太阳能电池MPPT建模
太阳能电池系统中的MPPT算法研究与比较分析
太阳能电池系统中的MPPT算法研究与比较分析太阳能电池系统中的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法是一种重要的关键技术，用于提高太阳能电池组的发电效率。
在太阳能电池组中，由于存在温度和光照强度等因素的变化，太阳能电池组的输出电压和电流也在不断变化，而太阳能电池的输出功率是电压和电流的乘积，所以需要实时跟踪太阳能电池组的最大输出功率点，以确保太阳能电池组能够以最高效率工作。
目前常用的MPPT算法有众多种类，本文将对几种常见的MPPT算法进行研究与比较分析。
1. 常数加压步进变化（Constant Voltage Incremental Change，CVIC）算法CVIC算法是一种较为简单的MPPT算法，其原理是设定一个初始电压，通过改变电压的大小来搜索最大功率点。
具体步骤如下：首先确定一个初始电压值，在该电压下测量太阳能电池组的输出功率；然后根据当前输出功率与上一次测量功率的比较结果，调整电压值并重新测量功率；不断迭代，直到找到最大功率点。
CVIC算法的优点是实现简单，可以在较短的时间内找到最大功率点，但其缺点是其迭代速度较慢，不适用于功率变化较快的系统。
2. 全局定位（Global Maximum Power Point , GMPP）算法GMPP算法是一种基于搜索的MPPT算法，其原理是基于整个工作范围内最大功率点的特点，通过搜索寻找全局最大功率点。
具体步骤如下：首先检测输入电压和电流，并计算对应的输入功率；然后增加或减少输入功率，再次测量电流和功率，并计算新的输入功率；通过比较两次输入功率的大小，选择功率较大的一侧作为新的搜索方向，不断迭代，直到找到全局最大功率点。
GMPP算法的优点是可以找到全局最大功率点，适用于功率变化较快的系统，但其缺点是速度较慢，对计算资源要求较高。
3. 增量（Incremental Conductance, INC）算法INC算法是一种基于导数变化的MPPT算法，其原理是通过计算导数的变化来确定最大功率点。
太阳能光伏MPPT技术仿真研究与硬件电路设计
为 了 尽 可 能 提高 整 个 光 伏 系统 的发 电效 率 ，本 文 将 恒 定 电
压 控 制 法 与 扰 动 观 察 法结 合 在 一起 ，对 光伏 电池 最 大 功率 点进 行 快 速 、 确 地 跟 踪 ， 过 仿 真 研 究 进 行 了验 证 。 准 通
Ｕｌ Ｕ Ｚ Ｕ３ Ｕ ｘ ｍａ Ｕ４ Ｕ ５
１６ ０
太 阳 能光 伏 ＭＰ Ｔ技 术 仿 真 研 究 与硬 件 电路设 计 Ｐ
太阳能光伏 ＭＰ Ｔ技术仿真研究与硬件电路设计 Ｐ
ＭＰＰ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ｔ ｖ ｌ ｉ ｒ ｙ ａ ｄ Ｔ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｔ ｄ ｆ Ｐ ｏｏ ｏｔ ｃ Ａｒａ ｎ Ｈａ ｄ ａ ｒ ｗａ ｅ Ｃｉ ｕｔ Ｄｅ ｉ ｎ ｒ ｒ ｉ ｃ ｓｇ
率 点才 能 充 分 利 用 光 伏 电 池 的 容量 ， 高 整个 系统 的发 电效 率 。 提 因此 ，光 伏 发 电系 统 需 要 保 证 系 统 不 论 在 何 种 日照 及 温 度
条 件 下 ，始 终 使 光 伏 阵 列 工 作 在 最 大 功 率 点 处 ，并 且 是 动 态 跟 踪。 已有 的 ＭＰ Ｔ方 法 ， Ｐ 如恒 定 电压 控 制 法 、 动 观 察 法 、 扰 电导 增
吕 昌睿 曾 奕 宋 辉
（ 海 交通 大学 电气工程 系电力传 输与功 率 变换控 制教 育部 重点 实验 室 ， 上 上海 ２ ０ ４ ） ０ ２ ０
摘 要 最 大 功 率 点 跟 踪 （ Ｐ ） 术是 太 阳 能 光 伏 发 电 系统 的 核 心技 术 ， 何 进 行 快 速 、 确地 跟 踪 ， ＭＰ Ｔ 技 如 准 直接 影 响 到 整 个光 伏
它 发 电形 式 的特 点 之 一 。 当 Ｅ照 强 度 和 环 境 温 度 变 化 时 ， ｌ 光伏 电池 的 输 出 电压 和 电 流 呈 非线 性 关 系 变 化 ，其输 出最 大 功 率点
光伏发电系统的MPPT控制算法研究
光伏发电系统的MPPT控制算法研究随着可再生能源的重要性日益凸显，太阳能光伏发电系统作为一种清洁、可持续的能源供应方式，受到了广泛关注。
然而，光伏发电系统中存在一个重要的问题，即太阳能电池组的最大功率点（Maximum Power Point，简称MPPT）跟踪控制。
本文将探讨不同的MPPT控制算法，并分析其优缺点。
一、传统的光伏发电系统MPPT控制算法传统的MPPT控制算法主要包括开环控制和闭环控制两种形式。
开环控制算法主要依赖于模糊控制、PID控制和全局搜索等方式，通过调整光伏电池组的电压和电流来实现最大功率点跟踪。
然而，开环控制算法具有很大的局限性，容易受环境变化和外界干扰的影响，难以保持稳定的跟踪效果。
闭环控制算法通过监测光伏电池组的电压和电流，并将其与期望值进行比较，然后调整光伏电池组的工作状态，以实现最大功率点跟踪。
