大，从而使系统不能正常工作。因此选择一个适宜的步长很有必要性。扰动观察法实施
46、流程图如图3.6所示。图3.5扰动观察法原理图图3.6扰动观察法流程图3.5控制器设计随着人们对太阳能的重视，以及如何提高太阳能发电的效率，不少国内外研究者提出了各种各样的光伏电池最大功率点跟踪算法。如定电压跟踪法、光伏阵列组合法、实际测量法、扰动观察法、电流扫描法、电导增量法，还有与模糊、神经网等前沿知识结合的方法，如模糊逻辑控制法、神经网络法匕本课题用前一章所介绍的扰动观察法来设计控制器，扰动观察法的优点是结构简单、被测参数少、容易实现、研究的比拟成熟、改良和优化的方法较多；缺点是系统在最大功率点会产生一定幅度的震荡，电压增量的选择会影响收敛的快慢，受环境巨大波动影响很大可能不能工作。但是
47、在环境相对温和的工作场所和对控制精度要求不高的场合使用，可以大大降低本钱3.5.1控制器模型搭建通过图3.6所示的算法建立图3.7控制器模型。该模型设计思路是通过占空比的固定步长，使占空比增加或减少来控等效电阻即光伏电池负载，来改变光伏电池输出电压,实际上，此方式使电压增量在动态变化。把通过电压增减，实现输出功率变化，转换为由占空比增减，控制输出功率变化。图3.7控制器模型该模型采样时间设置为001s,Mennory2模块初始值设为0.5,该值为初始化的占空比，其他Mermory初始化为O03.6本章小结本章介绍了光伏电池最大功率跟踪(MPPT)概念，光伏电池最大功率跟踪(MPPT)根本原理及对常用的最大功率跟踪控制方法的分析。可以得知恒压控制法、电导增量法、扰动观察法都是基于光伏电池阻抗与负载阻抗的匹配，即内阻和外阻相等，这样就可以使光伏电池输出最大功率。介绍了BooST电路元件参数的设置，并且根据扰动观察法制作了最大功率点跟踪控制器。4光伏电池最大功率点跟踪技术的Simulink仿真4.1仿真模型该模型由光伏电池PV模块、