闭环控制算法具有更好的稳定性和鲁棒性，能够适应各种环境条件和外界干扰，但在一些特定情况下可能无法有效跟踪最大功率点。
二、改进的MPPT控制算法为了解决传统MPPT控制算法存在的问题，研究者们提出了许多改进的算法，如模型预测控制算法、人工智能算法和混合算法等。
模型预测控制算法通过建立光伏发电系统的动态数学模型，预测未来一段时间内的光照条件，并根据预测结果调整光伏电池组的工作状态，以实现最大功率点跟踪。
该算法具有较好的响应速度和适应性，但对模型的准确性要求较高，且计算量大。
人工智能算法，如神经网络和遗传算法等，通过训练和优化模型来实现光伏发电系统的MPPT控制。
这些算法具有较强的自学习和优化能力，能够适应光照条件和光伏电池组参数的变化，但其计算复杂度较高，运行速度慢。
混合算法结合了不同的MPPT控制算法，旨在克服各自算法的局限性，提高最大功率点跟踪效果。
例如，将模型预测控制算法和人工智能算法相结合，利用神经网络预测光照条件，然后通过遗传算法优化控制策略，可以提高系统的鲁棒性和精确性。
第二章光伏电池模型及MPPT技术原理
第二章光伏电池模型及MPPT技术原理光伏电池是能够将太阳光能转化为电能的电子器件，其输出功率尤其受光照强度、电子器件温度的阻碍。
为了将太阳能最大限度地转化为电能，提高光伏电池的光电转化效率，对光伏电池的最大功率点跟踪那么是光伏发电系统的关键技术之一。
为了进行最大功率点跟踪，必需对光伏电池的工作原理和特性进行详尽的研究，了解其是如何将太阳光能转化为电能，其转化进程受哪些因素的阻碍，和如何提高光电转化的效率。
基于此，研究光伏电池的工作特性势在必行。
一、太阳能光伏电池模型一、光伏电池的工作原理光伏电池的大体结构是PN结，当受到外界光照时，PN结会产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。
当太阳光照射到光伏电池表面时，一部份光子被反射归去，如光子1；一部份光子会在离PN结较远的地址被吸收，如光子2，它们在复合还原的进程中无法产生电动势；一部份光子因其本身动能较小，在刚进入PN结时，就被吸收，无法产生电动势，而且会使光伏电池本身的温度升高，如光子3；还有一部份光子在射入光伏电池没有被吸收，如光子4；而真正产生电动势的是那些在PN结周围被吸收的光子，如光子5；在PN结内部原子的价电子受到太阳光子的激发产生处于非平稳状态的空穴-电子对，在PN结内部形成势垒电场，现在，咱们能够把空穴明白得为正电荷，电子明白得为负电荷，当空穴-电子对处在势垒电场时，会受到电场力的作用，使得空穴向P区漂移，而电子那么向N区漂移，至此，在PN结周围会形成一个与势垒电场相反的光生电场。
光生电场的一部份与势垒电场相抵消，另一部份那么使得P区带正电，N 区带负电，而在P区和N区之间，就产生了电动势，只要在外部接上负载，即能够向负载输出直流电，形成一个小小的直流电源，使负载取得电能。
以上的整个进程确实是光生伏特效应，而这一样也是光伏电池的大体工作原理。
图2-1 PN结受光照激发空穴-电子对图图2-2 光伏电池的光生伏特效应图二、光伏电池模型光伏电池模型有两类，一类是物理模型，另一类是外部特性模型。
太阳能电池接Boost电路MPPT控制仿真分析
苏
电
机
丁
程
第 ３ 巷 第 ３明 １
Ｊａ ｇ ｕ Ｅ ｅ ｔｉａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｉｎ ｓ ｌ ｃｒｃ ｌ ｇ ｎ ｅ ｉ Ｅ ｎ
太 阳能 电池接 Ｂ ｏｔ ｏ ｓ电路 ＭＰ Ｔ控制仿真分析 Ｐ
任立平 ， 祁 ， 朱 于跃 海 ， 云 胡
（ 网电力科 学研究 院 ， 国 江苏 南京 ２ ０ ０ ） １ ０ ３
电容 Ｃ值 也很 大 当开关 管 处于 通态 时 ． 电感 ｆ中 Ｊ
的充 电电流基 本恒 定 ． 同时 电容 Ｃ向负载 供 电 ， 保持 输 出电压 基 本 恒定 ， 开关 管 处 于 断态 时 ， 阳 当 太 能 电池 阵列 与电感 ，共 同 向 电容 Ｃ充 电 ， 向负载 Ｊ 并 提 供 能量 一个周 期 内电感 ，储 能与 释能 相等 。 义 Ｊ 定
图 １ Ｓ Ａ 中 太 阳 能 电池 模 型 Ｒ Ｃ Ｄ
开关 管 通 态 时 间 为 ｔ 断 态 时 间 为 ｔ 开 关 周期 为 ， ｍ
，
陔模 型 巾 ，基 本 参数 如 下 ： 一 为单 个 组 件 开
路 电压值 ； 为单 个组 件短 路 电流值 ； 为 单 个
开关频 率为
阻 尺 是 定值 ． 这就 需 要控 制 其他 变量 来 调 节外 接 电
阻值 ． 到 功 率为 ：
Ｐ Ｕｌ ・ ： ｖ ｌ ０） 、
太 阳能 电池 阵列 Ｔ作
外接 等效 电阻 为 ：
Ｒ ＝ ＵＩ （） ２
Ｂ ｏｔ ｏ ｓ 变换 电路 中 ． 假设 电路 中 电感 Ｌ值 很 大 ．
＝ ／ ， 占李 比 Ｄ＝ Ｔ 。则 ： ｌ Ｔ） 设 ｔ ／
（） ３
（ ４）
光伏发电MPPT的模糊逻辑控制及仿真
光伏发电MPPT的模糊逻辑控制及仿真郭海霞【摘要】[目的]为提高光伏发电效率,使光伏电池迅速工作在最大功率点.[方法]本文结合光伏电池的等效模型,分析其输出特性,采用模糊逻辑控制方法对光伏电池最大功率点进行跟踪控制,基于Matlab/Simulink建立光伏电池最大功率点跟踪的模糊控制仿真模型.[结果]仿真结果显示模糊逻辑控制法能瞬间实现光伏电池最大功率点跟踪.[结论]模糊逻辑控制法能显著改善最大功率点振荡,使系统有良好的稳态和动态性能.%[Objective]In order to improve the efficiency of Photovoltaic Power Generation,it is necessary to make the photovoltaic battery work quickly at the maximum power point through the Maximum Power Point Tracking control. [Methods]The equivalent model of photovoltaic battery was introduced,its output characteristic was analyzed,and fuzzy logic controlmethod was applied to maximum power point tracking control of photovoltaic battery.The simulation model of fuzzy controlmethod was established based on the Matlab/Simulink.[Result]The simulation result showed that the fuzzy control,improved the oscillation of maximum power point and had good steady-state and dynamic per-formance method could track the photovoltaic battery maximum power pointrapidly.[Conclusion]The fuzzy control-method improved the oscillation of maximum power point,system had good steady-state and dynamic performance.【期刊名称】《山西农业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(037)011【总页数】6页(P825-830)【关键词】最大功率点跟踪;模糊控制;光伏电池;仿真【作者】郭海霞【作者单位】山西农业大学工学院,山西太谷 030801【正文语种】中文【中图分类】S214.9;TM615随着全球经济和商业的快速发展，能源供求出现失衡，能源资源紧张问题日益凸现[1,2]。
光伏MPPT仿真
1.2
1.2.1
在太阳能电池温度一定时，太阳能电池的输出P-V曲线上最大功率点电压几乎为一个固定的电压值[10]。因此，CVT法的控制思路是事先在控制系统中设定太阳能电池的最大功率点电压指令值，在系统工作时将太阳能电池的端口电压控制在设定电压指令值处。则在外界环境条件变换不大时，可以近似认为太阳能电池始终工作在最大功率点处。定电压法控制简单，容易实现。系统只要对太阳能电池的输出端口电压进行采样，并同系统的设置值进行比较：若输出端口电压同电压指令值不同，则通过控制系统调整功率变换模块，使得调整后太阳能电池的输出端口电压等于系统地设置值即可[11]。
单晶硅光伏电池是硅电池中转换效率最高的，也是性能最稳定的一种，但是其生产加工过程能耗很高，单晶硅棒的切片和剪裁也还需要耗能并且材料损耗也很大。因此价格更为低廉的多晶与非晶材料正在快速广泛地被用来制造太阳能电池，尽管质量上稍逊于单晶硅。
多晶硅电池不像单晶硅具有整体一致的晶体结构，大量微细晶硅体在材料内无序排列。多晶硅电池的转换率不如单晶硅电池，但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅电池的转换效率不如单晶硅电池，但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅材料的制作无需单晶硅拉制过程，采用的方法有坩埚生长法和EFG法等。多晶硅电池仍然保持晶体的基本特性，因此还是带隙为1.1eV的间接带隙材料，晶片制作的后续工艺与单晶硅电池相同。为了保证足够的光吸收，晶片同样需要较大的厚度。
并网光伏发电系统最大的特点就是光伏阵列的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中太阳电池阵列所产生电能除了供给交流负载外，多余的电力输出给电网。并网光伏发电系统的安装类型大小各异，可以是功率为即千瓦的家用小型系统，也可以是功率为兆瓦级的大型发电站。
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究
光伏发电系统中的MPPT算法优化研究随着全球气候变化的加剧，人们迫切需要寻找新能源替代传统能源，以达到能源安全和环保的目的。
光伏发电是一种新兴的能源技术，它可以将太阳能转换为电能，而且没有任何污染，十分环保。
但是，由于天气、季节、太阳角度等因素的影响，太阳能的输出不稳定，因此需要一种能够根据当前太阳能输出功率自动调节电压和电流的控制系统，以提高发电效率。
这就是MPPT算法。
一、MPPT算法简介MPPT（Maximum Power Point Tracking）是一种广泛应用于光伏发电领域的算法，它能追踪太阳能电池板的最大输出功率点，从而将太阳能的输出转化为最大的电能输出，提高光伏发电效率。
MPPT算法通常分为两种类型：模拟算法和数字算法。
模拟算法包括 Perturb and Observe 算法（简称 P&O 算法）和 Incremental Conductance 算法（简称 IC 算法）。
P&O 算法通过周期性地改变太阳能电池板电流和电压来找到最大功率点，但是由于其存在震荡，对最大功率点的跟踪速度较慢，精度也较低。
IC 算法根据太阳能电池板的导电率，快速跟踪最大功率点，但是其算法复杂度较高，难以实现。
数字算法包括 Perturb and Observe 算法和 Incremental Conductance 算法的改进方法，如 Hill Climbing 算法、Gradient Descent 算法、Adaptive Perturb and Observe算法等。
这些算法通过使用数学模型来代替硬件电路来优化太阳能电池板输出功率，能够达到更高的跟踪速度和精确度，但是相对复杂，需要较高的计算能力。
二、MPPT算法优化在实际的光伏发电系统中，MPPT算法的优化是非常重要的，它能够提高发电效率，减少能源浪费，变相地提高光伏发电的经济效益和环保效益。
以下是几种MPPT算法的优化方法。
1、遗传算法优化遗传算法是一种基于自然选择和遗传进化理论的全局寻优算法，它通过模拟生物进化过程来搜索最佳解，具有强大的优化能力。
光伏发电系统中的MPPT技术研究
光伏发电系统中的MPPT技术研究随着环保意识的不断提高，太阳能作为新一代清洁能源正成为人们关注的热点。
而光伏发电系统是利用太阳能转换为电能的一种重要技术。
然而，在光伏发电过程中，太阳能电池板输出功率与辐照度和温度等因素密切相关，因此需要采用最大功率点跟踪（MPPT）技术来实现光伏发电系统的最大转换效率。
本文将探讨MPPT技术在光伏发电系统中的应用研究。
一、MPPT技术的原理及分类最大功率点跟踪技术(MPPT)是一种分析太阳能电池在不同辐照度和温度下的工作特性的技术，以确定太阳能电池的最大工作点，使太阳能电池输出的电能转换效率最高。
MPPT技术原理有两种：模拟和数字。
模拟MPPT技术是使用一些传统的电路器件进行电压或电流变化的测量，通过计算求解出最大功率点，并控制电荷控制器输出电压和电流来不断调整太阳能电池板工作点。
相对而言，数字MPPT技术则采用数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）等数字电路对太阳能电池板的电压、电流和输出功率进行实时监测和分析，然后通过软件算法来实现最大功率点跟踪的控制。
根据控制极点的不同，MPPT技术还可以分为定态响应型和动态响应型。
定态响应型是指在实际操作中，控制器对太阳能电池板电压、电流和输出功率的计算公式固定不变。
而动态响应型则采用更为灵活的控制方法，可以根据太阳能电池板的瞬态特性实时调整计算公式，以确保最大功率点具有更强的稳定性和实用性。
二、MPPT技术在光伏发电系统中的应用研究MPPT技术在光伏发电系统中得到了广泛的应用。
其中，目前较为流行的是基于动态响应型数字控制器的MPPT技术。
该技术采用多种功率点跟踪算法，实现太阳能电池板工作点的快速、精确和稳定跟踪，提高了光伏发电系统的效率和可靠性，具有广泛的应用前景。
在实际应用中，MPPT技术还有许多值得探讨的问题。
例如，如何优化MPPT算法，提高最大转换效率和动态响应特性；如何选取合适的数学模型和控制算法来构建MPPT系统；如何集成MPPT控制器与光伏发电系统的其他控制模块等。
光伏发电系统MPPT控制方法研究
光伏发电系统MPPT控制方法研究近年来，随着环保意识的增强和可再生能源技术的迅速发展，太阳能光伏发电在全球范围内逐渐流行起来。
而在光伏发电系统的运行中，MPPT控制方法则成为了关键环节。
MPPT（Maximum Power Point Tracking）是光伏发电中非常重要的控制技术，主要用于寻找光伏电池阵列的最大功率点，确保系统获得最大的电能输出。
MPPT控制方法的本质是控制光伏电池充电电压和充电电流，以求得最大输出功率。
目前，常用的MPPT控制方法有全局搜索算法、模型预测控制、逆变输入阻抗法等。
本文将针对这些方法进行分析。
一、全局搜索算法全局搜索算法是一种比较传统的MPPT控制方法，其原理是通过对PV阵列的输入电压、输入电流、电池电压和电池电流等参数进行测量和分析，得出参考值，然后通过迭代算法找到最大功率点。
虽然全局搜索算法在理论上理想，但在实际应用中存在一些问题。
首先是计算量大，需要进行大量的计算，降低了系统的实时性和控制精度。
其次，该算法对光伏电池模型的准确性要求较高，如模型误差较大，将导致系统失效。
最后，当阴影遮挡或天气变化等因素引起光伏电池输出变化时，全局搜索算法也不易适应其变化。
二、模型预测控制模型预测控制是一种基于模型的先进控制技术，其原理是利用数学模型对光伏电池阵列的输出功率进行预测和控制，从而实现实时跟踪最大功率点。
相比于全局搜索算法，模型预测控制具有更高的效率和精度。
该算法可以实时反映光伏电池阵列的实际情况，可以在阴影遮挡或天气突变时快速做出应对方案，从而提高光伏发电系统的运行效率。
三、逆变输入阻抗法逆变输入阻抗法是一种基于光伏逆变器的MPPT控制技术，其原理是利用逆变器的输入阻抗特性来调整光伏电池的输出电压和输出电流，从而达到最大功率点跟踪目的。
与全局搜索算法和模型预测控制相比，逆变输入阻抗法在控制精度和计算时间上都具有优势。
该方法利用了逆变器的特性，只需进行少量的计算即可快速实现最大功率点跟踪，同时逆变器本身也能够保护光伏电池阵列免受气象灾害等外界因素的影响。
MPPT介绍
MPPT介绍
1.MPPT定义
光伏阵列的输出功率与输出电压为非线性关系，受气象条件（辐照和温度）的影响，MPPT（Maximun Power Point Tracking）模块可以调节组件的输出电压，使得光伏组件的输出最大功率，提高光伏系统转化率。
2.光伏阵列模型
理想情况太阳能电池的等效模型，如下图：
其中：Iph为光伏组件短路电流，大小反映了光伏电池当下的光照强度；
Id为暗电流，是指在光伏电池在无光照时，由外电压作用下PN结内
流过的单向电流；
I为光伏电池的输出电流；
Rsh为并联电阻；
Rs为串联电阻。
输出电流表达式为：
其中：
I0为反向饱和电流；q为电子电量；K为玻尔兹曼常量；T为绝对温
度；A为PN结理想因子；Vd为二极管端电压；
光伏电池输出电压、输出电流和功率之间关系如下图：
组件的输出功率和电压不呈线性关系，MPPT模块的功能就是通过算法找到输出的功率最高点。
一般并网逆变器通过Boost电路来实现最大功率点追踪，实现方法将在培训会上介绍。
MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
02
MPPT控制算法
MPPT控制算法概述
MPPT（最大功率点追踪）控制算法是用于提高太阳能电池板转换效率的重要技术 。
太阳能电池板的输出功率受到光照强度、温度和负载条件的影响，MPPT控制算法 能够实时追踪最大功率点，提高系统的总体效率。
MPPT控制算法可应用于并网和离网太阳能充电系统中，是光伏发电系统的核心技 术之一。
VS
结论
通过实验验证，本文所设计的MPPT控制 算法太阳能充放电控制器能够在不同光照 条件下实现稳定、高效的能量转换和控制 ，为太阳能利用提供了有益的参考。
研究不足与展望
研究不足
虽然本文所设计的MPPT控制算法太阳能 充放电控制器在实验中取得了较好的效果 ，但仍然存在一些不足之处，如未考虑到 天气、温度等环境因素对太阳能电池板输 出功率的影响，以及控制算法的鲁棒性和 实时性等方面还有待进一步提高。
测试内容与方法
进行充放电效率、稳定性、可靠性等测试，采用多种测试方法进 行分析和评估。
验证结果与分析
根据测试结果，对充放电控制器进行优化和改进，提高性能和质 量。
05
MPPT控制算法在充放电 控制器中的应用
MPPT控制算法在硬件设计中的应用
电压采样电路设计
01
设计精确的电压采样电路，用于实时监测太阳能电池板的电压
研究太阳能充放电控制器对于提高太阳能利用率、降低环境污染以及应对能源短 缺等问题都具有重要的意义。此外，太阳能充放电控制器的研究对于促进可再生 能源行业的发展以及推动新能源革命的实施都具有重要的战略意义。
研究现状与发展趋势
目前，在国内外学者的不懈努力下，太阳能充放电控制器的研究已经取得了长足的进展。在技术应用方面，太阳能充放电控制 器已经广泛应用于各种领域，如太阳能路灯、太阳能热水器、电动汽车等。在研究方面，许多学者对太阳能充放电控制器的优 化设计进行了深入研究，提出了许多有效的优化算法和控制策略。
光伏电池和MPPT控制器的仿真模型_李洁
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂａｏｔｏｕ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０１４０１０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ ｕｎｄｅｒ ＭＡＴＬＡＢ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．
或环境温度发生改变时， 能够平稳迅速的跟踪最大功率点 。而 且在最大功率点处的振荡要比扰动观察法小，降低了系统的 功率损失。 导纳增量法通过比较光伏电池的瞬时导纳与导纳变化量
１８３７
２０１２．１２ Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１２
来完成最大功率点跟踪功能 。 由于最大功率点 Ｐｍａｘ 处斜率为 零， 由此可得：
收稿日期： ２０１２－０５－１１ 基金项目： 包头市科技计划项目（２０１１Ｚ１００９－３） 男， 内蒙古自治区人， 硕士， 副教授， 主 作者简介： 李洁（１９６５—）， 要研究方向为电力电子技术。
I
１ 光伏电池的仿真模型
１．１ 光伏电池的数学模型
光伏电池属于半导体光电器件，光直接辐射到光伏电池 所示。
Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｓｅｄ ａｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
光伏电池建模及MPPT控制综述
图1 光伏电池物理模型等效电路这种建模方式的特性可利用电路基础知识得出：（公式（1）中：表示光伏电池光生电流，表示二极管反向饱和电流，串联电阻主要影响最大功率，并联电阻主要由制造缺陷引起，以分流的形式造成功率损失，表示二极管理想因子（取值1≤≤2），是波尔兹曼常为光伏电池温度，为串联光伏单元个数。
如果能够采用精确的半导体参数进行建模，那么这个模型就可较为准确的模为修正系数，可以通过解公式（为短路电流，为开路电压，为最大功率电压（均为标准状况下参数）。
而以上这些参数厂家是向我们提供的，所以，这种建模方式省时省力，但是所有参数均是标准状况下的参数，无法充分仿真不同环境条件作用时，光伏电池的工作情况，于是我们需要一定的修正方法，查阅相关文献后，大致归纳为以下两种修正方法。
下公式：其中：式中，和分别表示参考太阳辐照强度和参考光伏电池板温度，一般取值为。
和分别表示参考光照强度下，电流和电压的温度变化系数。
为光伏电池模块串联电则通过求导取其极值时，得出：上式可以用牛顿迭代法进行迭代求出，即为最大功率点图2 扰动观测法流程图这种控制方式易于理解，需求测量的参数较少，控制简单。
但其实质是不断扰动输出电压，这必然会导致最终的工作点会在最大功率点左右振荡，且扰动步长越大，振荡幅度越大，这会引起一定的功率损失。
同时，当外界环境变化剧烈时，该方式还会产生“误判”的情况，基于这些缺点，改进型扰动观测法应运而生。
（2）改进型扰动观测法改进扰动观测法[6]正如其名，是对扰动观测法的改进。
下图为改进扰动观测法的流程图，方框中的部分即为改进部分，当光伏电池输出电压与光伏电池最大功率点电压的差的绝对值大于修扰动步长时，则使此时输出电压变为最大功率点电压。
这样考虑到了当外界环境变化较为剧烈时，传统的扰动观测法会导致电流或电压崩溃现象，从而产生误动作的情况。
而且，这种方法跟踪速度较传统的扰动观测法更快，功率损耗较小。
图3 改进型扰动观测法流程图（3）电导增量法电导增量法(Incremental Conductance, INC)是基于P-U 线，通过求导取极值点的思想进行工作的。
基于MPPT的太阳能充电控制器的设计
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.01.028基于MPPT的太阳能充电控制器的设计付蓉 张义雷 蒋富忠 周堃 赵俊东（中国矿业大学（北京） 北京 100083）摘 要:本文设计了一种具有MPPT功能的光伏发电充电控制器。
通过单片机检测蓄电池充电电压、充电电流的大小，自动切换充电器的工作状态，有效地提高了蓄电池的寿命。
在光照条件不足时，蓄电池的电压，电流未超出给定值，开启MPPT功能，保证整个系统最大效率的充电。
经matlab仿真，该设计具有可行性。
关键词:太阳能 MPPT 充电控制 Matlab仿真中图分类号:TM91 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2018)01(a)-0028-04Abstract: This paper designs a photovoltaic power charging controller with MPPT function. The machine can detect the charging voltage of the battery, the size of charging current, and automatically switch the working state of the charger, effectively improving the battery life. When the lighting condition is insufficient, the voltage of the accumulator is not exceeding the given value, and the MPPT function is opened to ensure the maximum efficiency of the whole system. Through Matlab simulation, the design is feasibleKey Words: Solar energy; MPPT; Charge control; Matlab光伏发电技术由于可将无污染、可再生的太阳能转换为方便存储的电能，因此在全球能源紧张和环境污染严重的今天，日益受到人们的关注和重视。
MPPT
光伏阵列的输出具有非线性性质，而且会随着外界环境的变化而改变，选取有效的最大功率点跟踪技术可以让系统工作在最大功率点，这样可以有效提高系统的发电量，因此MPPT 技术是光伏系统的研究热点。
MPPT 建模（分两类）：1.通过求解0dP dV =来求出最大功率点，已知P-V 关系式，通过求导解得最大功率点电压，电流、功率便可得知。
2/()1(1)oc V C V sc sc I I C I e =--；2()1(1)moc V C V m sc C I I e -=-；12(1)[ln(1)]m oc m oc C V V I I -=--；2/()1(1)oc V C V sc sc P VI CVI e=--； 222/()/()/()11122(1)oc oc oc V C V V C V V C V sc sc sc sc oc ocdP e e I C I e CVI I CVI dV C V C V =---=- 此方程为超越方程，一般用数值迭代法求解。
此方法要求光伏电池的输出特性曲线已知。
在复杂光照条件下，光伏阵列的输出特性表达式往往都很复杂，不易求解，在实际中用数据表和Lagrange 插值公式求得其近似多项式，再求得最大点。
（计算复杂）2.通过不断调整、测量、逐步寻找最大功率点 MPPT 实现需要软硬件结合共同完成，软件主要指MPPT 算法，硬件部分是直流变换电路，现在最常用的是Boost 电路。
有的不用Boost 电路，而是直接控制逆变器来实现最大功率跟踪，此种可以先不考虑。
最大功率点算法原则：快速性和稳定性 下面MPPT 技术的几种常用算法，都属于第二类MPPT 技术的几种常用算法定。
另外在小功率光伏发电系统中，光伏阵列输出电压一般达不到并网要求，需要进行电压提升。
Boost 升压电路体积小、重量轻、效率高，电路结构和控制比较简单，由于电压抬升的作用太阳能电池阵列的输入直流电压范围可以很宽。
[应用]最大功率点跟踪（MPPT）
![[应用]最大功率点跟踪（MPPT）](https://img.taocdn.com/s3/m/25f9a91853ea551810a6f524ccbff121dd36c5af.png)
电子知识最大功率点(2)MPPT(14)MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。
所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。
下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。
要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。
所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压(Vpp)大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。
这样设定的原因，(有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊)在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V!现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。
传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。
但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。
那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。
MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。
它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。
就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。
电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。
理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。
从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器为什么要使用MPPT ?太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。
太阳能光伏发电系统中MPPT调节器设计
太阳能光伏发电系统中MPPT调节器设计随着对可再生能源的需求不断增加，太阳能发电系统在能源行业中的重要性日益突显。
太阳能光伏发电系统以其独特的优势，如环保、可再生、理论上无限可用等，成为人们追求可持续发展的首选能源。
然而，太阳能发电系统中存在一个普遍的问题，即太阳能电池板输出的电压和光照强度之间存在着非线性关系。
这意味着，即使在充足的阳光下，太阳能电池板也无法以最大效率转化太阳能为电能。
为了解决这个问题，我们需要使用一种称为功率最大点追踪 (Maximum Power Point Tracking，简称MPPT) 的技术。
MPPT调节器是太阳能光伏发电系统中的关键元件，它能够根据太阳能电池板输出的电压和电流实时调整电池板的工作点，以使其工作在光照条件下的最佳状态，从而实现太阳能的最大转换效率。
MPPT调节器的设计需要考虑多个因素，如电压范围、电流范围、效率、稳定性等。
以下是太阳能光伏发电系统中MPPT调节器设计的关键步骤：1. 选取合适的电荷控制器：电荷控制器是MPPT调节器的核心部件之一，它负责控制电池的充电和放电，以保护电池不受损害。
在选择电荷控制器时，需要考虑其适用的电压范围、电流范围和充电模式等，以确保与太阳能电池板和电池的匹配性。
2. 分析太阳能电池板的电压-电流特性曲线：太阳能电池板的工作点通常在其V-I特性曲线的最大功率点上。
通过分析这个曲线，我们可以确定最佳的工作点，以实现最大的能量转换效率。
3. 设计MPPT算法：MPPT算法决定了调节器如何根据电池板的电压和光照强度实时调整工作点。
常用的MPPT算法包括脉宽调制 (Pulse Width Modulation, PWM)、扰动观测 (Perturb and Observe, P&O)、递增阻抗(Incremental Conductance) 等。
根据系统的需求和性能要求，选择合适的算法并进行设计。
4. 搭建实验平台：根据设计的MPPT调节器算法，搭建相应的实验平台进行测试和验证。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.22扰动观察法仿真結果其及分析
从图中的电压曲线、功率曲线和电流曲线可以看出 , 该系统实现了 对太阳能电池最大功率点的准确跟踪，但是在达到最大功率点后扰
动依然在进行，这会造成能量的损失。
第三章、扰动观察法的缺点及改进
缺点：跟踪稳定时，只能在最大功率点附近振荡运行。
改进方法:采用变步长扰动 首先设定参考电压 Ur和扰动步长step的初值 ;然后检测扰动后光伏电池的输出电压 U和电 流 I,计算出扰动前后的功率变化量 dP和电压变化量 dU;由dP的值决定是否改变扰动步长 ,
2.1扰动观察法原理
2.2 MPPT算法的总体模型
通过给定温度25℃，光照通过timer模块设定在200——1000之间进行扰动变化，
通过搭建boost电路来直接实现扰动法的算法。其中通过PWM脉冲调试来改变
电压，实现波动。
MPPT模块
PWM模块
如图 PWM模块基于占空比为升压式变换器产生脉冲信号。其中,零阶保持器的 采样周期与MPPT仿真模块周期相同,取在[0.01- 0.001]之间。
太阳能电池最大功率点跟踪仿真
组员： 指导教师： 答辩日期：2015.10.22
目 录 / contents
01
光伏电池模块的仿真 最大功率点跟踪技术
02
03
扰动观察法的缺点与改进 总结与展望
04
第一章、光伏电池模块仿真
1.1太阳能电池的等效电路图
(V DV )/(C2VOC ) 1) DI 光伏电池模组的输出特性方程： I Isc[1 C1 (e
名称 Im 单位 7.94A Um 17.7V Uoc 22V Isc 8.58A Sref Tref a b Rs
1000Kw/ 25℃ m²
0.5Amps/ 0.00288 2Ω ℃ V/℃ 在 参 考 输出串 温 度 下 ，联电阻 电压变 化温度
意义 最 大 最 大 开 路 短 路 太 阳 辐 太 阳 能 在 参 考 日 功 率 功 率 电压 电流 射 参 考 电 池 温 照下，电 电流 电压 值 度 流变化温 度系数
U oc
1.2 光伏电池仿真模型
1.3输出结果与分析
大气温度固定(25℃)，不同日照强度下，光伏模组对日照量变化的特性曲线图：
I-U曲线
P-U曲线
日照强度固定(750W／㎡)，不同大气温度下，光伏模组对温度变化的特性曲线图： I-U曲线
P-U曲线
从上图可以看出：
在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间具有
非线性的关系，并且具有唯一的最大功率点
当电池表面温度或日照强度等因素发生变化时，最大功率点也会发生漂
移
因此，在时刻变化外界环境下，使光伏电池维持在最大功率点处，成为 光伏系统中一个亟需解决的问题。
第二章、最大功率点跟踪算法
最大功率点跟踪算法有开路电压法、扰动观测法、恒电压控制法、电导 增量法等 由于扰动观察法的结构简单，跟踪精度较高，且需要测量的参数较少， 被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上,所以我们使用扰动观察法 作为仿真对象。
跟踪到最大功率点后扰动明显减少，有效地减少了能量损失
四.总结
本次科研训练取得以下成果：
1 ）研究了太阳能电池特性，对太阳能电池进行理论分析与
仿真建模工作；
2 ）研究了光伏发电中最大功率点跟踪技术，分析比较不同
方法的特点，并重点对扰动观察法进行仿真；
3 ）针对传统扰动观察法的缺点对其进行了改进：采用变步
若vP<0,将扰动步长减去一个常数c,否则步长保持不变;然后由dP/dU的值决定扰动的方向,
若dP/dU>0,保持原扰动方向,若dP/dU<0,将扰动方向变反;用求得的新步长和扰动方向修 正参考电压Ur的值,并更新输出功率的值;如是循环,直至step变为零。
3.1改进后的MPPT模块
3.2改进后的结果与分析
DI S / Sref DT S / Sref I sc
DV DT RS DI
DT T Tref
C1 (1 Im/ Isc)eVm /(C2VOC )
C2 (Vm / Voc 1) /{ln(1 Im/ Isc)}
由给定的光伏电池参数确定各仿真模块参数值
长扰动法。